DE4218795A1 - Optisches system mit laserdiode und kollimator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System, bestehend aus einer Laserdiode und einem aus zwei diffraktiv-optischen Elementen gebildeten, achromatisierten Kollimator, wobei der Abstrahlpunkt der Laserdiode auf der Symmetrieachse des Kollimators angeordnet ist.

Laserdioden strahlen in einem schmalen Wellenlängenband aus. Dieses Band variiert produktionsbedingt von Charge zu Charge. Außerdem hängt die Lage des Bandes bei einer gegebenen Diode von der jeweiligen Betriebstemperatur ab. Wegen der großen Farbzerstreuung (Dispersion) diffraktiv-optischer Elemente muß ein solcher Kollimator achromatisiert, d. h. gegen begrenzte Wellenlängenvariationen unempfindlich gemacht werden.

Ein gattungsgemäßes System ist aus der US-Z. "Applied Optics", Vol. 28, No. 4, 15. Febr. 1989 (M. Kato, S. Maeda, F. Yamagishi, H. Ikeda und T. Inagaki: "Wavelength independent grating lens system") bekannt. Das bekannte System weist zwei Elemente mit jeweils konzentrischer, rotationssymmetrischer Linienstruktur auf, wobei die Rotations- oder Symmetrieachsen dieser Elemente zusammenfallen und die Symmetrieachse des Kollimators bilden. Der Abstrahlpunkt der Laserdiode liegt auf der Symmetrieachse des Kollimators und die Laserdiode strahlt symmetrisch zu dieser Symmetrieachse ab. Anders ausgedrückt: Die optische Achse der Laserdiode und die Symmetrieachse des Kollimators fallen bei dem bekannten System zusammen.

Ein Verfahren zur Konstruktion eines aus zwei diffraktiv-optischen Elementen bestehenden achromatisierten Kollimators ist in der angegebenen Literaturstelle "Applied Optics" beschrieben. Die beiden diffraktiv-optischen Elemente (abgekürzt: DOE) eines achromatisierten Kollimators weisen eine radial variierende Ortsfrequenzverteilung auf, deren Verlauf sich nach der Wellenlänge und der Geometrie der einzelnen Elemente des optischen Systems einschließlich des Abbildungspunktes richtet.

Laserdioden emittieren ein divergentes Strahlenbündel (im folgenden auch nur kurz als Bündel bezeichnet), das ein elliptisches Intensitätsprofil aufweist, wobei die Halbachsenverhältnisse der Ellipsen im allgemeinen zwischen 1 : 2 bis 1 : 5 liegen. Aufgrund der umfassenden Rotationssymmetrie kann die Elliptizität des einfallenden Bündels mit dem bekannten System aber nicht verändert werden. Für viele Anwendungen, insbes. Meßaufgaben ist es aber notwendig, das elliptische Intensitätsprofil in ein kreisförmiges Profil zu transformieren, um von der Ausrichtung der Laserdiode unabhängig zu sein.

Aus dem Aufsatz "Characteristics of efficient laser diode collimators" von John F. Forkner und David W. Kuntz, Irvine, California 92 714 (US): Melles Griot, 1983, ist es zwar bekannt, das elliptische Intensitätsprofil einer Laserdiode nach dem Kollimieren des divergenten Bündels mit Glaslinsen durch zwei geeignete Prismen aus Glas in einen Strahl mit kreisförmigem Querschnitt zu transformieren. Diese Lösung ist aber mit einem erheblichen apparativen Aufwand verbunden und erfordert zudem auch einen entsprechenden Einbauraum.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes System dahingehend zu verbessern, daß aus einem zentralen Teil des von der Laserdiode ausgesandten Lichtkegels nach dem Kollimieren ein Bündel mit annähernd kreisförmiger, vom Zentrum zum Rand hin monoton abfallender Intensität entsteht. Das Kollimieren des divergenten Lichtkegels kann dabei das Überführen in ein konvergentes, ein paralleles oder in ein Bündel mit definierter Divergenz umfassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die optische Achse der Laserdiode innerhalb der gedachten Ebene, die durch die jeweils kleinere Achse der Intensitätsverteilung des Lichtkegels und die Symmetrieachse des Kollimators gebildet ist, derart gegen die Symmetrieachse des Kollimators geneigt ist, daß der zentrale Teil des Lichtkegels, auf dessen Mantelfläche die Intensität der Hälfte der maximalen Intensität entspricht, beim Auftreffen auf das erste diffraktiv-optische Element des Kollimators einen endlichen Abstand von der Symmetrieachse des Kollimators aufweist, und daß die Ortsfrequenzverteilung des ersten diffraktiv-optischen Elements derart ist, daß der von diesem gebeugte, oben angegebene Lichtanteil beim Auftreffen auf dem zweiten diffraktiv-optischen Element ebenfalls einen endlichen Abstand von der Symmetrieachse des Kollimators aufweist.

Durch das Neigen der optischen Achse der Diode gegenüber der Symmetrieachse des Kollimators in dem angegebenen Maße wird die konstruktions- bzw. systembedingte Unstetigkeit der Ortsfrequenzverteilung im Zentrum der diffraktiv- optischen Elemente bei der Transformation bzw. Kollimierung des wesentlichen, lichtintensiven Teils des Lichtkegels ausgespart, und es entsteht so ein kollimierter Strahl mit zum Rand hin monoton abfallender Intensitätsverteilung.

Um den von der Laserdiode ausgesandten Lichtkegel beim Kollimieren noch besser ausnutzen zu können, ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die optische Achse der Laserdiode gegen die Symmetrieachse des Kollimators sogar so weit zu neigen, daß der zentrale Teil des ausgesandten Lichtkegels, auf dessen Mantelfläche die Intensität dem (1/e²)-fachen der maximalen Intensität entspricht, beim Auftreffen auf dem ersten diffraktiv-optischen Element einen endlichen Abstand zur Symmetrieachse des Kollimators aufweist.

Es ist allgemein üblich, die Kreisgitterstruktur der diffraktiv-optischen Elemente auf dünnen Glasscheiben aufzubringen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung des Systems ist jedoch vorgesehen, den Raum zwischen der Kreisgitterstruktur der diffraktiv-optischen Elemente durch einen Körper aus durchsichtigem Material ganz auszufüllen. Bei dieser Ausführungsform besteht der Kollimator lediglich aus einem einzigen, kompakten Bauteil, so daß die Montage des gesamten Systems wesentlich erleichtert wird.

Um den Anteil der Lichtreflexe an der ersten Glasfläche möglichst gering zu halten, ist als weitere vorteilhafte Ausbildung vorgesehen, zwischen der Laserdiode und dem ersten diffraktiv-optischen Element ein Prisma anzuordnen, dessen eine Fläche sich unmittelbar an dem diffraktiv-optischen Element befindet und von dem eine weitere Fläche senkrecht zur optischen Achse der Diode steht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein optisches System in einer Seitenansicht,

Fig. 2 die Laserdiode des Systems mit dem von ihr ausgesandten Lichtkegel mit verschiedenen Lichtintensitätsbereichen in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 3 einen Blick von der Laserdiode auf die diffraktiv-optischen Elemente in Richtung der Symmetrieachse mit Darstellung der durch die diffraktiv-optischen Elemente gehenden Lichtanteile,

Fig. 4 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Iterationsverfahrens zur Achromatisierung des Kollimators,

Fig. 5 eine Kennlinie für Strahlen mit einer ersten Wellenlänge mit den längenbezogenen Radien der Durchstoßpunkte auf dem zweiten diffraktiv-optischen Element in Abhängigkeit von den längenbezogenen Radien der Durchstoßpunkte derselben Strahlen auf dem ersten diffraktiv-optischen Element,

Fig. 6 eine Ausführungsform des optischen Systems mit jeweils in zwei Glasträgern eingebetteten diffraktiv-optischen Elementen,

Fig. 7 eine Ausführungsform des optischen Systems, bei dem der Raum zwischen den diffraktiv-optischen Elementen durch einen Glaskörper ausgefüllt ist,

Fig. 8 eine Ausführungsform des optischen Systems, bei dem vor dem ersten diffraktiv-optischen Element ein Prisma angeordnet ist, und

Fig. 9 eine Darstellung eines Schrittes des Iterationsverfahrens bei einem optischen System gemäß Fig. 6.

Das optische System gemäß Fig. 1 weist eine Laserdiode 10 (im folgenden auch nur kurz als Diode bezeichnet) und ein erstes und zweites diffraktiv-optisches Element (abgekürzt: DOE) 11 bzw. 12 auf. Beide diffraktiv-optischen Elemente 11, 12 bilden zusammen einen Kollimator 13.

Die diffraktiv-optischen Elemente 11, 12 weisen jeweils eine konzentrische Kreisstruktur auf. Der radiale Abstand der einzelnen Kreise ist nicht konstant. Die Anzahl der Kreise, die einen gedachten Radius innerhalb einer Längeneinheit (z. B. mm) schneiden, wird als Ortsfrequenz F (z. B. mm^-1) bezeichnet. Die Ortsfrequenz bestimmt das Beugungsverhalten eines Lichtstrahls bestimmter Wellenlänge durch das betreffende DOE.

Die diffraktiv-optischen Elemente 11, 12 sind parallel zueinander angeordnet. Die beiden Mittelachsen dieser Elemente fluchten miteinander und bilden gemeinsam die Symmetrieachse 15 des Kollimators 13.

Die Kreisstruktur der diffraktiv-optischen Elemente 11, 12 ist jeweils als Oberflächenrelief auf einem dünnen planparallelen (in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien angedeuteten) Glasträger 21 bzw. 22 aufgebracht. Die beiden Kreisstrukturen sind in einem Abstand l₁ voneinander angeordnet.

Die Laserdiode 10 sendet einen Lichtkegel 16 mit einer Nenn-Wellenlänge λ₀=675 nm und elliptischer Intensitätsverteilung aus. In einer vorgebbaren Entfernung 1 vom Abstrahlpunkt 17 der Laserdiode 10, der gleichzeitig den Ausgangspunkt des Lichtkegels 16 bildet, liegen alle Strahlen gleicher Lichtintensität jeweils auf einer senkrecht zur optischen Achse 18 der Laserdiode 10 ausgerichteten Ellipse.

In Fig. 2 ist für einen (beliebigen) Abstand 1 in ausgezogenen Linien die Verteilung für die Lichtintensität I=e^-2 I₀ und in strichpunktierten Linien die Lichtintensität I=0,5 I₀ dargestellt. Im vorliegenden Fall weist der von der Laserdiode 10 ausgesandte Lichtkegel 16 für den durch die Lichtintensität I=0,5 I₀ gegebene elliptische Kegel in der durch die große Halbachse a gegebenen Ebene einen Abstrahlwinkel α_a (auch Öffnungs- oder Kegelwinkel genannt) von 30° und in der durch die kleine Halbachse b gegebenen Ebene einen Abstrahlwinkel α_b von 10° auf.

Der Abstrahlpunkt 17 der Laserdiode 10 ist in einem Abstand l₂ von der Kreisgitterstruktur des ersten DOE 11 auf der Symmetrieachse 15 des Kollimators 13 angeordnet (Fig. 1). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist l₂=l₁ gewählt. Die optische Achse 18 der Laserdiode 10 ist um den Kippwinkel γ=30° gegen die Symmetrieachse 15 geneigt, und zwar derart, daß der kleine Durchmesser des Lichtkegels (entsprechend der kleinen Halbachse b, vgl. Fig. 2), die optische Achse 18 und die Symmetrieachse 15 gemeinsam eine (gedachte) Ebene bilden bzw. in dieser liegen. In Fig. 1 ist die optische Achse 18 in der Zeichenebene oberhalb der Symmetrieachse 15 dargestellt. Die Ebene, in der die optische Achse 18 liegt, kann aber jede beliebige Lage im Raum einnehmen, wenn sie nur durch die Symmetrieachse 15 geht. In Fig. 1 ist der Lichtkegel 16 lediglich in der durch die Intensitätsverteilung I/I₀=e^-2 definierten Begrenzung dargestellt. In Fig. 3 ist in der oberen Bildhälfte der Schnitt des Lichtkegels 16 mit dem DOE 11 dargestellt, und zwar in ausgezogener Linie bei der Intensitätsverteilung I/I₀=e^-2 und in strichpunktierter Linie bei der Intensitätsverteilung I/I₀=0,5. Es ist deutlich zu erkennen, daß der Lichtkegel 16 bei der Intensitätsverteilung I/I₀=e^-2 einen Abstand R_1.28 von der Symmetrieachse 15 aufweist. Die strichpunktiert angedeutete Intensitätsverteilung I/I₀=0,5 weist einen noch größeren Abstand von der Symmetrieachse 15 auf.

Mit dem vorliegenden optischen System soll der divergente Lichtkegel 16 der Laserdiode 10 in ein in sich paralleles Bündel 19 kollimiert werden, das gleichzeitig parallel zu der Symmetrieachse 15 ausgerichtet ist. In der unteren Bildhälfte von Fig. 3 ist der 1/e²-Rand dieses Bündels 19 beim Durchgang bzw. beim Verlassen des DOE 12 dargestellt.

Zur Ermittlung der hierfür erforderlichen Verteilung der Ortsfrequenzen F₁=F₁(R₁) und F₂=F₂(R₂) auf dem ersten bzw. zweiten DOE 11, 12 wird das in der NL-Z. "Optics Communications" 58 (1986) 6, S. 385-388 (Elsevier Science Publishers B. V., North-Holland Physics Publishing Division. I. Weingärtner: "Real and achromatic imaging with two planar holographic elements") beschriebene Iterationsverfahren herangezogen. Die dem Iterationsverfahren zugrundegelegten (auch als Design-Wellenlängen bezeichneten) Wellenlängen λ₁ und λ₂ liegen mit 670 und 680 nm um jeweils 5 nm unter bzw. über der Nenn-Wellenlänge λ₀.

Als Startstrahl für das in Fig. 4 angedeutete Iterationsverfahren ist ein für die betrachteten Intensitätsverteilungen im Lichtkegel 16 nicht mehr enthaltener gedachter Strahl 23 mit der Wellenlänge λ₁=670 nm gewählt, der auf dem DOE 11 in einem Abstand R₁=0,9 l₁ von der Symmetrieachse 15 in dem (auch als Durchstoßpunkt bezeichneten) Punkt 24 auftrifft. In diesem Punkt 24 wird die Ortsfrequenz F₁=F₁(R₁=0,9 l₁)=0 gesetzt, so daß der Strahl 23 ungebeugt als Strahl 23′ auf dem DOE 12 zu einem Punkt 25 gelangt, der einen Abstand R₂ von der Symmetrieachse 15 von 1,8 l₁ hat. Die ermittelte Ortsfrequenz F₁ gilt wegen der koaxialen kreisrunden Struktur der diffraktiv-optischen Elemente für alle Punkte auf dem DOE 11, die von der Symmetrieachse 15 den gleichen Abstand 0,9 l₁ haben.

Im Punkt 25 wird eine Ortsfrequenz F₂=F₂(R₂=1,8 l₁) ermittelt, die den Strahl 23′ in einen parallel zur Symmetrieachse 15 verlaufenden Strahl 23′′ beugt. Durch den Startstrahl 23, 23′ wird der größte, durch die Iteration auf dem DOE 12 erreichbare Radius R₂ festgelegt.

Im zweiten Iterationsschritt wird ein entgegen dem Strahl 23′′ im Punkt 25 ankommender Strahl 26′′ mit der Wellenlänge λ₂=680 nm verfolgt. Durch die Wellenlänge λ₂ und die im Punkt 25 bereits ermittelte Ortsfrequenz F₂ ergibt sich für diesen Strahl der durch die Linie 26′ angedeutete Verlauf. Der Strahl 26′ trifft im Punkt 27 auf das DOE 11 auf, und hier wird wieder diejenige Ortsfrequenz F₁ bestimmt, bei der der Strahl 26′ - in der Fortsetzung als Strahl 26 - zum Abstrahlpunkt 17 der Laserdiode 10 gebeugt wird.

Beim nächsten Iterationsschritt wird ein vom Abstrahlpunkt 17 ausgehender Strahl 32 mit der Wellenlänge λ₁ durch den Punkt 27 verfolgt, der bei der dort bereits ermittelten Ortsfrequenz F₁ als Strahl 32′ einen errechenbaren Weg zum DOE 12 nimmt. Im Durchstoßpunkt des DOE 12 wird wieder diejenige Ortsfrequenz F₂ ermittelt, die einen parallel zur Symmetrieachse 15 verlaufenden Strahl ergibt, usw.

Bei weitergeführter Iteration ergibt sich für die beiden diffraktiv-optischen Elemente 11, 12 eine Ortsfrequenzverteilung F₁=F₁(R₁) bzw. F₂=F₂(R₂), die für jede der beiden Wellenlängen λ₁, λ₂ einen vom Abstrahlpunkt 17 der Laserdiode ausgesandten Lichtkegel in ein parallel ausgerichtetes Lichtbündel überführt.

In Fig. 5 sind alle von dem Abstrahlpunkt 17 ausgehenden Strahlen der Wellenlänge λ₁ durch die durch das DOE 11, 12 parallel zur Symmetrieachse 15 kollimiert werden, als Kennlinie der auf die Länge l₁ bezogenen Radien R₂ der Durchstoßpunkte auf dem DOE 12 in Abhängigkeit von dem auf die Länge l₁ bezogenen Radien R₁ der Durchstoßpunkte auf dem DOE 11 aufgetragen.

Die Iteration liefert zu jedem Punkt R₁ (außer den Extremalwerten) auf dem DOE 11 zwei mögliche Punkte R₂, zu deren Erreichen je eine Ortsfrequenzverteilung F₁, F₁, notwendig ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird diejenige der beiden Ortsfrequenzverteilungen, F₁, auf dem DOE 11 ausgewählt, die die von der Diode 10 ausgehenden Strahlen nach der Beugung durch das DOE 11 zum Schneiden der Symmetrieachse 15 des Kollimators 13 bzw. zum Kreuzen mit ihr bringt, so daß jedem Durchstoßpunkt eines vom Abstrahlpunkt 17 ausgehenden Strahls auf dem DOE 11 ein - bezogen auf die Symmetrieachse 15 - diametral gegenüberliegender Durchstoßpunkt auf dem DOE 12 entspricht.

Der unterste und der oberste Durchstoßpunkt des Lichtkegels 16 auf dem DOE 11 sind für die Intensitätsverteilung I/I₀=e^-2 mit 28 und 29, die zugehörigen Radien mit R_1.28 und R_1.29 bezeichnet. Aus Fig. 5 ist (in Übereinstimmung mit Fig. 1 und 3) ersichtlich, daß sich für den Strahl mit der Wellenlänge λ₁=670 nm durch den Punkt 28 mit dem (kleineren) bezogenen Radius R_1.28/l₁ auf dem DOE 12 ein Durchstoßpunkt 30 mit dem (größeren) bezogenen Radius R_2.30/l₁ und für den Strahl durch den Punkt 29 mit dem (größeren) bezogenen Radius R_1.29/l₁ auf dem DOE 12 ein Durchstoßpunkt 31 mit dem (kleineren) bezogenen Radius R_2.31/l₁ ergibt und daß die Bereiche der DOE 11, 12 unmittelbar an der Symmetrieachse 15 (R₁=0, R₂=0) von der 1/e²-Intensität des Lichtkegels nicht erfaßt werden.

In Fig. 3 sind noch für zwei weitere, beliebige Durchstoßpunkte 33, 34 auf dem DOE 11 die entsprechenden Durchstoßpunkte 35 bzw. 36 auf dem DOE 12 eingezeichnet, wobei die dazu angezogenen, mit gestrichelten Linien dargestellten Hilfs- oder Bezugsebenen jeweils durch die Symmetrieachse 15 gehen. Die für die Ortsfrequenz F₁ bzw. F₂ maßgeblichen Radien R₁ bzw. R₂ dieser Punkte erstrecken sich jeweils in Richtung der gestrichelten Linien. Insgesamt ergibt sich bei den genannten Parametern für den kollimierten, parallelen Strahl 19 ein im wesentlichen kreisrunder Querschnitt, der lediglich an seinem der Symmetrieachse 15 nahen Ende zwei "Zipfel" aufweist, die durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch eine Blende hinter dem zweiten DOE 12 oder eine Begrenzung der Gitterstruktur des DOE 12, eliminiert werden können. Auch der kollimierte Strahl 19 weist - wie der Lichtkegel 16 - einen Abstand zur Symmetrieachse 15 auf.

In Abwandlung des beschriebenen Ausführungsbeispiels ist die Gitter- bzw. Kreisstruktur der diffraktiv-optischen Elemente 11, 12 des Kollimators 43 gemäß Fig. 6 als Volumenhologramm jeweils zwischen zwei (mit strichpunktierten Linien angedeuteten) planparallelen Glasträgern 41, 41′ bzw. 42, 42′ angeordnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel des Kollimators 53 gemäß Fig. 7 ist der gesamte Raum zwischen der Gitter- bzw. Kreisstruktur der diffraktiv-optischen Elemente 11, 12 durch einen (mit strichpunktierte Linien angedeuteten) Körper 51 aus Glas oder einem anderen geeigneten durchsichtigen Material vollständig ausgefüllt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 ist das erste DOE 11 als Volumenhologramm ausgebildet und zwischen einem der Laserdiode 10 zugewandten Glasprisma 64 und einem planparallelen Glasträger 61 angeordnet. Das zweite DOE 12 ist ebenfalls als Volumenhologramm ausgebildet und zwischen zwei planparallelen Glasträgern 62, 62′ eingebettet.

Das Prisma 64 weist eine dreieckige Form auf, wobei der untere Winkel ϕ dem Neigungs- oder Kippwinkel γ der optischen Achse 18 der Diode 10 gegenüber der Symmetrieachse 15 des Kollimators 63 entspricht. Das Prisma 64 ist mit seiner größeren Kathetenfläche 65 unter Aufnahme des ersten DOE 11 fest mit dem Glasträger 61 verbunden, so daß die Hypotenusenfläche 67 senkrecht zur optischen Achse 18 der Diode 10 ausgerichtet ist. Das Prisma 64 kann selbstverständlich auch mit dem Glaskörper 51 des Kollimators 53 kombiniert werden.

Die Glasträger 21, 22, 41, . ., 51, 61, . . und das Prisma 64 üben jeweils einen Einfluß auf das optische Verhalten des Kollimators 13, 43, 53 bzw. 63 aus, d. h. die von der Diode 10 ausgesandten Strahlen haben je nach der Anordnung der Glasträger einen unterschiedlichen Verlauf. Zur Verdeutlichung ist in Fig. 9 der Verlauf je eines Strahls mit der Wellenlänge λ₂ und - entgegengesetzt - mit der Wellenlänge λ₁ durch einen Kollimator 43 gemäß Fig. 6 dargestellt. Die Darstellung ist nicht maßstäblich.

Ein von der Diode 10 (Abstrahlpunkt 17) ausgehender Strahl 71 der Wellenlänge λ₂, wird

• - beim Auftreffen auf den ersten Glasträger 41′ im Punkt 72 gebrochen,
• - beim Durchgang durch die Kreisgitterstruktur des ersten DOE 11 (Punkt 73) gebeugt,
• - beim Austritt aus dem Glasträger 41 im Punkt 74 und bei Auftreffen auf dem Glasträger 42 im Punkt 75 gebrochen und
• - beim Durchgang durch die Kreisgitterstruktur des zweiten DOE 12 im Punkt 76 parallel zur Symmetrieachse 15 des Kollimators 43 gebeugt.

Dieser Strahl tritt - als Strahl 71′′ senkrecht zur Oberfläche des Glasträgers 42′ aus, so daß hier keine Brechung stattfindet. In Fig. 9 ist weiter ein dem Strahl 71′′ entgegengerichteter Strahl 77′′ der Wellenlänge λ₁ eingetragen, dessen zum Ausgangspunkt 17 gerichteter Verlauf etwas tiefer liegt.

Zur Vervollkommnung der oben beschriebenen Berechnung der Ortsfrequenzen F₁, F₂ werden bei den einzelnen Iterationsschritten der Strahlenberechnung das Brechungsverhalten an den Luft-/Glas- bzw. Glas-/Luft-Flächen und das modifizierte Beugungsverhalten der in Glas eingebetteten diffraktiv-optischen Elemente 11, 12 in Abhängigkeit von den Wellenlängen λ₁, λ₂ berücksichtigt, wie dies z. B. in W. T. Welford: "Aberrations of Optical Systems", Bristol (GB) und Philadelphia (US): Adam Hilger, 1989, S. 50-78, beschrieben ist.

Zur weiteren Vervollkommnung der Berechnung der Ortsfrequenzen F₁, F₂ kann auch der Einfluß eines Deckglases der Laserdiode und des Astigmatismus des von ihr emittierten Laserlichtes durch Modifizieren der Gitterstruktur mit einem handelsüblichen Rechenprogramm, einem sog. Lens-Design-Programm, kompensiert werden, was zu einer leichten Abweichung der Gitterstruktur der diffraktiv-optischen Elemente (DOE) von der Rotationssymmetrie führt.

Claims (4)

1. Optisches System, bestehend aus einer Laserdiode und einem aus zwei diffraktiv-optischen Elementen gebildeten, achromatisierten Kollimator, wobei der Abstrahlpunkt der Laserdiode auf der Symmetrieachse des Kollimators angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse (18) der Laserdiode (10) innerhalb der Ebene, die durch die jeweils kleine Achse (Halbachse a) der Intensitätsverteilung des Lichtkegels (16) und die Symmetrieachse (15) des Kollimators (13; 43; 53; 63) gebildet ist, derart gegen die Symmetrieachse (15) des Kollimators geneigt ist, daß der zentrale Teil des Lichtkegels (16), auf dessen Mantelfläche die Intensität (I) der Hälfte der maximalen Intensität (I₀) entspricht, beim Auftreffen auf das erste diffraktiv-optische Element (11) des Kollimators (13; 43; 53; 63) einen endlichen Abstand von der Symmetrieachse (15) des Kollimators aufweist, und daß die Ortsfrequenzverteilung (F₁) des ersten diffraktiv-optischen Elements (11) derart ist, daß der von diesem gebeugte, oben angegebene Lichtanteil beim Auftreffen auf das zweite diffraktiv-optische Element (12) ebenfalls einen endlichen Abstand von der Symmetrieachse (15) aufweist.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse (18) der Laserdiode (10) gegen die Symmetrieachse (15) des Kollimators (13; 43; 53; 63) derart geneigt ist, daß der zentrale Teil des Lichtkegels (16), auf dessen Mantelfläche die Intensität (I) dem (1/e²)- fachen der maximalen Intensität (I₀) entspricht, beim Auftreffen auf das erste diffraktiv-optische Element (11) des Kollimators (13; 43; 53; 63) einen endlichen Abstand (R_1.28) von der Symmetrieachse (15) des Kollimators aufweist.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Kreisgitterstrukturen der diffraktiv-optischen Elemente (11, 12) durch einen Körper (51) aus durchsichtigem Material ausgefüllt ist.

4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Laserdiode (10) und dem ersten diffraktiv-optischen Element (11) ein Prisma (64) angeordnet ist, wobei sich eine Fläche (66) unmittelbar an dem diffraktiv- optischen Element (11) befindet und eine weitere Fläche (67) senkrecht zur optischen Achse (18) der Laserdiode ausgerichtet ist.