CN112534309B - 用于产生可变多焦点轮廓的光学装置 - Google Patents

用于产生可变多焦点轮廓的光学装置 Download PDF

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Abstract

一种用于由至少基本上准直的激光射束(3)产生多焦点轮廓(20)的光学装置(1)，其中，所述光学装置(1)具有射束路径(4)，依次穿过：多个微透镜阵列(MLA1至MLA4)，其中，所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的微透镜(5、5a、5b)具有统一的孔径a，其中，所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的整体(8)具有有效焦距fML；傅立叶透镜装置(6)，其特征在于，所述光学装置(1)具有调节机构(15)，借助所述调节机构能够调节所述射束路径(4)中所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)中的至少若干的彼此之间的光学间距(d、d1、d2、t)，从而能够设定所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的整体(8)的有效焦距fML，并且所述调节机构(15)具有多个调节位置i＝l，...，其中，M是自然数≥2，i是调节位置索引，在所述调节位置处，项(公式(I)：
Figure DDA0002938920130000011
)分别基本上平滑地得出自然数Ni，其中，λ是所述激光射束(3)的平均波长，fML,i是所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的整体(8)的通过所述调节位置i所设定的有效焦距FML。借助本发明能够以简单的方式改变由激光射束所产生的焦点的数量，其中，获得均匀的强度分布。

Description

用于产生可变多焦点轮廓的光学装置
技术领域
本发明涉及一种用于由至少基本上准直的激光射束产生多焦点轮廓的光学装置，其中，该光学装置提供射束路径，依次穿过：
-多个微透镜阵列，其中，这些微透镜阵列的微透镜具有统一的孔径a，其中，这些微透镜阵列的整体具有有效焦距fML，
-傅立叶透镜装置。
背景技术
从M.Zimmermann等人的《Refractive Micro-optics for Multi-spot andMulti-line Generation》，LPM2008-第9届激光精密微加工国际研讨会的论文中已知这样的装置。
激光工艺广泛用于现代制造方法中。在此，激光源是显著的成本因素。在此，通过激光工艺的并行化可以提高生产率。通过所谓的阵列发生器可以将激光射束划分成多个子射束。
M.Zimmermann等人提出一种以所谓的蝇眼(英语fly’s eye)几何形状的光学装置，该光学装置具有相同焦距的两个微透镜阵列，这两个微透镜阵列以对应于该焦距的间距布置。进入的激光射束通过两个微透镜阵列和一个傅立叶透镜。在其焦平面中产生具有近似均匀分布的强度的多个焦点。
在激光工艺的许多应用情况中，所需焦点的数量可以根据生产订单而变化。然而，在从M.Zimmermann等人已知的光学装置中，可用焦点的数量由所使用的两个微透镜阵列确定。
DE 199 61 918A1描述一种可变的双焦点成形模块。折射元件用作可变光楔。折射元件由两个能够彼此相对移位的柱面透镜形成。
KR 100 720 868B1描述一种用于治疗目的的激光系统，其中，微透镜阵列用于将激光射束划分成多个激光光斑。
发明内容
本发明的任务是提供一种光学装置，借助该光学装置能够以简单的方式改变由激光射束所产生的焦点，其中，获得均匀的强度分布。
根据本发明，该任务通过开篇所提及类型的光学装置来解决，其特征在于：
该光学装置具有调节机构，借助该调节机构能够调节射束路径中的微透镜阵列中的至少若干微透镜阵列的彼此之间的光学间距，从而能够设定微透镜阵列的整体的有效焦距fML，
该调节机构具有多个调节位置i＝l，...，M，其中，M是自然数≥2，i是调节位置索引，在这些调节位置处，项
Figure BDA0002902332990000011
分别基本上平滑地得出自然数Ni，其中，λ是激光射束的平均波长，fML,i是微透镜阵列的整体的通过调节位置i所设定的有效焦距fML。
总之，本发明提出，光学装置设有调节机构，以便调节射束路径中至少若干微透镜阵列(也称为多透镜阵列)的光学间距。由此能够设定微透镜阵列的整体的有效焦距，并且因此能够设定多焦点轮廓(多点轮廓)中的焦点的数量。通过调节位置的适当选择可以实现焦点上的均匀的强度分布。
借助多个微透镜阵列，由(至少基本上)准直的激光射束产生角度光谱，该角度光谱借助傅立叶透镜装置在焦平面中(通常在出射光瞳处)成像。微透镜阵列在垂直于射束传播方向的(至少)一个方向上排列微透镜。在焦平面中产生具有均匀焦点间距的多焦点轮廓，其中，焦点(至少)在垂直于射束传播方向的方向上排列。在最简单的情况下，产生多焦点轮廓，该多焦点轮廓具有在共同的线上的焦点，这些焦点排列在微透镜(例如构造为柱面透镜)也排列于其上的方向上；但是，如果微透镜排列在线性独立的多个方向上，则也可以生成二维的多焦点轮廓(“栅格轮廓”)；在此，可以针对两个方向中的每个方向设置专门的微透镜阵列，例如以90°交叉的柱面透镜阵列，或者也可以针对两个方向设置具有透镜曲率的共同的微透镜阵列。两个方向上的多焦点产生原则上彼此独立。因此，下面在一个方向方面(或在包含射束传播方向和该方向的一个平面方面)以简化的方式描述多焦点产生。
如果对应于微透镜阵列的菲涅耳数FZ的四倍的项
Figure BDA0002902332990000021
至少基本上得出平滑的(整数的)自然数Ni，则多焦点轮廓中的焦点的照明特别均匀，即在焦点中的每个处获得近似相同的强度(与具有最大强度的焦点相比，通常具有小于20％的波动幅度，优选地小于10％)。此外，几乎没有任何进行干扰的条纹(Randfeld)。
在多焦点线轮廓的情况下，属于调节位置i的自然数Ni对应于焦点的数量(如果Ni是奇数则直接地对应，而如果Ni是偶数则与移相器一起对应，参见下文)。对于二维微透镜阵列，相应的情况分别适用于微透镜排列于其上的空间方向。
通过调节机构可以改变微透镜阵列的整体的有效焦距fML，并且尤其可以设定用于项
Figure BDA0002902332990000022
的其他自然数，以便以简单的方式改变焦点的数量并使该数量匹配于下一工作任务。微透镜阵列的整体也称为成像均化器(Homogenisierer)。
因此，不必为了产生多焦点线轮廓而准确地选择具有相同焦距的两个微透镜阵列并以这些焦距的间距进行布置。
调节机构通常具有用于微透镜阵列构件和/或反射镜和/或其他射束引导构件的引导装置(例如轨道)和/或滑块(Schlitten)，优选地还具有用于检查这些构件的位置的传感器；特别优选地，设置调节机构的机动化和电子控制。调节位置i通常通过机械制动(Verrastung)或通过电子编程来确定。调节位置通常可以设定为至少三个、优选地至少五个、特别优选地至少十个不同的焦点数量。
有效焦距fML涉及在射束路径中每个微透镜阵列的各一个微透镜的射束束(Strahlbündel)。根据本发明的光学装置(不具有傅立叶透镜装置)，关于在射束路径中每个微透镜阵列的各一个微透镜的射束束，在矩阵光学的书写方式中(即作为成像矩阵
Figure BDA0002902332990000023
通常具有以下特性：D＝0；|C|＝1/fML。此外，A<1在大多数情况下也适用(对于基本上准直的射束)；然后，B根据A、C和D得出。
借助调节机构可以改变微透镜阵列的整体的有效焦距fML。例如，对于两个(薄)透镜，可以根据以下基本关系由单透镜的焦距f1、f2和透镜的间距ds确定有效焦距fE：
Figure BDA0002902332990000024
由该基本关系可以(在必要的情况下迭代地)确定射束路径中微透镜阵列的任何整体(在本发明的范畴内，在大多数情况下包括三个或四个微透镜阵列)的有效焦距fML。
在相应的微透镜阵列中，单透镜的焦距是统一的。将光学间距确定为沿着射束路径的路径长度。
在最简单的情况下，通过自己的微透镜阵列构件实现射束路径中的相应微透镜阵列。但是，也可以通过唯一的微透镜阵列构件实现射束路径中的多个微透镜阵列，其方式为：射束路径相应地多次穿过该微透镜阵列构件。
孔径(也称为节距(Pitch))a是相应微透镜在横向于射束传播方向、即横向于(局部)射束路径的方向上的宽度。
光学装置也可以一同包括激光源，该激光源提供基本上准直的、具有平均波长λ的激光射束，该激光射束穿过射束路径。激光射束的发散度越大，多焦点轮廓中的光斑也变得越大。激光射束应至少准直到如此程度，使得傅里叶透镜装置的焦平面中的光斑保持分离；为此，通常将激光射束的发散度Θ选择为Θ<λ/(π*a)或优选地Θ<λ/(2*a)。
优选的实施方式
优选根据本发明的光学装置的一种实施方式，在该实施方式中，在调节位置i处分别适用：
Figure BDA0002902332990000031
优选地≤0.1，特别优选地≤0.05。项a2/(λ*fML,i)越准确地得出整数，多焦点轮廓的焦点处的强度分布通常越均匀。根据应用，对强度分布的要求可以变化，例如在激光焊接工艺的情况下在熔池中的热传输方面。在与整数的偏差小于0.2时，在大多数情况下已经可以实现强度的良好的均匀分布，该均匀分布足以用于诸如面式焊接之类的典型应用。
还优选一种实施方式，在该实施方式中，射束路径穿过至少三个、优选地至少四个微透镜阵列。借助三个或四个微透镜阵列，一方面仍然能够实现简单且紧凑的结构，另一方面已经能够相当灵活地设定焦点的数量。应该注意，根据本发明的光学装置在个别情况下也可以借助两个微透镜阵列来进行构建。
在一种特别优选的实施方式中设置，该光学装置包括至少一个偏转光学器件、尤其是后向反射器或反射镜，并且射束路径多次穿过至少一个微透镜阵列构件。由此可以特别紧凑地构建该光学装置并且使之降低价格。通过多次穿过微透镜阵列构件可以相应地在射束路径中多次使用该微透镜阵列构件，由此可以节省微透镜阵列构件。
优选一种实施方式，在该实施方式中，调节机构包括滑块，至少两个微透镜阵列构件以固定的间距布置在该滑块上，并且该滑块能够相对于至少一个另外的微透镜阵列构件、优选地至少两个微透镜阵列构件沿射束传播方向移动。通过将两个微透镜阵列构件布置在共同的滑块上，可以有目的地限制或预给定该光学装置的自由度，以便能够更容易地设定有效焦距fML。
在该实施方式的一种优选的扩展方案中设置，射束路径中的第一和第三微透镜阵列位置固定，而射束路径中的第二和第四微透镜阵列布置在可移动的滑块上，或者反之，并且对于第一和第四微透镜阵列的焦距f1以及第二和第三微透镜阵列的焦距f2适用：f2＝f1/3。在这种情况下，d和t随l/fML线性变化，并且因此随光斑(焦点)的数量线性变化，但是和数d+t随l/fML保持恒定，其中，d是第一与第二微透镜阵列之间的以及第三与第四多透镜阵列之间的间距；t是第二与第三微透镜阵列之间的间距。然后，在滑块的一定调节范围内出现光斑(焦点)的数量与滑块位置之间的线性关系，由此可以特别方便地设定焦点的数量。应该注意，在f1和f2的其他比率的情况下，总是仍然可以通过滑块位置设定焦点数量，但是该关系是非线性的，从而通常使用特性曲线。
特别优选一种实施方式，该实施方式设置如下：该光学装置还具有波长色散元件、尤其是栅格，该波长色散元件在射束路径中布置在微透镜阵列的整体的前面，并且适合于在横向于射束传播方向的方向上在光谱上扩展至少基本上准直的激光射束；傅里叶透镜装置构造为具有在横向于射束传播方向的方向上可变的焦距。在该实施方式中，该光学装置还可以将(例如在例如超短激光脉冲中出现的)具有可觉察地不同的波长分量的激光精确地聚焦到多焦点轮廓中。该实施方式如此设置，使得焦点间距中与波长有关的差异(例如在统一的傅立叶透镜焦距中将出现)通过沿横向于射束传播方向的方向(激光的不同波长分量也沿着该方向分解)不同的傅立叶透镜焦距恰好得到补偿。然后，(尤其是外部的)焦点不会在光谱上变得模糊(verschmieren)，而是保持清晰。优选地，焦距的变化过程与光谱的变化过程成比例。特别地，可以应用随横向于射束传播方向的方向而线性可变的焦距；为此可以使用光学栅格。
该实施方式的一种有利扩展方案设置，傅里叶透镜装置构造为自由形状透镜，该自由形式透镜具有在横向于射束传播方向的方向上可变的透镜曲率。这使得能够实现光学装置的相对简单的结构。如果需要，也可以将多个非球体或自由形状透镜的组合用于傅立叶透镜装置。
也有利的是一种实施方式，在该实施方式中，调节机构是机动化的并且具有电子控制设备，其中，不同的调节位置i在电子控制设备中是经编程的并且能够借助该电子控制设备自动化地启动。由此，在下一处理任务等待处理时，能够方便且快速地在不同的焦点数量之间进行切换。
还有利的是一种实施方式，在该实施方式中，该光学装置还包括移相器，借助该移相器在激光中能够在微透镜阵列的相邻微透镜的射束束之间生成n*π的相位偏移，其中，n是奇数自然数。借助移相器也可以产生偶数个焦点。如果借助项
Figure BDA0002902332990000041
基本上平滑地设定偶数Ni，则仍然会获得奇数(Ni+1)个焦点，因为附加地出现零级。通过移相器获得相消干涉，通过该相消干涉消除零级。相位偏移通常为π。
在该实施方式的一种优选扩展方案中设置，移相器构造为移相器元件，在该移相器元件中，在横向于射束传播方向的方向上交替地构造第一穿过元件(Passierelemente)和第二穿过元件，其中，第一穿过元件的穿过相对于第二穿过元件的穿过在激光中产生n*π的相位偏移，特别地，其中，第一穿过元件和第二穿过元件分别具有对应于孔径a的宽度。这种结构形式相对简单，并且还使得能够实现奇数焦点数量与偶数焦点数量之间的简单切换，其方式为：根据需要将移相器元件放入到射束路径中或从射束路径中移出。第一穿过元件例如可以是“空的”，而第二穿过元件可以包含材料，该材料的厚度如此设定，使得在(至少基本上)准直的激光穿过时得出所期望的相位偏移。
在另一有利的扩展方案中设置，将移相器集成到微透镜阵列中的一个中，特别地，其中，微透镜阵列的轮廓(Profilierung)在两个相邻的微透镜的过渡部处分别设有厚度跃变，该厚度跃变在激光中产生n*π的相位偏移。在这种结构形式中，可以节省单独的移相器元件。例如，在微透镜孔径的宽度上，微透镜阵列的厚度逐渐变化，从而在微透镜孔径的宽度上构建n*π的相位偏移；这种厚度变化由实际的透镜轮廓所叠加。同样地，可以每隔一个微透镜以统一的附加厚度构造。
有利的是一种实施方式，在该实施方式中，该光学装置还包括射束成形透镜，该射束成形透镜在射束路径中布置在微透镜阵列的前面，特别地，其中，借助
Figure BDA0002902332990000042
来选择射束成形透镜的焦距fSL。借助射束成形透镜可以对基本上准直的激光进行射束整形，尤其是可以改变该激光射束的发散度。射束成形透镜尤其可以对准直的激光射束进行聚焦，其中，在射束成形透镜之后在射束路径中布置有至少一个微透镜阵列。通过射束成形可以如此操纵干涉条件，使得设定偶数数量的焦点；这可以通过遵守条件
Figure BDA0002902332990000043
来实现。尤其是可以完全消除零级衍射。
同样有利的是一种实施方式，该实施方式设置如下：借助调节机构也能够设定微透镜阵列中的至少一个微透镜阵列相对于微透镜阵列中的至少一个其他的微透镜阵列在横向于射束传播方向的至少一个方向方面的横向偏移Δ，特别地，其中，调节机构具有多个横向调节位置j＝l，…，L，其中，j是横向调节位置的索引，L是自然数≥2，在这些调节位置处适用：
Figure BDA0002902332990000044
其中，Δj是横向调节位置j处的横向偏移。通过(例如，在相互比较的微透镜阵列中的彼此相应的位置处在第二微透镜的中心轴之间所测得的)横向偏移，可以在同时适当地设定微透镜阵列的间距的情况下如此操纵干涉条件，使得设定偶数数量的焦点。特别地，可以消除零级衍射。此外，在确定的条件下，可以通过横向偏移来横向地移位焦点的位置。
有利的也是一种实施方式，在该实施方式中，微透镜阵列中的至少两个在射束路径中具有不同的焦距。由此可以更加自由地构型该光学装置。特别地，在该结构形式中，可以在射束路径中使用三个微透镜阵列，例如具有长焦距-短焦距-长焦距的序列。替代地，也可以针对所有微透镜阵列设置相同的焦距，例如在射束路径中四个或更多个微透镜阵列的情况下。
还优选的是一种实施方式，在该实施方式中，该光学装置构造用于产生二维聚焦的多焦点轮廓，其中，微透镜阵列的微透镜在垂直于射束传播方向的两个线性独立的方向上排列，特别地，其中，孔径a和有效焦距fML,i在两个线性独立的方向上相同。由此可以产生二维焦点栅格，借助该二维焦点栅格例如可以更快速地执行面式的焊接工艺。如果将孔径a和有效焦距fML,i选择为在两个方向上都相同(特别地，其中，分别相关的微透镜阵列的焦距在两个方向上都相同，并且在射束路径中至少近似地布置在相等的位置处)，则在两个方向上在调节位置i处获得相同的焦点数量Ni和均匀的强度分布(通过以相同方式“平滑地”设定自然数Ni)。但是，替代地，也可以将孔径a和/或有效焦距fML,i选择为在两个方向上不同(特别地，其中，分别相关的微透镜阵列的焦距在两个方向上不同)，例如以便在两个方向上设定不同的焦点数量和/或在两个方向上获得焦点的不同间距；但是，应该注意，然后还必须在调节位置i处针对两个方向都分别获得项
Figure BDA0002902332990000051
的基本上平滑的数Ni，以便获得焦点的均匀照明。通常，两个线性独立的方向彼此垂直，但是也可以选择其他彼此之间的取向，例如用于六边形焦点栅格的60°角度。
一种用于运行根据本发明的上述光学装置的方法也落入本发明的范畴内，该光学装置的特征在于，借助调节机构在时间上依次搜索不同的调节位置i，在这些调节位置中借助激光射束产生不同的多焦点轮廓，这些多焦点轮廓在以下方向上具有不同数量Ni的焦点：在该方向上排列有微透镜阵列的微透镜。由此，灵活地使用该光学装置——即在激光辐射的不同处理任务方面借助不同的焦点数量，并且用于改变焦点数量的开销是低的。特别地，对于该改变不需要任何替换构件。
优选根据本发明的方法的一种变型方案，该变形方案设置，借助调节机构还搜索Ni为奇数的调节位置i。在该调节位置i中产生多焦点透镜轮廓期间，未将移相器布置在射束路径中。这是特别简单的。
特别优选的是一种变型方案，在该变型方案中，借助调节机构还搜索Ni为偶数的调节位置i，其中，在该调节位置i中产生多焦点轮廓期间，将移相器布置在射束路径中，借助该移相器在微透镜阵列的相邻微透镜的射束束之间生成n*π的相位偏移，其中n为奇数自然数。通过使用移相器实现，焦点的数量也对应于Ni，其方式为：消除零级衍射。应该注意，移相器可以集成到微透镜阵列之一中，或者可以是单独的移相器元件。通常，相位偏移为π。
在一种优选的变型方案中设置，借助调节机构也搜索Ni为偶数的调节位置i，其中，在射束路径中将射束成形透镜布置在微透镜阵列的前面，特别地，其中，借助
Figure BDA0002902332990000052
来选择射束成形透镜的焦距fSL。通过借助射束成形透镜设定合适的发散度可以如此操纵干涉条件，使得设定偶数数量的焦点；通过遵守条件
Figure BDA0002902332990000053
能够以简单的方式实现这一点。
同样有利的是一种变型方案，在该变型方案中，借助调节机构还搜索Ni为偶数的调节位置i，其中，在此，借助调节机构来设定微透镜阵列中的至少一个微透镜阵列相对于微透镜阵列中的至少一个其他的微透镜阵列在横向于射束传播方向的至少一个方向方面的具有横向偏移Δ(其中，Δ≠0)的横向调节位置，特别地，其中，在射束路径中仅两个微透镜阵列(MLA1、MLA2)以光学间距d布置，其中，
Figure BDA0002902332990000054
并且
Figure BDA0002902332990000055
应该注意，此外适用
Figure BDA0002902332990000056
通过横向偏移也可以在同时适当地设定微透镜阵列的光学间距的情况下如此操纵干涉条件，使得设定偶数数量的焦点。在上面所说明的条件下，可以在射束路径中具有仅两个微透镜阵列的光学装置中特别容易地实现这一点。
还有利的是一种变型方案，该变型方案设置如下：为了产生多焦点线轮廓，使用脉冲状的、至少基本上准直的激光射束，该激光射束具有超短的激光脉冲，尤其是具有500fs的持续时间或更短，优选地100fs或更短；在射束路径中在微透镜阵列的整体的前面布置有波长色散元件，该波长色散元件在横向于射束传播方向的方向上在光谱上扩展至少基本上准直的激光射束；并且在射束路径中在微透镜阵列的整体的后面使用具有在横向于射束传播方向的方向上可变的焦距的傅里叶透镜装置。在使用超短激光脉冲时，激光的光谱(波长)加宽。激光的光谱的加宽又导致位于外部的焦点的空间模糊，尤其是当光学装置的数值孔径大(或者说要产生大量的焦点)时。通过使用波长色散元件和具有可变焦距的傅立叶透镜装置，可以阻止位于外部的焦点的空间模糊。应该注意，波长色散元件和具有可变焦距的傅立叶透镜装置原则上可用于从cw(连续波)到fs(飞秒激光)的所有类型的激光射束，并且可以独立于其原因对由于不同波长分量而引起的空间模糊进行补偿。
根据本发明的上述光学装置的或根据本发明的用于对象的增材制造(additiveFertigung)的上述方法的应用同样地落入本发明的范畴内，其中，借助至少一个多焦点轮廓、尤其是多焦点线轮廓来面式地熔化或面式地烧结粉末状材料层。在本发明的范畴内，可以灵活地选择用于面式地熔化或烧结的一定数量的焦点，并且尤其可以通过该一定数量的焦点而快速地匹配于待处理的表面的宽度。由此可以特别快速且精准地增材制造对象。应该注意，焦点始终具有相同的间距，而与焦点数量无关。通过借助调节机构来改变调节位置，可以在要制造的层内和/或从一层到下一层和/或从一个对象到下一对象改变焦点的数量。
本发明的其他优点从说明书和附图中得出。同样地，根据本发明，前面所提及的和还要进一步说明的特征可以分别单独地或以任何组合的多个的形式使用。所示出的和所描述的实施方式不应理解为最终的列举，而是具有用于描述本发明的示例性特性。
附图说明
下面基于实施例和示意图进一步阐述本发明。
图1示出根据本发明的光学装置的一种实施方式，该光学装置在射束路径中具有四个微透镜阵列；
图2示出可以借助根据本发明的光学装置产生的多焦点线轮廓；
图3示出可以借助根据本发明的光学装置产生的二维多焦点轮廓；
图4示出根据本发明的、来自图1的光学装置的第一替代构造形式，该光学装置具有反射镜和两个微透镜阵列构件；
图5示出根据本发明的、来自图1的光学装置的第二替代构造形式，该光学装置具有四个微透镜阵列构件和用于两个微透镜阵列构件的共同滑块；
图6示出，对于来自图5的结构形式，在具有f2＝f1/3的子图像(a)的情况下以及在具有f2≠f1/3的子图像(b)的情况下，d、t和fML的相关性的曲线图；
图7示出，对于4FN的不同地设定的值，即4FN＝5(a上方)、4FN＝7和7.5(b中间)、4FN＝9(c下方)，根据本发明的光学装置的傅立叶透镜装置的焦平面中的强度分布的曲线图；
图8以局部视图示出根据本发明的光学装置的另一实施方式，该光学装置在射束路径中具有三个微透镜阵列；
图9以局部视图示出根据本发明的光学装置的另一实施方式，该光学装置在射束路径中具有移相器元件；
图10以局部视图示出根据本发明的光学装置的其他实施方式，该光学装置在射束路径中具有三个微透镜阵列并且移相器集成到
(a)最后面的、具有交替设置的附加厚度的微透镜阵列中，
(b)最后面的、具有锯齿状设置的附加厚度的微透镜阵列中，
(c)中间的、具有锯齿状设置的附加厚度微透镜阵列中；
图11以俯视图示出用于产生二维多焦点轮廓的光学装置的移相器元件；
图12示出能够借助根据本发明的、具有移相器的光学装置产生的二维多焦点线轮廓；
图13示出根据本发明的光学装置的另一实施方式，该光学装置具有波长色散元件和带有在空间上可变的焦距的傅里叶透镜装置；
图14示出根据本发明所产生的多焦点线轮廓在熔化粉状材料层以用于逐层地制造金属体中的应用，在子图像(a)中为具有非重叠熔池下的逐行扫描，而在子图像(b)中为不具有借助重叠熔池的逐行扫描；
图15示出类似于图1的根据本发明的光学装置的另一实施方式，该光学装置可选地配备有射束成形透镜和微透镜阵列的横向调节；
图16示出示意图，该示意图示出借助根据本发明的光学设备所产生的多个焦点与前述射束成形透镜的折光力的相关性；
图17示出用于设置用于本发明的两个微透镜阵列之间的横向偏移Δ和光学间距d的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的光学装置1的一种实施方式。
光学装置1具有激光源2(在此为光导纤维的端部)，从该激光源出射单模激光射束3。激光射束3至少在垂直于射束传播方向z的方向x方面是准直的，并且在光学装置1中沿x方向穿过射束路径4。
在此，在射束路径4中，激光射束3通过四个微透镜阵列MLA1至MLA4。每个微透镜阵列MLA1至MLA4具有在x方向上排列的、具有孔径a的微透镜5；对于所有微透镜阵列MLA1至MLA4，沿x方向测量的孔径a是相等的。微透镜阵列MLA1至MLA4或其微透镜5都可以具有不同的焦距f1至f4；在相应的微透镜阵列MLA1至MLA4内(在沿x方向的曲率方面)，微透镜的焦距f1至f4是统一的。
在此，可选地，可以在微透镜阵列MLA2与MLA3之间布置有反射镜30(参见下面的图4)。
通过微透镜阵列MLA1至MLA4，将相应的微透镜(参见孔径a)的每个点在第一微透镜阵列MLA1的平面中以一定角度成像，即产生角度光谱。借助傅立叶透镜装置6将该角度光谱在焦平面7中成像。
多焦点轮廓位于焦平面7中(参见图2和3)。
由微透镜阵列MLA1至MLA4的焦距f1至f4和微透镜阵列MLA1至MLA4沿射束路径4或沿z方向的相对位置得出微透镜阵列MLA1至MLA4的整体8的有效焦距fML。微透镜阵列MLA1至MLA4的整体也称为成像均化器。
光学装置1具有调节机构15，借助该调节机构能够调节微透镜阵列MLA1至MLA4的彼此之间的间距中的至少若干。例如可以如在图1所示的那样针对每个微透镜阵列MLA1至MLA4设置自己的、在引导装置9(例如齿条)上能够机动地(motorisch)移动的滑块11至14(例如借助啮合到齿条中的从动齿轮)，其中，能够通过电子控制设备10操控滑块。在控制设备10中存储有用于微透镜阵列MLA-MLA4的整体8的多个调节位置，其中，相应的调节位置包括用于滑块11至14的、在z方向方面的待启动的期望位置。应当注意，在其他结构形式中，若干微透镜阵列MLA1至MLA4的位置可以是耦合的和/或位置固定的(也参见图4、图5)。
通过改变调节位置可以改变微透镜阵列MLA1至MLA4的整体8的有效焦距fML。微透镜阵列ML1至ML4的整体8的有效焦距fML对应于经典的均化器的具有相同成像特性的焦距f*(注意：经典均化器具有相同焦距f*的两个微透镜阵列，这两个微透镜阵列以其焦距f*相对于彼此布置)。
在本发明的范畴内，调节机构15可以设定多个调节位置i＝1，...，M，对于这些调节位置，项
Figure BDA0002902332990000071
分别基本上平滑地(即具有小的或仅微小的余数)得出自然数Ni，其中，fML,i是调节位置i中的有效焦距。通常，不同的调节位置i得出具有误差的不同自然数Ni，该误差小于0.2，优选地小于0.1，特别优选地小于0.05。然后得出焦平面7中的基本上均匀照明的微焦点轮廓。
应该注意，在省略傅立叶透镜装置6的情况下，借助光学装置1也可以获得均匀照明的角度光谱；这样的经改动的装置可以用作高效的分束器。
图2示出借助如在图1中所示出的光学装置所产生的微焦点轮廓20，在此为微焦点线轮廓21。在此，在x方向上，在一条线上彼此上下地产生五个焦点；因此，所属的调节位置i具有Ni＝5。在这种情况下，微透镜阵列仅具有在x方向上排列的微透镜，而不具有在y方向上排列的微透镜。在y方向上，激光射束已经聚焦在焦平面中，例如借助激光源与射束路径中的第一微透镜阵列之间的柱面透镜(在图1中未进一步示出)。
如果光学装置的微透镜阵列也具有在y方向上排列的微透镜，例如通过在两个方向x、y方面的相应切口(Schliff)，则也可以借助光学装置产生二维的微焦点轮廓22，参见图3。在此，在y方向上彼此上下地并且在y方向上并排地产生五乘五的焦点，这些焦点布置在此处为正方形的栅格中。
图4以特殊的结构形式示出光学装置1的局部视图，该光学装置的光学路径4对应于来自图1的光学装置。首先阐述与图1的不同之处。
在该结构形式中，微透镜阵列MLA1和MLA4由具有焦距f1的唯一的微透镜阵列构件MB1实现，而微透镜阵列MLA2和MLA3由具有焦距f2的唯一的微透镜阵列构件MB2实现。射束路径4首先通过微透镜阵列构件MB1和MB2，然后在反射镜40处反射，然后再次通过微透镜阵列构件MB2和MB1；接着，射束路径4到达傅立叶透镜装置6。由此，光学装置1可以仅借助两个微透镜阵列构件MB1、MB2进行应对。
调节机构15可以例如借助用于微透镜阵列构件MB1和MB2的、能够在引导装置9上移动的滑块11、12来构造，这些滑块由电子控制设备(在此未示出)操控。
在该结构形式中，可以仅调节微透镜阵列MLA1与MLA2之间的间距d(该间距等于微透镜阵列MLA3与MLA4之间的间距d)以及微透镜阵列MLA2与MLA3之间的间距t。在此，d和t可以彼此独立地进行调节。
对于所期望的有效焦距fML，在给定微透镜阵列MLA1和MLA4的焦距f1且给定微透镜阵列MLA2和MLA3的焦距f2的情况下，可以如下获得待设定的间距d和t：
Figure BDA0002902332990000081
和
Figure BDA0002902332990000082
为了获得所期望的焦点数量N而所期望的或者说所需的焦距fML由以下得出：
Figure BDA0002902332990000083
图5示出另一特殊结构形式中的光学装置1的局部视图，该光学装置的射束路径4对应于来自图1的光学装置。再次主要阐述与图1的不同之处。
在该结构形式中，射束路径4依次穿过四个微透镜阵列构件MB1至MB4，这四个微透镜阵列构件分别提供微透镜阵列MLA1至MLA4用于射束路径4。微透镜阵列MLA1和MLA4分别具有焦距f1，而微透镜阵列MLA2和MLA3分别具有焦距f2。在此，微透镜阵列构件MB1和MB3位置固定地布置，而微透镜阵列构件MB2和MB4以固定的间距(在此为d+t)布置在共同的滑块50上。共同的滑块50能够借助电子控制设备(未示出)机动地在引导装置9上移动，该引导装置在射束传播方向z上延伸，由此构造调节机构15。
共同的滑块50的不同调节位置可以借助止动凹槽(Rastausnehmung)51、52、53来预给定，滑块50的弹簧加载式的止动元件54可以啮合在这些止动凹槽处，以便使得能够容易地找到并且能够良好地保持相应的调节位置。
在该结构形式中，上面所阐述的用于确定d、t和fML的等式1至3同样适用。
通过在z方向上移动共同的滑块50可以改变d和t，其中，但是和数d+t保持相等。如果现在选择f2＝f1/3，则可以借助调节机构15的这一自由度在宽的范围60中线性地连续调节(durchstimmen)或设定(verstellen)焦点的数量N，因为在这种情况下d和t在此近似镜像反转地随l/fML线性地缩放，从而d和t的和数作为l/fML的函数保持近似恒定，参见图6的子图像(a)。在该图中，d、t和(d+t)/2向上绘制(以f1为单位)，分别作为向右绘制的参量1/fML(以1/f1为单位)的函数。在子图像(a)的大约在从0.8/f1至2.0/f1的1/fML之间的范围60中存在所述线性相关性。如果选择f2＝f1/2，即f2≠f1/3，如在图6的子图像(b)中所示的那样，则(d+t)/2并且因此和数d+t作为1/fML的函数发生变化，这导致焦点的数量N作为滑块调节位置的函数呈非线性的相关性，参见范围61；然后，也可以调节焦点的数量，但是不太直观。
图7示出根据项
Figure BDA0002902332990000091
的大小在多焦点轮廓的焦点上的强度分布，其中，FN是菲涅耳数。向右分别绘制x方向上的位置，向上分别绘制焦平面中的激光辐射的强度(以任意单位)。
如果4FN恰好选择为Ni＝5(通过在调节位置i处设定适合于激光源的波长λ和微透镜阵列的孔径/节距a的有效焦距fML,1)，则得出具有几乎相同强度的五个峰，参见上方的曲线图(a)。对应的情况适用于4FN＝9的选择，其中，得出近似相同强度的九个峰，参见下方的曲线图(c)。在中间的曲线图(b)中示出针对4FN＝7和4FN＝7.5的强度曲线。对于4FN＝7，再次得出近似相同强度的七个峰。然而，对于4FN＝7.5，获得九个峰：两个外部的峰71具有低的但是可觉察的强度。分别以附图标记72进行标记的第三、第五和第七峰具有中等高度的强度。但是，该强度明显小于分别以附图标记73进行标记的第二、第四、第六和第八峰的强度。
所期望的峰数量Ni所遵守的参量4FN(即项
Figure BDA0002902332990000092
)越准确，所产生的峰上的强度的分布就越均匀。
应该注意，针对Ni＝5、7和9的三个调节位置中的焦点的间距g到处都是相等的，因为间距g仅取决于激光辐射的波长λ、微透镜的孔径(节距)a和傅里叶透镜装置的焦距fFL，但是不取决于均化器的有效焦距fML,i。
图8示出本发明的光学装置1的另一实施方式的局部视图。在该实施方式中，射束路径4穿过具有焦距f1、f2、f3的三个微透镜阵列MLA1、MLA2、MLA3，这些微透镜阵列分别通过各个微透镜阵列构件MB1、MB2、MB3实现。调节机构15允许通过电子控制设备(未示出)机动地调节承载微透镜阵列构件MB1和MB3的滑块11、13的位置，并且因此彼此独立地设定微透镜阵列MLA1与MLA2之间的间距dl以及微透镜阵列MLA2与MLA3之间的间距d2。在此，微透镜阵列构件MB2构造为位置固定的。
对于所期望的有效焦距fML，在给定焦距f1、f2、f3的情况下，可以如下获得待设定的间距d1和d2：
Figure BDA0002902332990000093
和
Figure BDA0002902332990000094
为了获得所期望的交点数量N而所期望的或者说所需的焦距fML再次由以下得出：
Figure BDA0002902332990000095
为了产生焦点的奇数数量Ni，可以将微透镜阵列的整体与傅立叶透镜装置一起直接使用，如例如在图1中所示的那样。为了产生偶数数量的焦点，附加地使用移相器90，参见来自图9的光学装置1的在部分视图中所示出的实施方式。移相器90在相邻的微透镜5a、5b的射束束之间的过渡部91处产生π的相位跃变，对应于λ/2的光学路径长度差。由此消除零级衍射，在偶数的Ni的情况下，除了所期望的Ni个焦点外，由微透镜阵列MLA1、MLA2的整体还产生该零级衍射。
在图9中所示出的实施方式中，在射束路径4中，在最后的微透镜阵列MLA2的正后方布置有移相器元件93，该移相器元件在微透镜5、5a、5b依次排列的x方向上以与微透镜5、5a、5b或者说所属的射束束对齐的方式交替地构造第一穿过元件94和第二穿过元件95。因此，穿过元件94、95在x方向上具有对应于孔径a的宽度。在此，第一穿过元件94在其x方向上的整个宽度上产生为0(零)的相位偏移，而第二穿过元件95在其x方向上的整个宽度上产生为π的相位偏移。
在此，根据要产生奇数还是偶数的焦点，可以在需要时将移相器元件93从射束路径4中移出(例如在-x方向上拉出)或移回到射束路径4中。为此也可以使用发动机和电子控制设备。在图9中，为了简单起见，未示出根据本发明存在的调节机构。
但是，也可以将移相器90集成到微透镜阵列中，参见图10。
在此，在下方左侧(a)所示出的变型方案中，微透镜阵列MLA3设有集成移相器90。在此，在相邻微透镜5a、5b的过渡部92处发生厚度跃变96，该厚度跃变产生π的相位偏移。微透镜阵列的通过集成移相器90所设置的附加厚度在相应微透镜5b的整个宽度上保持均匀，并且在交替的微透镜5a中缺失该附加厚度。
在下方中间(b)所示出的变型方案中，其中，移相器90再次集成到微透镜阵列MLA3中，在相邻微透镜5a、5b的过渡部92处也发生厚度跃变96。然而，相应微透镜5a、5b的附加厚度沿x方向变化，在此，在微透镜5a、5b的宽度上从0(零)附加厚度线性地增加到对应于相位差π的附加厚度。在所有微透镜5a、5b中设置这种锯齿轮廓。
在下方右侧(c)所示出的变型方案中，移相器90集成在中间的微透镜阵列MLA2中。在此，在相邻微透镜5a、5b之间的过渡部92处也设置厚度跃变96。在此，在微透镜5a、5b的宽度上，相应的微透镜5a、5b沿x方向的附加厚度从附加厚度的初始值z0线性地增加到以下附加厚度：该厚度对应于z0加上对应于相位差π的厚度。初始值z0用于将在x方向方面的相位跃变的位置近似带至微透镜阵列MLA1的焦平面处。再次在所有微透镜5a、5b中设置这种锯齿轮廓。
通常，将移相器90优选地近似置于相应的微透镜阵列(或相应的子孔径)的焦平面中，或者置于射束路径4中的最后的微透镜阵列的正后方。
再次应当注意，在图10中，为了简单起见，未示出根据本发明存在的调节机构。
应该注意，在根据本发明的光学装置中，该光学装置构造用于产生二维多焦点轮廓并且相应地在微透镜阵列中具有在垂直于射束传播方向(参见图1中的z)的两个线性独立的方向(例如图1中的x和y)上排列的微透镜，为了产生偶数的焦点数量必须使用在这两个方向x、y上作用的移相器90(参见图11)。在图11中所示出的、构造为移相器元件93的移相器90在两个方向x、y上具有交替的第一和第二穿过元件94、95。
图12示出二维多焦点轮廓22，该二维多焦点轮廓在x方向和y方向上分别具有四个焦点，从而产生焦点的4×4栅格。为此可以使用如在图11中所示出的移相器。应该注意，焦点的间距g由以下得出：
g＝(λ*fFL)/a (等式6)
其中，fFL是傅里叶透镜装置的焦距。间距g尤其是基本上独立于相关方向的微透镜阵列中所排列的微透镜的数量。
图13示出根据本发明的光学装置1的另一实施方式。为了简单起见，未示出微透镜阵列MLA1、MLA2的整体8的根据本发明存在的调节机构。
在该光学装置1中，脉冲式的激光源用作激光源2，该激光源具有数量级为100fs的脉冲长度。在该激光源2中，激光射束3在可觉察地延伸的波长范围(在此为从λ1越过λ2到λ3)上具有射束分量。在此，λ1＝λ0-Δλ、λ2＝λ0且λ3＝λ0+Δλ。在此，2Δλ是频谱宽度，λ0是激光脉冲的平均波长。
如从等式6可以看出，焦平面7中或多焦点轮廓中焦点的间距g取决于激光辐射的波长λ。因此，在激光辐射具有可觉察的波长分布的情况下，微透镜阵列MLA1、MLA2的微透镜排列在其上的x方向上的焦点可能在光谱上产生模糊，尤其是当要产生大量的焦点或微透镜阵列MLA1至MLA2的整体8的数值孔径相应地大时。
因此，在所示出的实施方式中，借助波长色散元件100(在此为反射栅格)将激光射束3在光谱上进行扩展(aufspreizen)，参见射束分量λ1、λ2、λ3。然后，借助透镜101使射束分量关于(至少)x方向准直并且在z方向上平行于彼此延伸，但是在x方向上在宽度D上进行光谱划分。然后，将射束分量λ1、λ2、λ3在微透镜阵列MLA1、MLA2的整体8中成像(参见图1)；在此，基本上保持射束分量λ1、λ2、λ3在x方向上的光谱划分。
现在，在借助傅立叶透镜装置6成像的情况下，再次考虑不同的光谱分量λ1、λ2、λ3。根据等式6，焦点的间距g还取决于傅立叶透镜装置6的焦距fFL。由于不同的光谱分量λ1、λ2、λ3在x方向方面的不同位置处到达傅立叶透镜装置，因此可以将傅里叶透镜装置在x方向上的焦距构造为可变的，以便补偿不同波长λ1、λ2、λ3对间距g的影响。在本文下，傅立叶透镜装置相应地作为自由形状透镜102而配备有在x方向(即横向于射束传播方向z)上可变的局部透镜曲率。由此可以在焦平面7中获得在光谱上不模糊的、清晰的多焦点轮廓20。
图14示出根据本发明所产生的多焦点线轮廓20在三维对象110的增材制造中的应用，该三维对象通过粉末(例如金属粉末或塑料粉末)的逐层的、局部的熔化来制造制成。图14示出待制造的层的俯视图。该层应在L形区域中固化，即在区域111中在整个宽度上固化而在区域112中仅在部分宽度上固化，从而在区域113中不进行任何固化。
为了熔化区域111中的层的粉末，使用在此在子图像(a)中具有四个焦点或在子图像(b)中具有六个焦点的多焦点线轮廓21a。在子图像(a)的变型方案中，借助焦点逐行扫描区域111；在此，熔池114在其排列方向上不重叠(沿行内的排列方向的进给(Vorschub)，垂直于用于换行排列的方向的进给)。在子图像(b)的变型方案中，熔池114在其排列方向上重叠，从而在此区域111可以在没有逐行扫描的情况下被处理(仅垂直于排列方向的进给)。相反，在子图像(a)中具有仅两个焦点或在子图像(b)中具有仅三个焦点的多焦点线轮廓21b用于区域112中的熔化。多焦点线轮廓21b足够窄，从而区域113不被熔化。多焦点线轮廓21a、21b之间的切换通过改变调节机构的调节位置来进行，其中，设定均化器的有效焦距fML。应该注意，在每个子图像(a)、(b)中，在区域111和112中焦点沿其排列方向的间距是相等的，在区域111与112之间仅焦点数量发生变化。通过使用多焦点轮廓可以加速三维对象的制造。
图15示出根据本发明的类似于图1的光学装置1的实施方式；因此，下面仅阐述主要的不同之处。
在光学装置1中，可以在射束路径4中在第一微透镜阵列MLA1的前面设有射束成形透镜120，该射束成形透镜改变基本上准直的激光射束3的发散度。由此可以操纵干涉条件(干涉情况)，借助该干涉条件可以设定焦平面7中的焦点的数量，尤其是焦点的偶数数量。
此外，在光学装置1中，除了在z方向(射束传播方向)上沿着引导装置9调节滑块11至14并且因此也调节所属的微透镜阵列之外，还可以沿着z方向扩展调节机构15。为此，可以使用另一滑块14a，该另一滑块能够沿着x方向沿着另一引导装置9a移动，该另一引导装置横向(垂直)于z方向延伸。在此，另外的滑块9a固定在滑块14处，并且微透镜阵列MLA4固定在另外的滑块14a处。相应地，借助调节机构15，不仅可以在z方向上而且可以在x方向上调节微透镜阵列MLA4，尤其是机动地且通过电子控制设备10进行控制。特别地，可以在x方向方面设定各种横向调节位置。因此，借助调节机构15可以设置微透镜阵列MLA4相对于(在此)其余的微透镜阵列MLA1、MLA2、MLA3的横向偏移。由此可以再次操纵干涉条件(干涉情况)，借助该干涉条件可以设定焦平面7中的焦点的数量，尤其是焦点的偶数数量。
图16阐述使用射束成形透镜对借助根据本发明的光学设备所产生的焦点的数量的影响，例如在待焊接的工件上。在此，针对不同折光力(Brechkraft)的多个射束成形透镜(参见焦距fSL，向右相互(reziprok)绘制)已经确定焦点的数量(向上绘制)。在此，在该光学设备中，在射束路径中存在具有a＝0.5mm节距的两个微透镜阵列。对于从0到小于2 1/m的折光力1/fSL在此得出5个焦点(峰)，对于从2到小于5 1/m的1/fSL得出4个焦点(峰)，而对于5到大于6的1/fSL得出3个焦点(峰)。因此，特别地也可以设定偶数数量的焦点。
图17阐述两个微透镜阵列MLA1、MLA2之间的横向偏移Δ的设置，在此，这两个微透镜阵列MLA1、MLA2分别包括五个微透镜。微透镜阵列MLA1、MLA2在射束传播方向z上彼此相继地布置，并且微透镜沿横向(垂直)于z方向延伸的x方向排列。在x方向上，微透镜阵列MLA1、MLA2相对于彼此偏移横向偏移Δ。可以例如通过比较两个微透镜阵列MLA1、MLA2的两个相应的上方的微透镜5a、5b之间的凹陷的x位置来读出横向偏移Δ。
此外，两个微透镜阵列MLA1、MLA2相对于彼此以光学间距d布置。在同时适当地设定横向于射束传播方向的横向偏移Δ和射束传播方向上的光学间距d的情况下，可以设定多焦点轮廓的焦点的期望数量。对于具有两个微透镜阵列MLA1、MLA2的光学设备，尤其可以设定
Figure BDA0002902332990000121
其中，
Figure BDA0002902332990000122
且
Figure BDA0002902332990000123
以此获得焦点的偶数数量Ni。
如果对应于多透镜阵列(微透镜阵列)的整体的有效焦距fML,i设定光学间距d，即d＝fML,i，则可以将横向偏移Δ用于横向地(横向于射束方向)移位所产生的多焦点轮廓，而不改变焦点数量，即对应于衍射级数B移位相应数量的光斑间距。在此，选择
Figure BDA0002902332990000124
其中，B是正的或负的整数。
附图标记列表
1 光学装置
2 激光源
3 激光射束
4 射束路径
5 微透镜
5a，5b 微透镜
6 傅立叶透镜装置
7 焦平面
8 微透镜阵列的整体/均化器
9 引导装置
9a 其他引导装置
10 电子控制设备
11至14 滑块
14a 其他滑块
15 调节机构
20 多焦点轮廓
21 多焦点线轮廓
21a 多焦点线轮廓(具有四个焦点)
21b 多焦点线轮廓(具有两个焦点)
22 二维多焦点轮廓
40 反射镜
50 共同滑块
51至53 止动凹槽
54 弹簧加载式的止动元件
60 范围
61 范围
71 外部的峰
72 第三/第五/第七峰
73 第二/第四/第六/第八峰
90 移相器
91 过渡部(射束束)
92 过渡部(穿过元件)
93 移相器元件
94 第一穿过元件
95 第二穿过元件
96 厚度跃变
100 波长色散元件
101 透镜
102 自由形式透镜
110 三维对象
111 用于固化的区域
112 用于固化的区域
113 未用于固化的区域
114 熔池
120 射束成形透镜
a 孔径/节距
B 衍射级
d 间距(MLA1到MLA2和MLA3到MLA4)
D 宽度(光谱扩散的激光射束)
d1 间距(MLA1到MLA2)
d2 间距(MLA2到MLA3)
fl至f4 焦距
fML 有效焦距(均化器)
fFL 焦距(傅立叶透镜装置)
fSL 焦距(射束成形透镜)
FN 菲涅耳数
g 间距(焦点)
MB1至MB4 微透镜阵列构件
MLA1至MLA4 微透镜阵列
t 间距(MLA2到MLA3)
x 方向(垂直的射束传播方向)
y 方向(垂直的射束传播方向)
z 方向(射束传播方向)
z0 附加厚度的初始值
Δ 横向偏移
λ 波长(激光射束)
λ1，λ2，λ3 波长分量/射束分量(激光射束)

Claims (38)

1.一种用于由至少基本上准直的激光射束(3)产生多焦点轮廓(20)的光学装置(1)，其中，所述光学装置(1)提供射束路径(4)，依次穿过：
-多个微透镜阵列(MLA1至MLA4)，其中，所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的微透镜(5，5a，5b)具有统一的孔径a，其中，所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的整体(8)具有有效焦距fML；
-傅里叶透镜装置(6)；
其特征在于，
所述光学装置(1)具有调节机构(15)，借助所述调节机构能够调节所述射束路径(4)中所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)中的至少若干微透镜阵列的彼此之间的光学间距(d，d1，d2，t)，从而能够设定所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的整体(8)的有效焦距fML，
所述调节机构(15)具有多个调节位置i＝1，...，M，其中，M是自然数≥2，i是调节位置索引，在所述调节位置处，项
Figure FDA0003791560120000011
分别基本上平滑地得出自然数Ni，其中，在所述调节位置i处分别适用：
Figure FDA0003791560120000012
其中，λ是所述激光射束(3)的平均波长，fML,i是所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的整体(8)的通过所述调节位置i所设定的有效焦距fML。
2.根据权利要求1所述的光学装置(1)，其特征在于，在所述调节位置i处分别适用：
Figure FDA0003791560120000013
3.根据权利要求1或2所述的光学装置(1)，其特征在于，所述射束路径(4)穿过至少三个微透镜阵列(MLA1至MLA4)。
4.根据权利要求1或2所述的光学装置(1)，其特征在于，所述光学装置(1)包括至少一个偏转光学器件，并且所述射束路径(4)多次穿过至少一个微透镜阵列构件(MB1至MB2)。
5.根据权利要求1或2所述的光学装置(1)，其特征在于，所述调节机构(15)包括滑块(11至14；50)，至少两个微透镜阵列构件(MB1至MB4)以固定的间距(d+t)布置在所述滑块上，并且所述滑块(11至14；50)相对于至少一个另外的微透镜阵列构件(MB1至MB4)能够沿着射束传播方向(z)移动。
6.根据权利要求5所述的光学装置(1)，其特征在于，在所述射束路径(4)中第一微透镜阵列和第三微透镜阵列(MLA1，MLA3)位置固定，并且在所述射束路径(4)中第二微透镜阵列和第四微透镜阵列(MLA2，MLA4)布置在可移动的滑块(11至14；50)上，或者反之，并且，对于所述第一微透镜阵列和所述第四微透镜阵列(MLA1，MLA4)的焦距f1和所述第二微透镜阵列和所述第三微透镜阵列(MLA2，MLA3)的焦距f2适用：f2＝f1/3。
7.根据权利要求1或2所述的光学装置(1)，其特征在于，
所述光学装置(1)还具有波长色散元件(100)，所述波长色散元件在所述射束路径(4)中布置在所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的整体(8)的前面，并且适合于在横向于所述射束传播方向(z)的方向(x)上在光谱上扩展所述至少基本上准直的激光射束(3)，
并且所述傅里叶透镜装置(6)构造成具有在横向于所述射束传播方向(z)的方向(x)上可变的焦距(fFL)。
8.根据权利要求7所述的光学装置(1)，其特征在于，所述傅立叶透镜装置(6)构造为自由形状透镜(102)，所述自由形状透镜具有在横向于所述射束传播方向(z)的方向(x)上可变的透镜曲率。
9.根据权利要求1或2所述的光学装置(1)，其特征在于，所述调节机构(15)是机动化的并且具有电子控制设备(10)，其中，在所述电子控制设备(10)中，不同调节位置i是经编程的并且能够借助所述电子控制设备(10)自动化地启动。
10.根据权利要求1或2所述的光学装置(1)，其特征在于，所述光学装置(1)还包括移相器(90)，借助所述移相器(90)在激光中能够在所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的相邻微透镜(5，5a，5b)的射束束之间生成n*π的相位偏移，其中，n是奇数自然数。
11.根据权利要求10所述的光学装置(1)，其特征在于，所述移相器(90)构造为如下的移相器元件(93)：在所述移相器元件中，在横向于所述射束传播方向(z)的方向(x)上交替地构造有第一穿过元件(94)和第二穿过元件(95)，其中，所述第一穿过元件(94)的穿过相对于所述第二穿过元件(93)的穿过在所述激光中产生n*π的相位偏移。
12.根据权利要求10所述的光学装置(1)，其特征在于，所述移相器(90)集成到所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)中的一个微透镜阵列中。
13.根据权利要求1或2所述的光学装置(1)，其特征在于，所述光学装置(1)还包括射束成形透镜(120)，所述射束成形透镜在所述射束路径(4)中布置在所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的前面。
14.根据权利要求1或2所述的光学装置(1)，其特征在于，借助所述调节机构(15)能够在横向于所述射束传播方向(z)的至少一个方向(x，y)方面设定所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)中的至少一个微透镜阵列相对于所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)中的至少一个其他的微透镜阵列的横向偏移Δ。
15.根据权利要求1或2所述的光学装置(1)，其特征在于，所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)中的至少两个微透镜阵列在所述射束路径(4)中具有不同的焦距(f1至f4)。
16.根据权利要求1或2所述的光学装置(1)，其特征在于，所述光学装置(1)构造用于产生二维聚焦的多焦点轮廓(22)，其中，所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的微透镜(5，5a，5b)在垂直于所述射束传播方向(z)的两个线性独立的方向(x，y)上排列。
17.根据权利要求1所述的光学装置(1)，其特征在于，在所述调节位置i处分别适用：
Figure FDA0003791560120000041
18.根据权利要求3所述的光学装置(1)，其特征在于，所述射束路径(4)穿过至少四个微透镜阵列(MLA1至MLA4)。
19.根据权利要求4所述的光学装置(1)，其特征在于，所述至少一个偏转光学器件是后向反射器或反射镜(40)。
20.根据权利要求5所述的光学装置(1)，其特征在于，所述滑块(11至14；50)相对于至少两个微透镜阵列构件(MB1至MB4)能够沿着射束传播方向(z)移动。
21.根据权利要求7所述的光学装置(1)，其特征在于，所述波长色散元件(100)是栅格。
22.根据权利要求11所述的光学装置(1)，其特征在于，所述第一穿过元件(94)和所述第二穿过元件(95)分别具有对应于所述孔径a的宽度。
23.根据权利要求12所述的光学装置(1)，其特征在于，所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的轮廓在两个相邻透镜(5，5a-5b)的过渡部(92)处分别设有厚度跃变(96)，所述厚度跃变在所述激光中产生n*π的相位偏移。
24.根据权利要求13所述的光学装置(1)，其特征在于，所述射束成形透镜(120)的焦距fSL借助以下来选择：
Figure FDA0003791560120000051
25.根据权利要求14所述的光学装置(1)，其特征在于，所述调节机构(15)具有多个横向调节位置j＝1,...,L，其中，j是所述横向调节位置的索引，L是自然数≥2，在所述横向调节位置处适用：
Figure FDA0003791560120000052
其中，Δj是所述横向调节位置j处的横向偏移。
26.根据权利要求16所述的光学装置(1)，其特征在于，所述孔径a和所述有效焦距fML,i在所述两个线性独立的方向(x，y)上是相等的。
27.一种用于运行根据权利要求1至26中任一项所述的光学装置(1)的方法，其特征在于，借助所述调节机构(15)在时间上依次搜索不同的调节位置i，在所述调节位置中借助所述激光射束(3)产生不同的多焦点轮廓(20)，所述多焦点轮廓在所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的微透镜(5，5a，5b)排列的方向(x，y)上具有不同数量Ni的焦点。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，借助所述调节机构(15)还搜索Ni为奇数的调节位置i。
29.根据权利要求27或28所述的方法，其特征在于，借助所述调节机构(15)还搜索Ni为偶数的调节位置i，其中，在产生所述多焦点轮廓(20)期间，在所述调节位置i处在所述射束路径(4)中布置有移相器(90)，借助所述移相器(90)在所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的相邻微透镜(5，5a，5b)的射束束之间生成n*π的相位偏移，其中，n是奇数自然数。
30.根据权利要求27或28所述的方法，其特征在于，借助所述调节机构(15)还搜索Ni为偶数的调节位置i，其中，射束成形透镜(120)在所述射束路径(4)中布置在所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的前面。
31.根据权利要求27或28所述的方法，其特征在于，借助所述调节机构(15)还搜索Ni为偶数的调节位置i，其中，在此，借助所述调节机构(15)在横向于所述射束传播方向(z)的至少一个方向(x，y)方面设定所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)中的至少一个微透镜阵列相对于所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)中的至少一个其他的微透镜阵列的具有横向偏移Δ的横向调节位置，其中，Δ≠0。
32.根据权利要求27或28所述的方法，其特征在于，为了产生所述多焦点轮廓(20)，使用脉冲式的、至少基本上准直的激光射束(3)，所述激光射束具有超短的激光脉冲，
在所述射束路径(4)中，将波长色散元件(100)布置在所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的整体(8)的前面，所述波长色散元件将所述至少基本上准直的激光射束(3)在横向于所述射束传播方向(z)的方向(x)上在光谱上扩展，并且在所述射束路径(4)中，在所述微透镜阵列(MLA1至MLA4)的整体(8)的后面使用具有在横向于所述射束传播方向(z)的方向(x)上可变的焦距(fFL)的傅里叶透镜装置(6)。
33.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述射束成形透镜(120)的焦距fSL借助以下来选择：
Figure FDA0003791560120000061
34.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，在所述射束路径中，仅两个微透镜阵列(MLA1，MLA2)以光学间距d布置，其中，
Figure FDA0003791560120000071
且
Figure FDA0003791560120000072
35.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述激光脉冲具有500fs或更短的持续时间。
36.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述激光脉冲具有100fs或更短的持续时间。
37.一种根据权利要求1至26中任一项所述的光学装置(1)的或根据权利要求27至36中任一项所述的方法的应用，所述光学装置(1)或所述方法应用于对象(110)的增材制造，其中，借助至少一个多焦点轮廓(20)将粉状材料层面式地熔化或面式地烧结。
38.根据权利要求37所述的应用，其中，借助多焦点线轮廓(21；21a，21b)将粉状材料层面式地熔化或面式地烧结。
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