CN104838302A - 光学装置组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学装置组件(1)，其具有一光学装置保持件(2)，在所述光学装置保持件上固定有一反射光学装置(3)，其中，所述光学装置保持件(2)为了固定所述反射光学装置(3)具有至少两个保持元件(8、13)，在所述至少两个保持元件中，至少一个保持元件能够弹性偏转。

Description

光学装置组件
技术领域
本发明涉及一种光学装置组件，其具有一光学装置保持件，一反射光学装置固定在所述光学装置保持件上，该反射光学装置用于使入射到所述光学装置上的激光射束转向。在公知的光学装置组件中，所述反射光学装置(例如反射镜)通过该反射光学装置的一个侧面(例如反射镜的背侧)全表面地与光学装置保持件(反射镜保持件)连接。替换地，所述反射光学装置也通过边缘侧的部分(例如反射镜的周向侧)或前侧的部分固定在所述光学装置保持件上。
背景技术
反射光学装置和光学装置保持件的这样的单侧全表面连接然而具有不同的问题。通过在入射点中入射到所述反射光学装置上的激光射束，将热输入到反射光学装置中(下面称作光学中心)，该热导致反射光学装置变热。被输入的热通过连接部位给出到所述光学装置保持件上或导出到所述光学装置保持件上，由此出现从激光射束的视为热源的入射点到看作为散热器的光学装置保持件的热流。不仅在开始的短暂状态中(例如就在接通激光之后不久或就在激光射束入射到所述反射光学装置上之后不久)而且在稳定状态中(在持续较长时间的激光运行之后)，在前述热源和散热器之间通过导热出现温度降(温度梯度)，从而使得光学构件(反射光学构件和光学装置保持件)相应于它们的分别局部存在的温度和与它们的在所有情况下不同的热伸长系数相关地被局部不同地伸长。
这些不同的几何伸长导致出现构件中的应力，这些应力会导致构件的翘曲。另一方面，构件、尤其是反射光学装置的几何伸长或形变，结合所述光学装置保持件上的单侧全表面固定造成：反射光学装置的空间位态通过温度影响被改变并会导致激光射束从它的额定位置出来的不希望的偏转。例如可以由于前述的温度影响拱曲所述反射光学装置以及平移式移动所述反射光学装置，由此所述激光射束在所述反射光学装置上的入射点以及相应的入射垂线就空间中的位置和定向而言发生改变。但是，这对于激光运行而言是不利的，因为激光射束由此会越来越多地朝一可能不希望的方向偏转。此外，构件的不同的、温度造成的伸长在两个构件的连接部位上最强地表现出，这导致连接部位的特别大的机械负载。
为了克服这些缺点或问题，已知的是为了所述反射光学装置与光学装置保持件的连接使用特别厚的弹性粘接层。这样的(厚的、弹性的)粘接层可以至少部分地平衡在两个构件的连接部位上的伸长区别。但是，在对于光学元件的精确性的高要求上，该解决方案是不合适的，因为厚的粘接层会对湿气改变和温度改变作出反应。此外可以进行的是：所述粘接层非连贯地具有准确不变的厚度，从而使得出现其它不对称起作用的影响。此外，厚的粘接层的长硬化时间是不利的。此外，厚粘接层可以阻止到光学装置保持件中的导热并由此导致反射光学装置中的不希望的蓄热。涉及两个构件的温度造成的伸长区别的另一已知的措施是选择钛作为用于光学装置保持件的材料，由此一般减小了热伸长的差别。但是，钛作为材料在购置中是比较贵的并且尽管如此仅相对困难地可以加工。另外的解决可能性设置了反射光学装置在所述光学装置保持件上的借助于能相对运动的导向装置和弹动元件的机械上耗费的、能相对运动的支承。但是，这以不利的方式伴随不能精确检测的摩擦效应。
发明内容
本发明的任务是提供一种光学装置组件，通过所述光学装置组件可以以简单的方式克服或至少减少了现有技术的缺点。尤其地，激光射束的不希望的、支承造成和温度造成的偏转应当被减小或阻止。
该任务根据本发明通过开头提到类型的光学装置组件解决，该光学装置组件的特征在于：所述光学装置保持件为了固定所述反射光学装置具有至少两个保持元件，在该至少两个保持元件中，至少一个保持元件能够弹性偏转。通过根据本发明的至少两个保持元件可以实现比已知的粘接连接中更薄的粘接层并尽管如此可以传递支承力以及由张力合成的力到一个或多个所述弹性保持元件上。由此，通过根据本发明的至少一个弹性的保持元件可以以有利的方式由于光学装置保持件补偿或平衡反射光学装置的温度造成的伸长。通过光学装置保持件的进行保持的或用作支承装置的这些保持元件能够由于至少一个保持元件的弹性可偏转性(该弹性可偏转性例如表示为保持元件的摆动或弯曲)相对彼此运动，所述至少一个能弹性偏转的保持元件可以局部地退让并由此跟随反射光学装置的局部伸长运动。由此可以(局部或全局地)伸长所述反射光学装置，而所述伸长运动不造成反射光学装置的值得一提的空间移动(例如平移或旋转运动)。尤其是激光射束在反射光学装置上的入射点以有利的方式尽管反射光学装置的温度造成的伸长仍空间上保留在相同的位置上并且不改变它的空间定向，从而使得避免了激光射束的不希望的偏转。至少通过根据本发明的光学装置组件这样强地减少了入射点的位置或定向的空间改变，使得激光射束的偏转对于光学装置组件的激光运行而言小得可以忽略。反射光学装置的伸长或形变以有利的方式不会造成就像在已知的仅仅刚性固定的情况下那样的反射光学装置的相应于伸长的移动、拱曲或旋转。
尤其从根据本发明的优点可以在激光射入到反射光学装置上期间，但是也可以在时间上在之前或之后(只要例如在反射光学装置中作用有与室温下的伸长不同的温度分布)获得好处。通过光学装置在多个点(两个或任意更多个)上的保持可以平衡一方面反射光学装置材料(典型地玻璃材料)的不同热伸长和另一方面光学装置保持件材料(一般金属材料)的不同热伸长。由此，通过根据本发明的光学装置组件可以不翘曲地支承(光学)构件。例如，所述反射光学装置可以构造为反射镜。根据本发明的光学装置组件尤其可以在激光的振荡器中，在振荡器和加工头或输送光纤之间的光路中或在激光机的加工头中使用。光学装置组件的可使用性不限制到激光辐射上，而是可以原理上也结合另外的电磁辐射被使用。
在一优选的实施方式中设置有能弹性偏转的多个保持元件，这些能弹性偏转的保持元件构造为具有保持面的保持臂，其中，所述反射光学装置固定在所述保持面上。在多个能弹性偏转的保持元件或能弹性偏转的保持臂的情况下，它们可以单个地并由此相对彼此偏转，从而使得相应的保持面也可以相对彼此运动。这以有利的方式针对下面的情况支持了反射光学装置的无应力的支承和保持，其中在反射光学装置中出现局部不同的伸长(例如由于反射光学装置中的不均匀的温度场)。
在前述实施方式的一优选的改进方案中，这些保持臂的纵长轴线就垂直于所述反射光学装置延伸的轴线而言布置得等距。由此，保持臂的可能温度造成的长度改变仅造成反射光学装置绕该轴线或绕入射垂线的旋转运动，由此(在光学装置不是平地构造而是例如球面形弯曲构造时)可以不发生或进一步阻止不希望的射束偏转。尤其地，通过纵长轴线的该布置阻止或至少显著减少了反射光学装置的平移运动。保持臂的纵长轴线为此优选地在一共同的平面中延伸。垂直于反射光学装置延伸的轴线典型地在激光运行期间穿过反射光学装置上的激光射束入射点。
在另一优选的改进方案中，保持面通过保持臂的端部、尤其是圆形的端部构成。保持臂的圆形的端部例如与(长形)保持臂的平均横截面相比具有较大直径，从而使得力很好地导入到保持臂中。
在另一优选的改进方案中，保持面能够平行于反射光学装置的一个反射表面偏转或与光学装置的背侧相切地偏转。由此可以以有利的方式沿一个方向运动或移动所述保持面，该方向一般与反射光学装置的主伸长方向重合。如果反射光学装置沿一这样的主伸长方向(在平反射镜的情况下典型地在镜平面中)伸长，那么该伸长通过保持元件的弹性可偏转性(或可形变性、可摆动性或可弯曲性)和构造在保持元件上的保持面的因此引起的可运动性被补偿，也就是说保持或支承所述反射光学装置的保持面可以跟随该伸长运动。如果反射光学装置例如涉及一中空反射镜或一球面形弯曲的反射镜，那么保持面能够相应地与反射光学装置的背侧相切地(即同样沿这类成形的反射镜的相应主伸长方向)偏转，从而使得即使在这样的反射光学装置中，前述的有利补偿(在不改变激光射束入射点的位态或定向的情况下的保持元件退让)是可行的。
优选的是这样的改进方案，其中，保持面就垂直于反射光学装置延伸的轴线而言布置得旋转对称。垂直于反射光学装置或光学装置反射表面延伸的轴线尤其表示了通过反射在光学装置上转向的激光射束的入射垂线。由此，通过激光辐射输入到反射光学装置中的热量在时间上和空间上较均匀地经由保持面和保持臂导出，从而使得出现反射光学装置中的较均匀温度降或较均匀温度场。这一方面又造成较均匀伸长和由此反射光学装置的较小张力以及另一方面造成反射光学装置的(尤其是激光射束入射点的)空间位态和定向的形变造成的改变的减小。通过保持面的该布置这样控制了热导出，使得反射光学装置的形变(或伸长)被最小化或十分完全地被阻止。优选地，保持臂和/或保持面为此还相同大小和/或由相同材料制造。
此外优选的是这样的实施方式，其中，所述光学装置保持件的所有保持元件能够弹性偏转。于是，反射光学装置以有利的方式特别柔性地受支承，从而使得也可以平衡比较小的局部温度区别，而不会导致反射光学装置的(小的)张紧或(小的)位置改变。
此外优选的是另一实施方式，其中，所述至少两个保持元件中的一个保持元件构造为具有一支撑面的固定支撑体，在该支撑面上固定所述反射光学装置。经由该固定支撑体可以以有利的方式将待排出的热的主要部分导出。此外，支撑体是用于反射光学装置的特别安全的固定支承件，该固定支承件造成反射光学装置的比较强的机械支承和固定。
在前述实施方式的优选改进方案中，支撑体就另外的能弹性偏转的保持元件而言居中布置，尤其布置在反射光学装置的光学中心内。由此，热的主要部分在这样的部位上排出，在该部位上典型地进行热输入，即在待反射的激光光束的入射点的区域中。如果所述支撑体布置在另一部位上(例如偏心)，那么从热输入位置(即激光光束的入射点或光学中心)向所述支撑体(即“主散热器”)出现反射光学装置中的热流，该热流会以不利的方式导致非对称的伸长和由此反射光学装置的张紧。通过居中地布置所述支撑体来以有利的方式阻止这些。
在一优选的实施方式中，反射光学装置经由它的背侧固定在保持面和/或支撑面上。通过反射光学装置经由它的背侧的固定以有利的方式为了保持或处理使用了反射光学装置的这样的侧面，所述侧面没有通过激光辐射的入射。这能够实现保持面和/或支撑面在反射光学装置上的较均匀布置。反射光学装置的背侧一般与反射侧或反射镜表面相对置。
在另一优选的实施方式中，反射光学装置经由粘接介质固定在保持面和/或支撑面上。例如UV或两成分粘接材料那样的粘接介质(典型粘接材料)表示了用于反射光学装置的简单和有效的连接可能性或固定可能性。所述反射光学装置可以通过粘接材料安全和有利地固定在光学装置保持件上。根据本发明可以特别薄地调整粘接连接或粘接层，这是因为粘接层仅仅接管了连接功能或固定功能并此外不接管补偿功能(补偿连接部位上的应力或不同的伸长)。有利地，薄的粘接层对不受干扰的热流起作用并且由粘接层的湿气接收引起的负面结果同样减小。
在另一优选的实施方式中，光学装置保持件具有至少三个能弹性偏转的保持元件。在仅三个弹性保持元件的比较少的数目的情况下已经出现前述根据本发明的前述优点，其中，光学装置保持件的制造耗费以有利的方式减少。但是原则上可以随着弹性保持元件的增加的数目(和与弹性保持元件的增加的数目相应的多个弹性保持元件的减小的大小)增强地使用反射光学装置的根据本发明柔性并且均匀的支承的优点。
优选地，光学装置保持件由铝合金构成。铝合金对于弹性保持元件的根据本发明的弹性可偏转性或可形变性而言示出了特别良好的弹簧特性并且此外能够简单地加工，以及在购置方面比较便宜。
此外优选的是这样的实施方式，其中，反射光学装置的外轮廓构造成环形。由此，反射光学装置的形状以有利的方式适配激光射束的射束横截面(在所有情况下同样是圆的)，从而使得出现反射光学装置中的较均匀的温度分布和由此应力分布。
最后优选的是这样的实施方式，其中，光学装置保持件构造成一体式。尤其地，所述能弹性偏转的保持元件构造成舌形并且在光学装置保持件的基体上一体式成形。到光学装置保持件中的热排出可以通过弹性保持元件以适配的几何形状的设计来影响。这例如可以通过各个保持元件的宽度、形状、材料量或横截面的变型方案来进行。
本发明的其它优点由说明书和附图获得。同样地，前面提到的和还要进一步实施的特征可以各单独或多个地在任意组合中使用。所示出和描述的实施方式不被理解为最终的列举，而是确切地说具有对于本发明的说明的示例性性质。
附图说明
其中：
图1示出了根据本发明的光学装置组件的前侧立体图；
图2示出了图1的光学装置组件的背侧立体图；
图3示出了图1的光学装置组件的后视图；
图4示出了图1的光学装置组件的侧视图；
图5示出了没有反射光学装置的图1的光学装置保持件的前视图；
图6示出了没有反射光学装置的另一根据本发明的光学装置组件的前侧立体图；和
图7示出了具有反射光学装置的图6的光学装置组件的前视图。
具体实施方式
图1示出了具有光学装置保持件2和反射光学装置3的光学装置组件1，反射光学装置固定在光学装置保持件2上。通过反射光学装置3，入射的激光射束4转向。激光射束4就垂直地在反射光学装置3上竖立的入射垂线5而言以一入射角度α射到反射光学装置3的入射点6上并在那里经历方向变换，从而使得该激光射束接下来以一出射角度α从反射光学装置3射出。在图1中示出了作为一条线的激光射束4，但是显而易见的是：被反射的激光射束4可以具有一较宽的射束横截面，从而使得入射点6相应扩宽(或者说是一入射区域)。反射光学装置3具有一反射表面7，其中，所述反射光学装置3例如可以包括一基底和一反射覆层。典型地，反射光学装置3(例如反射镜)由玻璃材料构成。光学装置组件1可以在这样的各个领域中使用，那里希望操作激光射束4(或者另外的电磁辐射)，例如在激光加工机中使用。
因为一般不能把入射的激光射束4的全部辐射功率都反射，而是一定的份额被反射光学装置3吸收，所以激光射束4造成热输入，该热输入可以导致反射光学装置3的变热和由此造成反射光学装置的局部和/或全局的形变。
在图2中示出了反射光学装置3在光学装置组件1的光学装置保持件2上通过在光学装置保持件2上构造为保持臂8的保持元件的固定或者说保持。所述光学装置保持件2具有三个能弹性偏转的保持臂8，在它们的对应自由端部上构造圆形的保持面9。所述保持臂8以及构造在保持臂8上的保持面9能够基于弹性的可偏转性，尤其是沿平行于反射表面7的方向10运动并且由此有利地可以跟随反射光学装置3的局部和/或全局的伸长运动，而反射表面7上的入射点6或入射区域在其空间位置或位态上不被影响并且不会导致激光射束4的不希望的偏转。显而易见的是：所述保持面9或保持臂8也可以沿垂直于反射表面7的方向至少略微弹性地偏转，从而使得反射光学装置3沿该方向(例如通过反射光学装置3的温度造成的拱曲)的伸长运动可以通过保持臂8或保持面9被平衡(补偿)。在反射光学装置3构造为抛物线形或拱曲反射镜的情况下(未示出)，保持面9或保持臂8可以相应地与反射光学装置3的弯曲背侧11相切地执行平衡运动。反射光学装置3典型地通过它的背侧11固定在保持面9上。
图3示出了保持面9或能弹性偏转的保持臂8在光学装置组件1的反射光学装置3的背侧11上的几何布置。一方面，保持面9就激光射束4的入射垂线5而言旋转对称地布置，从而使得通过保持面9和保持臂8到所述光学装置保持件2中的热导出或热排出相对于激光射束4的入射点6或入射区域对称地(也就是相对于热源或相对于热输入位置对称地)进行。由此，在反射光学装置3中出现了较均匀的温度场，由此以有利的方式至少较均匀地进行所述反射光学装置3的温度造成的形变或伸长。另一方面，保持臂8的纵长轴线12相对于激光射束4的入射点6而言或相对于入射垂线5而言等距地(以相同的间距D)布置。由此，保持臂8的温度造成的长度改变仅仅造成反射光学装置3绕入射垂线的轴线5的略微旋转，从而使得在具有拱曲或球面形形状的反射光学装置的情况下，该反射光学装置3在光学装置保持件2上的保持或固定不导致不希望的射束偏转。
图4在侧视图中示出了光学装置组件1。反射光学装置3通过施加在保持面9上的粘接材料固定在保持面9上。因为在保持面9一侧与所述反射光学装置3的背侧11一侧之间的粘接层不用于伸长运动的补偿而是仅用于固定，所以粘接层可以有利地施加得特别薄。能弹性偏转的保持臂8构造为一体式在光学装置保持件2上的长形接片。光学装置保持件2能够通过相应的固定器件固定在另外的、(例如激光加工机的)未示出的机器部件上。
图5示出了具有构造在保持臂8的自由圆形端部上的保持面9的光学装置保持件2。所述光学装置保持件2由铝合金制成，该铝合金能够实现保持臂8的适当的弹性可偏转性。为了固定而将粘接材料施加到所述反射光学装置3的保持面9上并且接下来与反射光学装置3连接。
在图6中示出了另一光学装置保持件2，该另一光学装置保持件相应于前面的图1至5具有构造为能弹性偏转的保持臂8的三个保持元件，其中，在这些保持元件的对应的自由端部上构造有用于固定反射光学装置3的圆形保持面9。与图1至5的光学装置保持件2不同地，图6的光学装置保持件2具有就保持面9而言居中布置的并构造为固定支撑体13的另一保持元件。所述支撑体13具有用于固定所述反射光学装置3的支撑面14。所述保持臂8和/或保持面9尤其布置得围绕所述支撑体13旋转对称。
图7最后示出了图6的光学装置保持件2，反射光学装置3(在这里透视示出)通过构造为保持臂8的三个保持元件和构造为支撑体13的保持元件固定在所述光学装置保持件上。该固定尤其通过这样的粘接层来进行，该粘接层施加在一方面保持面9和支撑面14与另一方面反射光学装置3的背侧11之间。通过经由支撑面14的粘接连接保证了反射光学装置3在光学装置保持件2上的安全的基本固定并且保持面9也有助于反射光学装置3在光学装置保持件2上的机械稳定性。
在图7的通过反射光学装置3和光学装置保持件2构成的光学装置组件1中，通过激光射束4输入的热被绝大部分地通过居中布置的支撑体13导出到光学装置保持件2中，在该输入的热能够扩散到反射光学装置3的如下区域中之前，这些区域沿径向处在激光射束4的入射点6的区域之外。这还能够实现：来自图7的保持臂8的保持面9(和相应地粘接层)构造得比图1至图5的保持面9小。通过被输入的热的主要部分在输入位置上已经被导出到光学装置保持件2中，反射光学装置3的热造成的伸长总体上减少，从而使得在反射光学装置3中也出现较少的、热造成的张紧。如果尽管如此(在减小的范围中)应会出现所述反射光学装置3中的这类伸长，那么能弹性偏转的保持臂8有利地可以跟随这些伸长运动或补偿这些伸长运动并此外保持它们的进行稳定的功能。

Claims (14)

1.光学装置组件(1)，其具有一光学装置保持件(2)，在所述光学装置保持件上固定有一反射光学装置(3)，
其特征在于，
所述光学装置保持件(2)为了固定所述反射光学装置(3)具有至少两个保持元件(8、13)，在所述至少两个保持元件中，至少一个保持元件能够弹性偏转。
2.根据权利要求1所述的光学装置组件，其特征在于，设置有多个能弹性偏转的保持元件，这些能弹性偏转的保持元件构造为具有保持面(9)的保持臂(8)，其中，所述反射光学装置(3)固定在所述保持面(9)上。
3.根据权利要求2所述的光学装置组件，其特征在于，所述保持臂(8)的纵长轴线(12)就相对于所述反射光学装置(3)垂直延伸的轴线(5)而言布置得等距。
4.根据权利要求2或3之一所述的光学装置组件，其特征在于，所述保持面(9)通过所述保持臂(8)的端部、尤其是圆形的端部构成。
5.根据权利要求2至4之一所述的光学装置组件，其特征在于，所述保持面(9)能够平行(10)于所述反射光学装置(3)的反射表面(7)偏转或与所述光学装置(3)的背侧(11)相切地偏转。
6.根据权利要求2至5之一所述的光学装置组件，其特征在于，所述保持面(9)就相对于所述反射光学装置(3)垂直延伸的轴线而言布置得旋转对称。
7.根据前述权利要求之一所述的光学装置组件，其特征在于，所述光学装置保持件(2)的所有保持元件(8)能够弹性偏转。
8.根据权利要求1至6之一所述的光学装置组件，其特征在于，所述至少两个保持元件中的一个保持元件构造为具有一支撑面(14)的固定支撑体(13)，所述反射光学装置(3)固定在该支撑面上。
9.根据权利要求8所述的光学装置组件，其特征在于，所述支撑体(13)就另外的能弹性偏转的保持元件(8)而言居中布置，尤其是布置在所述反射光学装置(3)的光学中心内。
10.根据前述权利要求之一所述的光学装置组件，其特征在于，所述反射光学装置(3)通过它的背侧(11)固定在所述保持面(9)和/或所述支撑面(14)上。
11.根据前述权利要求之一所述的光学装置组件，其特征在于，所述反射光学装置(3)通过粘接介质固定在所述保持面(9)和/或所述支撑面(14)上。
12.根据前述权利要求之一所述的光学装置组件，其特征在于，所述光学装置保持件(2)具有至少三个能弹性偏转的保持元件(8)。
13.根据前述权利要求之一所述的光学装置组件，其特征在于，所述光学装置保持件(2)由铝合金构成。
14.根据前述权利要求之一所述的光学装置组件，其特征在于，所述光学装置保持件(2)构造成一体式。
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