DE102011051198A1

DE102011051198A1 - Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Ablenkspiegels

Info

Publication number: DE102011051198A1
Application number: DE102011051198A
Authority: DE
Inventors: Norbert Petschik
Original assignee: Scanlab AG
Current assignee: SCANLAB GMBH, DE
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-06-21
Also published as: DE102011051198B4

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Ablenkspiegels, aufweisend: Bereitstellen eines Spiegelträgersubstrats 2 aus einem Substratmaterial; Abtragen von Substratmaterial auf einer Seite 5 des Spiegelträgersubstrats 2 unter Ausbilden einerubstrat 2; wobei das Abtragen des Substratmaterials mittels Laserlichts erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Ablenkspiegels, z. B. eines Leichtgewichts-Ablenkspiegels für einen Galvanometerscanner, und Verfahren zum Herstellen eines Spiegelträgersubstrats z. B. zur Verwendung für die Herstellung eines gewichtsoptimierten Ablenkspiegels.
Das Bereitstellen gewichtsoptimierter (d. h. gewichtsreduzierter) Bauteile ist in vielen Bereichen von erheblicher Bedeutung. Zum Beispiel sind bei diversen optischen Vorrichtungen, wie etwa bei Galvanometerscannern, im Teleskopbau und in der Raumfahrt, gewichtsoptimierte Spiegel gewünscht, welche präzise gearbeitete, wohldefinierte Spiegelflächen aufweisen sollen und unter den jeweiligen Einsatzbedingungen eine hohe Formbeständigkeit aufweisen sollen.
So werden z. B. in vielen Bereichen, etwa bei der Materialbearbeitung, bewegbare Ablenkspiegel zum räumlichen Führen von Arbeitslaserstrahlen eigesetzt. Zum Beispiel kann ein solcher Ablenkspiegel an einer drehbar angeordneten Welle eines Galvanometerscanners angebracht sein, wobei die Welle und somit auch der Ablenkspiegel durch einen Galvanometerantrieb des Galvanometerscanners in Rotation versetzt werden können, so dass ein Arbeitslaserstrahl durch Reflexion an dem Ablenkspiegel und Verändern der Drehwinkelposition desselben an eine gewünschte räumliche Position geführt werden kann.
Um z. B. ein schnelles Umpositionieren eines solchen Ablenkspiegels zu einer anderen Drehwinkelposition zu ermöglichen und die Anforderungen an einen Rotationsantrieb (z. B. einen Galvanometerantrieb) des Ablenkspiegels nicht unnötig zu erhöhen, sollten das Gewicht und somit auch das Massenträgheitsmoment des Ablenkspiegels möglichst gering gehalten werden. Andererseits sollte der Ablenkspiegel eine gute Formstabilität bzw. Steifigkeit aufweisen, so dass er z. B. auch bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten und bei rasch aufeinanderfolgenden Drehrichtungswechseln möglichst wenig verformt wird.
Durch die Erfindung werden ein Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten, formstabilen Ablenkspiegels mit einer präzise geformten Spiegelfläche sowie Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Spiegelträgersubstrats bereitgestellt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Ablenkspiegels, z. B. eines Ablenkspiegels für einen Galvanometerscanner, bereitgestellt, aufweisend das Bereitstellen eines Spiegelträgersubstrats aus einem Substratmaterial und das Abtragen von Substratmaterial auf einer Seite des Spiegelträgersubstrats unter Ausbilden einer Versteifungsstruktur in dem Spiegelträgersubstrat, wobei das Abtragen des Substratmaterials mittels Laserlichts erfolgt.
Das Substratmaterial wird auf der genannten Seite des Spiegelträgersubstrats z. B. von außen her (von der Außenseite des Substratmaterials her) nach innen hin abgetragen. Das Substratmaterial kann auch umgekehrt von innen nach außen zu der genannten Seite des Substratmaterials hin abgetragen werden, wofür z. B. das Substratmaterial für das Laserlicht transparent ist und ein Materialabtrag durch Fokussieren des Laserlichts auf bestimmte Positionen und/oder Bereiche des Substratmaterials erfolgt. Beim Abtragen von innen nach außen kann z. B. zunächst innen abgetragenes Material am verbleibenden Substratmaterial solange anhängend oder anhaftend verbleiben, bis der Materialabtrag die Außenseite des Substratmaterials erreicht, wodurch eine Öffnung an der Außenseite des Substratmaterial gebildet wird, durch welche das zuvor innen abgetragene Material nach außen und damit weg vom verbleibenden, die Versteifungsstruktur ausbildenden Substratmaterial gelangen kann. Es kann z. B. bei Verwendung von für das Laserlicht transparentem Substratmaterial auch so vorgegangen werden, dass von außen ausgehend nach innen hin abgetragen wird, wobei Kavitäten mit einer oder mehreren gegenüber einer Außenöffnung oder gegenüber Außenöffnungen vorliegenden Hinterschneidungen im Substratmaterial ausgebildet werden können.
Indem das Spiegelträgersubstrat mittels Laserlichts bearbeitet wird, kann die Versteifungsstruktur kontaktlos und ohne mechanische Krafteinwirkung in bzw. an dem Spiegelträgersubstrat ausgebildet werden, wodurch z. B. ein Verformen einer für eine Spiegelfläche vorgesehenen Seite (z. B. einer Vorderseite) des Spiegelträgersubstrats verhindert werden kann. Somit kann zum Beispiel die Notwendigkeit eines nachträglichen Bearbeitens einer solchen Seite nach dem Ausbilden der Versteifungsstruktur entfallen. Des Weiteren kann die Versteifungsstruktur z. B. mit einer beliebigen dreidimensionalen Form, etwa als Baumstruktur mit von einer Zentralrippe abzweigenden Querrippen oder als wabenförmige Struktur, ausgebildet werden, etwa indem das Laserlicht auf eine Fokusposition an der für die Versteifungsstruktur vorgesehenen Seite (z. B. einer Rückseite) des Spiegelträgersubstrats fokussiert wird und die Fokusposition unter Abtragung von Substratmaterial entsprechend der gewünschten Form der Versteifungsstruktur dreidimensional verfahren wird.
Das Spiegelträgersubstrat kann z. B. ein im Wesentlichen scheibenförmiges Substrat sein, wobei z. B. die Vorderseite des Substrats für eine Spiegelfläche vorgesehen sein kann, und wobei z. B. die Rückseite des Substrats für die Versteifungsstruktur vorgesehen sein kann. Das Substratmaterial kann z. B. ein für die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts im Wesentlichen undurchlässiges Material oder auch ein für die Wellenlänge des Laserlichts (bei geringeren Intensitäten) im Wesentlichen transparentes Material sein, wobei im letzteren Fall der Materialabtrag z. B. bei Intensitäten des Laserlichts oberhalb eines materialspezifischen Materialabtrag-Schwellenwertes mittels nichtlinearer Absorptionsmechanismen, z. B. Mehr-Photonen-Absorption, erfolgen kann. Das Substratmaterial kann z. B. Glas, Silizium, Siliziumcarbid, und/oder Borcarbid aufweisen bzw. sein, das Substrat kann jedoch auch beliebige andere Materialien aufweisen.
Der Begriff „Abtragen von Substratmaterial mittels Laserlichts” umfasst hier z. B. jegliche Art von Materialabtrag durch Energieeintrag mittels Laserlichts, wie etwa Materialabtrag mittels Laserablation, z. B. mittels kalter Ablation (d. h. mittels im Wesentlichen sofortiger Verdampfung des abzutragenden Materials ohne signifikanten Wärmeübertrag auf das verbleibende Trägersubstrat, wobei ein feiner, athermischer Materialabtrag stattfindet) durch Ultrakurzpulslaser (z. B. mit Pulslängen im Bereich von Pikosekunden, z. B. 10 ps), aber auch Materialabtrag durch jegliche Art von Abschmelzen oder Verdampfen des Substratmaterials (und Entfernen des abgeschmolzenen oder verdampften Materials, z. B. durch Ausblasen mit einem dafür vorgesehenen Prozessgas). Der Fortschritt des Materialabtrags kann z. B. in Echtzeit, etwa durch Tiefenmessung mittels einer dafür vorgesehenen – z. B. optischen – Messvorrichtung, überwacht werden.
Bei Verwendung eines Substrats aus einem für das verwendete Laserlicht im Wesentlichen undurchlässigen Material kann das Abtragen des Substratmaterials z. B. schichtweise erfolgen (wie oben erläutert z. B. von außen nach innen), z. B. indem zunächst Querschnittsflächen des abzutragenden Materialvolumens (bzw. Teilflächen davon) unter Materialabtrag lateral mit einem Fokus des Laserlichts abgescannt werden und dann die Tiefenposition des Laserfokus entsprechend der abgetragenen Schichtdicke nachgefahren wird.
Das kontaktlose Abtragen von Material mittels Laserlichts eignet sich z. B. auch für sehr harte Substratmaterialien, die mittels mechanischer Verfahren nur unter erhöhtem Aufwand (z. B. Material-, Werkzeug-, Kraft- und Zeiteinsatz) bearbeitbar sind. Des Weiteren können durch einen solchen kontaktlosen Materialabtrag z. B. Versteifungsstrukturen mit einer beliebigen dreidimensionalen Form und mit (z. B. gegenüber Strukturbreiten, die mittels mechanischer Kontaktverfahren erzielbar sind) geringen Strukturbreiten und Krümmungsradien ermöglicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner das Ausbilden einer Spiegelfläche auf einer Seite des Spiegelträgersubstrats, die von der für die Versteifungsstruktur vorgesehenen Seite verschieden ist, auf, z. B. auf einer Seite, die der für die Versteifungsstruktur vorgesehenen Seite gegenüberliegt.
Das Materialabtragen erfolgt z. B. derart, dass nicht (in keinem Falle) oder größtenteils nicht komplett durch das Substratmaterial hindurch abgetragen wird, sodass kein oder größtenteils kein Durchgangsloch ausgebildet wird, sondern stets oder größtenteils auf jener Seite des Substratmaterials, die zu der für die Versteifungsstruktur vorgesehenen Seite gegenüberliegend ist, ein Substratmaterialboden erhalten bleibt, wodurch eine ununterbrochene oder im Wesentlichen ununterbrochene Fläche auf dieser Seite bereitgestellt werden kann, welche z. B. zum Vorsehen oder zum darauf Ausbilden einer Spiegelfläche herangezogen werden kann. Auf Seiten der Versteifungsstruktur kann derart Substratmaterial erhalten bleiben, dass dort z. B. eine derart große kontinuierliche Fläche verbleibt, dass auf dieser Fläche z. B. eine Spiegelfläche für einen Mess-Lichtstrahl bereitgestellt bzw. ausgebildet werden kann.
Das Ausbilden einer Spiegelfläche auf der der Versteifungsstruktur abgewandten Seite des Substratmaterials und/oder auf Seiten der Versteifungsstruktur kann z. B. durch Polieren einer entsprechenden Seitenfläche des Spiegelträgersubstrats (z. B. wenn das Substratmaterial ein Metall ist und der Ablenkspiegel als Metallspiegel vorgesehen ist) oder auch durch Ausbilden (z. B. Aufschichten, etwa Aufdampfen) eines dielektrischen Spiegels an einer entsprechenden Seitenfläche erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Ausbilden der von der Versteifungsstruktur abgewandten Spiegelfläche vor dem Ausbilden der Versteifungsstruktur.
Gemäß dieser Ausführungsform kann z. B. eine beim Ausbilden der Spiegelfläche auftretende Belastung (z. B. mechanischer Druck beim Polieren oder beim Aufbringen eines dielektrischen Spiegels auftretende, etwa durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten verursachte, Spannungen) von dem noch nicht gewichtsreduzierten (und somit noch stabileren) Substrat gut abgefangen werden, wobei die Gefahr einer Verformung der Spiegelfläche gering gehalten werden kann. Da das nachfolgende Ausbilden der Versteifungsstruktur mittels Laserlichts ohne mechanische Krafteinwirkung erfolgen kann, kann zudem die Gefahr einer Verformung des nunmehr (durch den Materialabtrag beim Ausbilden der Versteifungsstruktur) gewichtsreduzierten und somit durch mechanische Krafteinwirkung leichter verformbaren Substrats ebenfalls gering gehalten werden.
Das Ausbilden der Spiegelfläche kann jedoch auch nach dem Ausbilden der Versteifungsstruktur erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Abtragen des Substratmaterials unter Einformung von solchen die Versteifungsstruktur definierenden Ausnehmungen, deren Ausnehmungsboden bogenförmig und/oder kuppelförmig ausgebildet ist. Die Ausnehmungen können jedoch auch mit einer beliebigen Form vorgesehen sein, z. B. einer analytischen Funktion folgen, sich aus numerischen Optimierungen ergeben oder sich an Beispiele aus der Biologie (wie z. B. Blattrippen) anlehnen.
Gemäß dieser Ausführungsform kann aufgrund der zumindest in einem Querschnitt des Trägersubstrats bogenförmigen Strukturen der Versteifungsstruktur eine hohe Stabilität bzw. Formbeständigkeit des Ablenkspiegels bei gleichzeitig geringem Gewicht ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat das Laserlicht eine Wellenlänge, für welche das Substratmaterial transparent ist, und das Abtragen des Substratmaterials erfolgt mittels Fokussierens des Laserlichts auf eine Fokusposition und Abfahrens einer Hüllfläche eines abzutragenden Volumens des Substratmaterials mit der Fokusposition, um das Volumen entlang der Hüllfläche von dem umgebenden Substratmaterial zu lösen.
Gemäß dieser Ausführungsform kann das Substrat z. B. aus einem Material sein, das (bei geringen Lichtintensitäten) im Wesentlichen transparent für das verwendete Laserlicht ist, und das Laserlicht kann derart fokussiert werden, dass ein entsprechender Materialabtrag- oder Materialumwandlungs-Schwellenwert der Lichtintensität erst an der Fokusposition erreicht wird. Des Weiteren kann gemäß dieser Ausführungsform das Abtragen des Substratmaterials blockweise erfolgen, indem z. B. lediglich die Hüllfläche eines abzutragenden Blocks bzw. Volumens (bzw. die im Substratinneren liegende Teilfläche einer solchen Hüllfläche) abgefahren wird, wobei das Volumen entlang dieser Fläche, z. B. durch Materialabtrag oder Materialumwandlung (z. B. Pulverisierung), vom umgebenden Substratmaterial gelöst wird und dieses Volumen quasi aus dem Substrat herausgeschnitten wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Spiegelträgersubstrats, wie z. B. eines Spiegelträgersubstrats eines Ablenkspiegels für einen Galvanometerscanner, aus einem Werkstück aus einem Werkstückmaterial bereitgestellt, aufweisend das Bilden eines Abtragmaterial-Abführkanals in dem Werkstück, welcher zu einer Außenseite des Werkstücks hin offen ist; das Erzeugen von Laserlicht, welches z. B. erzeugt wird mit einer Wellenlänge, für welche das Werkstückmaterial transparent ist, und das Bilden einer Kavität oder Ausnehmung im Inneren des Werkstücks durch Fokussieren des Laserlichts auf eine Fokusposition im Inneren des Werkstücks und Verfahren der Fokusposition im Inneren des Werkstücks, um an der jeweiligen Fokusposition durch das Laserlicht Material des Werkstücks abzutragen, wobei das abgetragene Material durch den Abtragmaterial-Abführkanal hindurch aus dem Inneren des Werkstücks hinausbefördert wird.
Der Abtragmaterial-Abführkanal kann z. B. durch optisches oder mechanisches Anbohren des Werkstücks von der entsprechenden Außenseite desselben her erfolgen.
Der Abtragmaterial-Abführkanal kann bevor oder nachdem das Werkstückmaterial im Bereich der Kavität abgetragen wird ausgebildet werden.
Das Werkstückmaterial kann z. B. ein Material sein, das für die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts (bei geringeren Lichtintensitäten, bei welchen Mehr-Photonen-Absorption vernachlässigbar ist) im Wesentlichen transparent ist, wobei der Materialabtrag z. B. bei Intensitäten des Laserlichts oberhalb eines materialspezifischen Materialabtrag-Schwellenwertes mittels Energieeintrags über nichtlineare Absorptionsmechanismen, z. B. Mehr-Photonen-Absorption, erfolgen kann. Ein Materialabtrag im Inneren des Werkstücks kann z. B. erfolgen, indem das Laserlicht, z. B. durch entsprechende Wahl der Lichtleistung und der Fokusgröße, derart auf eine Fokusposition im Innern des Werkstücks fokussiert wird, dass der Materialabtrag-Schwellenwert erst an der Fokusposition erreicht wird.
Die Kavität wird derart ausgebildet, dass sie in Verbindung mit dem Abtragmaterial-Abführkanal steht bzw. kommt, so dass das an der jeweiligen Fokusposition des Laserlichts abgetragene Werkstückmaterial durch den Abführkanal aus dem Werkstück hinaus befördert werden kann. Zum Beispiel kann das im Inneren des Werkstücks abgetragene Material mittels der Schwerkraft über den Abführkanal aus dem Werkstück hinausbefördert werden. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, im Inneren des Werkstücks durch Abfahren entsprechender Teilvolumen-Hüllflächen mit dem Laserfokus Teilvolumina aus dem Werkstückmaterial herauszuschneiden, wobei die Abmessungen dieser Teilvolumina derart gewählt sind, dass die Teilvolumina durch den Abführkanal hindurch aus dem Werkstück hinaus befördert werden können. Die Kavität kann auch entlang ihrer letztlich kompletten Hüllfläche ausgeschnitten werden und das entsprechend aus dem Werkstückmaterial herausgeschnittene Werkstückmaterialvolumen (welches dem gesamten Kavitätsvolumen entspricht) aus einem angepasst großen Abtragmaterial-Abführkanal in einem Stück heraus transportiert werden. Als ein anderes Beispiel kann das Werkstückmaterial an der Fokusposition verdampft werden und das entstehende gasförmige Material kann durch den Abführkanal entweichen, z. B. mittels Unterdruck abgesaugt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass mehrere Abtragmaterial-Abführkanäle in ein und dieselbe Kavität münden, es kann aber auch vorgesehen sein, dass lediglich ein einziger Abführkanal in eine zugehörige Kavität mündet. Die Kavität kann z. B. als eine im Wesentlichen geschlossene Kavität ausgebildet werden, wobei eine Querausdehnung eines jeweiligen Abführkanals, die z. B. im Wesentlichen senkrecht zu einer Verlaufsrichtung desselben gemessen wird, kleiner – z. B. wesentlich kleiner – sein kann als eine dazu parallel verlaufende Querausdehnung der zugehörigen Kavität. Die Kavität kann bezüglich des Abführkanals mit einer Hinterschneidung ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Querausdehnung des Abführkanals kleiner als 1/2, kleiner als 1/4, kleiner als 1/10, oder sogar kleiner als 1/20 der Querausdehnung der zugehörigen Kavität sein. Als ein anderes Beispiel kann die Mündungs-Fläche, welche durch die Fläche der Mündungsöffnung des Abtragmaterial-Abführkanals an der Außenseite des Werkstücks definiert wird, kleiner (z. B. wesentlich kleiner) sein als die Kavitäts-Hüllfläche, welche die Kavität bildet bzw. umhüllt. Zum Beispiel kann die Mündungs-Fläche kleiner als 1/10, kleiner als 1/100, kleiner als 1/500 oder kleiner als 1/1000 der Kavitäts-Hüllfläche sein.
Indem eine oder mehrerer solcher Kavitäten im Inneren des Werkstücks erzeugt werden können, können diese (bzw. das zwischen ihnen verbliebene Werkstückmaterial) eine Stützstruktur des Werkstücks definieren, z. B. eine Stützstruktur im Inneren des Werkstücks definieren, die z. B. eine Struktur in Form eines durch Stege verbundenen Obergurts und Untergurts aufweist, wobei das gewichtsoptimierte Bauteil eine hohe Steifigkeit bzw. Formbeständigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht aufweisen kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Erzeugen von Laserlicht das Erzeugen mehrerer voneinander räumlich getrennter Laserstrahlen auf, wobei das Fokussieren des Laserlichts das Fokussieren der mehreren Laserstrahlen auf eine gemeinsame Fokusposition aufweist.
Gemäß dieser Ausführungsform können z. B. mehrere Laserstrahlen erzeugt werden, die jeweils auf die gemeinsame Fokusposition im Inneren des Werkstücks fokussiert werden und sich an dieser Fokusposition kreuzen. Gemäß dieser Ausführung kann die Lichtleistung jedes einzelnen der Laserstrahlen z. B. derart gewählt werden, dass der Materialabtrag-Schwellenwert erst durch das Aufsummieren der einzelnen Lichtleistungen an der gemeinsamen Fokusposition erreicht werden kann. Demgemäß kann die zum Materialabtrag erforderliche Gesamt-Lichtleistung z. B. auf die einzelnen Laserstrahlen aufgeteilt werden, wodurch z. B. ein im Eintritts- bzw. Austrittsbereich vor bzw. nach der Fokusposition eines jeweiligen Laserstrahls auftretender Energieeintrag (in das Werkstückmaterial) vermindert werden kann, wodurch z. B. eine damit einhergehende, unerwünschte Materialbelastung gering gehalten werden kann.
Des Weiteren können gemäß dieser Ausführungsform z. B. die Abmessungen eines Kreuzungs- bzw. Bearbeitungsbereichs, innerhalb dessen ein zum Bearbeiten des Werkstückmaterials erforderlicher Schwellenwert der Lichtintensität erreicht wird, verringert werden und somit eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit (z. B. in Form einer geringeren Oberflächenrauigkeit) erzielt werden. Zum Beispiel ist der Fokusbereich eines Laserstrahls entlang der Ausbreitungsrichtung des Strahls in der Regel weniger gut definiert (d. h. ausgedehnter) als in einer Querrichtung (d. h. einer quer zur Ausbreitungsrichtung verlaufenden Richtung). Somit können die beiden Laserstrahlen z. B. derart geführt werden, dass die (maximalen) Abmessungen des Kreuzungsbereichs der Strahlen im Wesentlichen den Querabmessungen des Fokusbereichs eines jeweiligen der Laserstrahlen entsprechen und somit der Kreuzungsbereich geringere Abmessungen aufweist als der Fokusbereich eines Einzelstrahls.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Kavität mit einem Volumen gebildet, welches größer ist als das Volumen des Abtragmaterial-Abführkanals.
Zum Beispiel kann die Kavität als eine Ausweitung ausgebildet werden, welche sich an das im Inneren des Werkstücks liegende Ende des Abführkanals anschließt. Zum Beispiel kann die Kavität bzw. Ausweitung mit einem Volumen gebildet werden, welches größer ist als das doppelte, das zehnfache, das hundertfache oder das tausendfache des Volumens des Abführkanals. Demgemäß kann mittels eines kleinen Abführkanals eine demgegenüber große Kavität und somit eine dementsprechende Gewichtsverringerung ermöglicht werden, wobei die an der Außenfläche des Werkstücks liegende Mündungs-Fläche des Abführkanals gering gehalten werden kann. Die Kavität und der Abführkanal können jedoch auch in irgendeiner Hohlvolumenform gemäß einer gewünschten, vom Werkstückmaterial verbleibenden Versteifungsstruktur ausgebildet werden, wobei z. B. die Kavität und der Abführkanal gemeinsam in einer Form ausgebildet werden, die jener der anhand des ersten Aspekt beschriebenen Ausnehmung/Ausnehmungen entspricht.
Wie gemäß dem ersten Aspekt werden die Kavität oder die Kavitäten und der oder die zugehörigen Abführkanäle z. B. derart ausgebildet, das (stets) keine oder im wesentlichen keine Durchgangsöffnungen entstehen, so dass auf einer von jener Seite des Werkstücks, auf der die Außenausmündung des oder der Abführkanäle vorliegt, verschiedenen Seite (diese Seite liegt z. B. jener Seite des Werkstücks, auf der die Abführkanäle ausmünden, gegenüber) eine ununterbrochene oder im wesentlichen ununterbrochene Fläche vorliegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner das Ausbilden einer Spiegelfläche auf mindestens einer Seite des Spiegelträgersubstrats auf, z. B. auf jener Seite, welcher der Seite, auf welcher die Abführkanäle ausmünden, gegenüberliegt, wobei auch auf dieser Seite, auf welcher die Abführkanäle ausmünden, eine Spiegelfläche ausgebildet sein.
Das Spiegelträgersubstrat kann z. B. ein im Wesentlichen scheibenförmiges Substrat sein, wobei z. B. eine oder die Vorderseite des Substrats für die Spiegelfläche vorgesehen sein kann, und wobei z. B. ein oder mehrere Abtragmaterial-Abführkanäle an der Rückseite des Substrats münden können, wobei z. B. mehrere oder alle der Abführkanäle mit einer gemeinsamen Kavität verbunden sein können oder z. B. jeder Abführkanal mit einer zugehörigen, von den anderen Kavitäten z. B. jeweils separaten Kavität verbunden sein kann. Es kann z. B. auch vorgesehen sein, sowohl die Vorder- als auch die Rückseite des Substrats mit gleichartigen Spiegelflächen auszubilden (z. B. durch Aufbringen jeweiliger dielektrischer Spiegelschichten), wobei sich z. B. etwaige durch das Ausbilden der Spiegelflächen ergebende Einflüsse (z. B. mechanische Spannungen) gegenseitig kompensieren können und somit ein Verformen bzw. Verziehen des Substrats im Wesentlichen verhindert bzw. zumindest vermindert werden kann. Das Ausbilden der Spiegelfläche(n) kann z. B. durch Polieren einer jeweiligen Seitenfläche des Spiegelträgersubstrats oder auch durch Ausbilden eines dielektrischen Spiegels an einer jeweiligen Seitenfläche erfolgen. Das Spiegelträgersubstrat kann jedoch auch mit einer beliebigen anderen Form vorgesehen sein, kann z. B. vor dem Ausbilden der Spiegelfläche mit einer Facettierung versehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Ausbilden der mindestens einen Spiegelfläche vor dem Bilden der Kavität.
Gemäß dieser Ausführungsform kann z. B. eine beim Ausbilden der Spiegelfläche auftretende (mechanische) Belastung von dem noch nicht gewichtsreduzierten Substrat gut abgefangen werden, wobei die Gefahr einer Verformung der Spiegelfläche gering gehalten werden kann. Da das nachfolgende Ausbilden der Kavität bzw. mehrerer solcher Kavitäten mittels Laserlichts ohne mechanische Krafteinwirkung erfolgen kann, kann zudem die Gefahr einer Verformung des nunmehr (durch den Materialabtrag beim Ausbilden der Kavität bzw. der Kavitäten) gewichtsreduzierten und somit durch mechanische Krafteinwirkung leichter verformbaren Substrats ebenfalls gering gehalten werden.
Zum Beispiel kann zunächst die mindestens eine Spiegelfläche an einer Vorderseite des Substrats ausgebildet werden und darauffolgend können eine oder mehrere Kavitäten durch Fokussieren des Laserlichts von einer Rückseite des Substrats her auf eine Fokusposition im Inneren desselben gebildet werden, wobei das abgetragene Material z. B. durch einen oder mehrere zugehörige Abtragmaterial-Abführkanäle, die an der Rückseite des Substrats münden, aus dem Substratinneren hinausbefördert werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, zunächst die mindestens eine Spiegelfläche an einer Vorderseite des Substrats auszubilden und darauffolgend eine oder mehrere Kavitäten durch Fokussieren des Laserlichts von dieser Vorderseite des Substrats her (und durch die Spiegelfläche hindurch) auf entsprechende Fokuspositionen im Inneren des Substrats zu bilden, wobei die Wellenlänge des Laserlichts z. B. derart eingestellt sein kann, dass die Spiegelfläche für sie transparent ist (d. h. die Spiegelfläche wirkt bei dieser Wellenlänge nicht reflektierend).
Das Ausbilden der mindestens einen Spiegelfläche kann jedoch auch nach dem Ausbilden der Kavität(en) erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Bilden des Abtragmaterial-Abführkanals durch Fokussieren des Laserlichts auf eine Fokusposition an der (für die Mündung des Abführkanals vorgesehenen) Außenseite des Werkstücks und Verfahren, unter Materialabtrag durch das fokussierte Laserlicht, der Fokusposition in das Innere des Werkstücks.
Gemäß dieser Ausführungsform kann der Abtragmaterial-Abführkanal z. B. ohne Verwenden zusätzlicher Werkzeuge, wie etwa Bohrer, gebildet werden, z. B. direkt vor dem Bilden einer an den Abführkanal anschließenden Kavität mittels des Laserlichts.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Spiegelträgersubstrats, z. B. eines Spiegelträgersubstrats eines Ablenkspiegels für z. B. einen Galvanometerscanner, aus einem Werkstück aus einem Werkstückmaterial bereitgestellt, aufweisend das Erzeugen von Laserlicht mit einer Wellenlänge, z. B. mit einer solchen Wellenlänge, für welche das Werkstückmaterial (im Wesentlichen) transparent ist, das Fokussieren des Laserlichts auf eine Fokusposition und das Abfahren eines Teilvolumens des Werkstücks, z. B. eines Teilvolumens innerhalb des Werkstücks, wobei das Teilvolumen z. B. an eine Außenfläche des Werkstücks grenzt, mit der Fokusposition, um das Werkstückmaterial innerhalb des Teilvolumens derart zu modifizieren, dass das modifizierte Werkstückmaterial (innerhalb des Teilvolumens) gegenüber einem Ätzmittel eine höhere Ätzrate aufweist als das unmodifizierte Werkstückmaterial (außerhalb des Teilvolumens); und das Ätzen des Werkstücks mit dem Ätzmittel, wobei das modifizierte Werkstückmaterial aus dem Werkstück herausgeätzt wird.
Gemäß diesem Aspekt kann in dem Werkstück durch selektives Herausätzen des modifizierten Materials eine Ausnehmung (oder mehrere entsprechende Ausnehmungen) mit einer beliebigen dreidimensionalen Form gebildet werden. Der Zugang zu der Ausnehmung kann durch Ätzen erfolgen, z. B. wenn das modifizierte oder zu modifizierende Teilvolumen einen Anschluss an eine Außenfläche des Werkstücks hat. Der Zugang zu dem modifizierten Teilvolumen kann auch mechanisch (z. B. mittels Bohrens oder Fräsens) oder mittels Abtrag durch Laserlicht wie z. B. gemäß dem ersten und/oder gemäß dem zweiten Aspekt erfolgen. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, das Teilvolumen (bzw. eine Vielzahl entsprechender Teilvolumina) derart zu formen, dass die resultierenden Ausnehmungen eine Versteifungsstruktur an einer Außenseite (z. B. an einer Rückseite) des Werkstücks definieren. Es kann auch vorgesehen sein, das Teilvolumen (bzw. eine Vielzahl entsprechender Teilvolumina) derart zu formen, dass die resultierenden Ausnehmungen in Form von im Wesentlichen geschlossenen Kavitäten im Inneren des Werkstücks ausgebildet werden, wobei die Kavitäten (bzw. das zwischen ihnen verbliebene Werkstückmaterial) z. B. eine im Inneren des Werkstücks liegende Stützstruktur definieren können.
Der vorausgehend beschriebene dritte Aspekt kann z. B. auch bei den Verfahren gemäß dem ersten und beim zweiten Aspekt angewandt werden. D. h., bei den Verfahren gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt kann das abzutragende Material entsprechend zunächst mittels Laserlichts modifiziert werden (wobei es noch am Rest-Werkstückmaterial anhaften bleibt), um dann mittels des Ätzmittels vom verbleibenden Werkstück separiert zu werden (Separieren/Lösen der stofflichen Verbindung zwischen dem abzutragenden Material um dem Rest-Werkstückmaterial). Das Teilvolumen gemäß dem dritten Aspekt kann z. B. der Kavität des zweiten Aspekts entsprechen. Bei den Verfahren gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt kann jedoch auch vorgesehen sein, das abzutragende Material unmittelbar mittels des Laserlichts vom Werkstück, wie z. B. dem Spiegelträgersubstrat, zu separieren bzw. abzutrennen oder abzulösen.
Die Eigenschaften des Laserstrahls (z. B. die Wellenlänge, die Lichtleistung, die Fokusgröße und/oder die Pulsdauer, falls ein gepulster Laser zum Einsatz kommt) können z. B. derart eingestellt und auf das Werkstückmaterial abgestimmt sein, dass ein Schwellenwert der Lichtintensität, welcher zum entsprechenden Modifizieren (d. h. Verändern der Eigenschaften) des Werkstückmaterials erforderlich ist, erst an der Fokusposition erreicht wird.
Das „Modifizieren” des Werkstückmaterials an der Fokusposition umfasst hier z. B. jegliche Art von Veränderung der Eigenschaften des Werkstückmaterials derart, dass das modifizierte Werkstückmaterial gegenüber dem Ätzmittel eine höhere Ätzrate aufweist als das ursprüngliche, unmodifizierte Werkstückmaterial. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, die Eigenschaften des Laserlichts und/oder des Werkstückmaterials derart einzustellen, dass das Werkstückmaterial an der Fokusposition pulverisiert wird bzw. eine poröse Struktur annimmt, wobei eine Erhöhung der Ätzrate des somit modifizierten Werkstückmaterials z. B. mittels der somit vergrößerten Angriffsoberfläche erzielt werden kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Eigenschaften des Laserlichts und/oder des Werkstückmaterials derart zu wählen, dass das Werkstückmaterial an der Fokusposition in eine andere Phase übergeht, welche gegenüber dem Ätzmittel eine höhere Ätzrate aufweist als die ursprüngliche Phase. Das Ätzmittel kann z. B. ein flüssiges Ätzmittel (etwa eine Säure) oder ein gasförmiges Ätzmittel sein.
Das Erzeugen von Laserlicht kann auch in diesem Fall (analog zu dem mit Bezug auf den zweiten Aspekt beschriebenen Verfahren) das Erzeugen mehrerer voneinander räumlich getrennter Laserstrahlen aufweisen, wobei das Fokussieren des Laserlichts das Fokussieren der mehreren Laserstrahlen auf eine gemeinsame Fokusposition aufweist. Dabei kann die Lichtleistung jedes einzelnen der Laserstrahlen z. B. derart gewählt werden, dass der zum Modifizieren des Werkstückmaterials erforderliche Schwellenwert der Lichtintensität erst durch das Aufsummieren der einzelnen Lichtleistungen an der gemeinsamen Fokusposition erreicht werden kann.
Das Werkstück kann auch in diesem Fall (analog zu dem mit Bezug auf den zweiten Aspekt beschriebenen Verfahren) ein Spiegelträgersubstrat sein, wobei das Verfahren ferner das Ausbilden einer Spiegelfläche auf mindestens einer Seite des Spiegelträgersubstrats aufweisen kann.
Die oben erläuterten drei Aspekte können in Kombination, z. B. Aspekte zwei und drei oder eins bis drei oder eins und zwei oder eins und drei, angewandt werden, wobei Ausnehmungen an einem Werkstück, wie z. B. an einem Spiegelträgersubstrat, auf die eine und/oder die andere Weise ausgebildet werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sein können. In den Zeichnungen zeigen:
1A und 1B eine schematische Illustration eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Ablenkspiegels
2 eine schematische Illustration zur Erläuterung einer möglichen Formgebung bei dem in den 1A und 1B veranschaulichten Verfahren,
3A–3C eine schematische Illustration eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Bauteils zur Verwendung als Spiegelträgersubtrat,
4 eine schematische Illustration zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß einer anderen Ausführungsform zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Bauteils zur Verwendung als Spiegelträgersubstrat,
5A–5C eine schematische Illustration eines Verfahrens gemäß einer anderen Ausführungsform zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Ablenkspiegels, und
6A–6D eine schematische Illustration eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Herstellen eines als Ablenkspiegel dienenden gewichtsoptimierten Bauteils.
Die 1A und 1B veranschaulichen ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Ablenkspiegels 1. Gemäß 1A wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Spiegelträgersubstrat 2 aus einem Substratmaterial bereitgestellt. Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist das Spiegelträgersubstrat 2 ein scheibenförmiges, planparalleles Trägersubstrat 2, welches mit seiner Vorderseite 3 in negative z-Richtung des in den 1A und 1B dargestellten xyz-Koordinatensystems weisend und mit seiner Rückseite 5 in positive z-Richtung weisend vorgesehen ist.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Spiegelfläche 7 auf der Vorderseite 3 des Spiegelträgersubstrats 2 ausgebildet. Gemäß 1A werden z. B. eine oder mehrere dielektrische Schichten (in den 1A und 1B nicht einzeln dargestellt) unter Ausbildung eines dielektrischen Spiegels bzw. der Spiegelfläche 7 auf der Vorderseite 3 des Trägersubstrats 2 aufgebracht, z. B. mittels eines Gasphasenabscheidungsverfahrens aufgeschichtet.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird Laserlicht 9, gemäß 1A z. B. ein Laserstrahl 9, auf eine Fokusposition 11 an der Rückseite 5 des Trägersubstrats 2 fokussiert. Die Eigenschaften des Laserlichts bzw. Laserstrahls 9 – z. B. die Wellenlänge, die Lichtleistung, die Fokusgröße und/oder die Pulsdauer (falls ein gepulster Laser zum Einsatz kommt) – sind derart eingestellt und auf das Substratmaterial abgestimmt, dass an der Fokusposition 11 ein Abtragen des Substratmaterials mittels des Laserlichts 9 erfolgt. Zum Beispiel kann der Laserstrahl 9 ein Ultrakurzpuls-Laserstrahl, z. B. mit Pulsdauern in der Größe von Pikosekunden (z. B. 10 ps oder kleiner), sein und die Eigenschaften des Laserstrahls 9 können derart eingestellt sein, dass das Abtragen des Substratmaterials mittels kalter Ablation erfolgt.
Der Laserstrahl 9 wird unter Ausbilden einer Versteifungsstruktur 13 in dem Trägersubstrat 2 (durch Materialabtrag an der jeweiligen Fokusposition 11 des Laserstrahls 9) über die Rückseite 5 des Trägersubstrats 2 geführt. Das Verfahren der Fokusposition 11 des Laserstrahls 9 kann z. B. mittels eines (in 1A nicht dargestellten) Laserscankopfs erfolgen, wobei der Laserscankopf z. B. derart eingerichtet sein kann, dass von ihm der Laserstrahl 9 in der xy-Ebene des xyz-Koordinatensystems seitlich geführt werden kann (angedeutet durch die Pfeile in 1A) und/oder die Fokusposition 11 in der z-Richtung vertikal verfahren werden kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Versteifungsstruktur 13 mittels Bewegens des Trägersubstrats 2 bei ortsfester Fokusposition 11 des Laserstrahls 9 auszubilden.
Bei dem Verfahren gemäß den 1A und 1B erfolgt das Ausbilden der Spiegelfläche 7 vor dem Ausbilden der Versteifungsstruktur 13. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Spiegelfläche 7 nach dem Ausbilden der Versteifungsstruktur 13 auszubilden.
1B veranschaulicht den Ablenkspiegel 1 mit der an dem Trägersubstrat 2 fertig ausgebildeten Versteifungsstruktur 13. Bei dem Verfahren gemäß den 1A und 1B wird die Versteifungsstruktur 13 in Form einer Art Baumstruktur mit einem Hauptsteg 15 und davon rechtwinklig abzweigenden Querstegen 17 ausgebildet, wobei die Stege 15, 17 als Beispiel einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen und die zwischen den Stegen 15, 17 gebildeten Ausnehmungen z. B. quaderförmig sind.
2 veranschaulicht das Ausbilden einer Versteifungsstruktur 19 gemäß einer anderen Ausführungsform, bei der das Abtragen des Materials des Spiegelträgersubstrats 2 mittels des Laserstrahls 9 (in 2 nicht dargestellt) unter Einformung von Ausnehmungen 21 erfolgt, deren Ausnehmungsboden 23 jeweils bogenförmig gewölbt ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Versteifungsstruktur 19 somit von den bogenförmigen Ausnehmungen 21 definiert und weist einen Hauptsteg 25 mit bogenförmig abfallenden Flankenwänden auf, wobei die bogenförmigen Strukturen z. B. die Formstabilität des herzustellenden Ablenkspiegels zusätzlich erhöhen können.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Abtragen von Substratmaterial unter Ausbildung von Ausnehmungen mit einem jeweils kuppelförmig gewölbten Ausnehmungsboden (d. h. allseitig bogenförmigen Ausnehmungsboden) erfolgt, wodurch z. B. alle Stege einer von solchen Ausnehmungen definierten Versteifungsstruktur bogenförmig abfallende Flankenwände aufweisen können. Des Weiteren ist ein Materialabtrag mittels Laserlichts z. B. geeignet, Versteifungsstrukturen mit einer beliebigen, z. B. beliebig gekrümmten, dreidimensionalen Form auch schon bei einer geringen Stückzahl (von z. B. einem Stück) wirtschaftlich herzustellen, wobei die Formgestaltung durch das flexible dreidimensionale Führen der Fokusposition 11 des Laserstrahls 9 (z. B. mittels entsprechender Programmierung eines zugehörigen Laserscankopfes) äußerst flexibel erfolgen kann.
Bei dem anhand der 1A, 1B und 2 veranschaulichten Verfahren kann das Trägersubstrat 2 z. B. aus einem für das Laserlicht 9 im Wesentlichen intransparenten Material sein, wobei der Materialabtrag z. B. schichtweise erfolgen kann, wobei z. B. zunächst parallel zur xy-Ebene verlaufende Querschnittsflächen des abzutragenden Volumens unter Materialabtrag mit der Fokusposition 11 abgefahren werden und dann die z-Koordinate der Fokusposition 11 entsprechend der abgetragenen Schichtdicke nachgefahren wird.
Jedoch kann bei dem anhand der 1A, 1B und 2 veranschaulichten Verfahren das Trägersubstrat 2 z. B. auch aus einem (bei geringen Lichtintensitäten) für das Laserlicht 9 im Wesentlichen transparenten Material sein, wobei der Materialabtrag z. B. blockweise erfolgen kann. Zum Beispiel können lediglich die im Substratinneren liegenden Teile der Hüllflächen der abzutragenden Volumina (etwa der bogenförmigen Ausnehmungen 21) mit der Fokusposition 11 abgefahren werden, wobei die abzutragenden Volumina mittels des Laserlichts 9 von dem umgebenden Substratmaterial gelöst werden (z. B. durch Materialabtrag oder Materialumwandlung, z. B. Pulverisierung, an der jeweiligen Fokusposition 11), so dass diese Volumina quasi aus dem Trägersubstrat 2 herausgeschnitten werden können. In diesem Fall sind die Eigenschaften des Laserstrahls 9 – z. B. die Wellenlänge, die Lichtleistung, die Fokusgröße und/oder die Pulsdauer – derart eingestellt und auf das Substratmaterial abgestimmt, dass ein zum Materialabtragen bzw. Materialumwandeln erforderlicher Schwellenwert der Lichtintensität erst an der Fokusposition 11 erreicht wird.
Die 3A bis 3C veranschaulichen ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform zum Herstellen eines gewichtsoptimierten als Spiegelträgersubtrat dienenden Bauteils 49 aus einem Werkstück 31, das aus einem Werkstückmaterial besteht. Gemäß den 3A und 3B wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Abtragmaterial-Abführkanal 33 gebildet, der von einer außenliegenden Unterseite 35 des Werkstücks 31 aus im Wesentlichen senkrecht zu derselben in das Innere des Werkstücks 31 hinein verläuft, wobei der Abführkanal 33 zu der Unterseite 35 hin offen ist.
Gemäß den 3A und 3B wird zunächst mittels eines (nicht dargestellten) Lasers Laserlicht 37, hier z. B. ein Laserstrahl 37, erzeugt, wobei das Laserlicht 37 eine Wellenlänge aufweist, für welche das Werkstückmaterial bei geringen Lichtintensitäten, bei denen keine nichtlinearen Absorptionsmechanismen auftreten, transparent ist. In der Ausführung gemäß den 3A bis 3C tritt der Laserstrahl 37 von einer Oberseite 39 des Werkstücks 31 her in das Werkstück 31 ein und wird zunächst auf eine Fokusposition 41 an der Unterseite 35 des Werkstücks 31 fokussiert.
Die Eigenschaften des Laserstrahls 37 – z. B. die Wellenlänge, die Lichtleistung, die Fokusgröße und/oder die Pulsdauer (falls ein gepulster Laser zum Einsatz kommt) – sind derart eingestellt und auf das Werkstückmaterial abgestimmt, dass an der Fokusposition 41 ein Abtragen des Werkstückmaterials mittels des Laserlichts 37 erfolgt. Zum Beispiel sind die Lichtleistung und die Fokusgröße (d. h. der Querschnitt des Laserstrahls an der Fokusposition 41) derart eingestellt, dass an der Fokusposition 41 ein Materialabtrag-Schwellenwert der Lichtintensität, der zum Abtragen des Werkstückmaterials mittels Energieeintrags über nichtlineare Absorptionsmechanismen (z. B. Zwei-Photonen-Absorption) erforderlich ist, erreicht wird. Zum Beispiel kann der Laserstrahl 37 ein Ultrakurzpuls-Laserstrahl, z. B. mit Pulsdauern in der Größe von Pikosekunden, sein und die Eigenschaften des Laserstrahls 37 können derart eingestellt sein, dass das Abtragen des Werkstückmaterials mittels kalter Ablation erfolgt.
Gemäß dem in den 3A bis 3C veranschaulichten Verfahren wird der Abtragmaterial-Abführkanal 33 gebildet, indem der Fokus bzw. die Fokusposition 41 des Laserstrahls 37 von der Position an der Unterseite 35 des Werkstücks 31 unter Materialabtrag durch das fokussierte Laserlicht 37 in das Innere des Werkstücks 31 hinein verfahren wird, hier z. B. entlang der z-Richtung des in 3B veranschaulichten Koordinatensystems. Das abgetragene Werkstückmaterial 42 kann z. B. mittels der Schwerkraft aus dem Inneren des Werkstücks 31 hinausbefördert werden, wie in 3B durch den gestrichelten Pfeil 43 angedeutet. Das dreidimensionale Führen bzw. Verfahren der Fokusposition 41 des Laserstrahls 37 (in 3A angedeutet durch die nach links bzw. rechts weisenden Pfeile) kann z. B. analog zu oben beschriebener Konfiguration mittels eines entsprechenden (nicht dargestellten) Laserscankopfs erfolgen.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird, wie in 3C veranschaulicht, eine Kavität 45 im Inneren des Werkstücks 31 gebildet, welche direkt an das im Inneren des Werkstücks 31 liegende Ende des Abtragmaterial-Abführkanals 33 anschließt. Gemäß der Ausführung nach den 3A bis 3C wird die Kavität 45 gebildet, indem die Fokusposition 41 des Laserstrahls 37 nach dem Fertigstellen des Abtragmaterial-Abführkanals 33 gemäß der gewünschten Form der Kavität 45 im Inneren des Werkstücks 31 dreidimensional verfahren wird, wobei an der jeweiligen Fokusposition 41 durch das Laserlicht 37 Material des Werkstücks 31 abgetragen wird. Das abgetragene Material wird (z. B. mittels der Schwerkraft) durch den Abtragmaterial-Abführkanal 33 hindurch aus dem Inneren des Werkstücks hinausbefördert.
Wie in 3C veranschaulicht, kann die Kavität 45 als eine Ausweitung (bzw. mit einer gegenüber dem Abführkanal 33 vorliegenden Hinterschneidung) gebildet werden, die sich direkt an das im Werkstückinneren liegende Ende des Abführkanals 33 anschließt, wobei eine parallel zu der Unterseite 35 des Werkstücks 31 verlaufende Querausdehnung D des Abführkanals 33 (z. B. ein Durchmesser D des Abführkanals 33) kleiner (z. B. wesentlich kleiner) ist als eine parallel dazu verlaufende Querausdehnung L der Kavität 45. Mit anderen Worten ausgedrückt können der Abführkanal 33 und die Kavität 45 derart ausgebildet werden, dass eine im Wesentlichen senkrecht zur Verlaufsrichtung des Abführkanals 33 gemessene Querausdehnung D des Abführkanals 33 kleiner ist als eine parallel dazu verlaufende Querausdehnung L der Kavität 45. Des Weiteren können der Abführkanal 33 und die Kavität 45 derart ausgebildet werden, dass z. B. die Mündungs-Fläche 57 des Abführkanals 33 an der Unterseite 35 des Werkstücks 31 (wesentlich) kleiner ist als die die Kavität 45 definierende Kavitäts-Hüllfläche 59.
Mit dem fertigen Ausbilden der Kavität 45 in dem Werkstück 31 ist die Herstellung des gewichtsoptimierten Bauteils 49 aus dem Werkstück 31 abgeschlossen. Bei dem Verfahren gemäß den 3A bis 3C wird lediglich eine einzige Kavität 45 in dem Werkstück 31 ausgebildet. Es kann jedoch vorgesehen sein, mittels des oben beschriebenen Verfahrens mehrere solcher Kavitäten in einem Werkstück zu bilden (siehe auch 4), wobei z. B. mehrere Abtragmaterial-Abführkanäle in eine einzige dieser Kavitäten münden können, oder wobei z. B. jede dieser Kavitäten mit einem separaten Abführkanal verbunden sein kann. Die mehreren Kavitäten können z. B. eine im Inneren des Werkstücks bzw. Bauteils angeordnete Stützstruktur definieren, welche dem Bauteil bei (gegenüber dem Werkstück) verringertem Gewicht eine hohe Formbeständigkeit bzw. Stabilität verleiht.
4 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer anderen Ausführungsform zum Herstellen eines als Spiegelträgersubstrat dienenden gewichtsoptimierten Bauteils 49. Die Ausführungsform des Verfahrens gemäß 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß den 3A bis 3C dadurch, dass gemäß der in 4 veranschaulichten Ausführungsform mehrere, hier zwei, voneinander räumlich getrennte Laserstrahlen 51, 53 erzeugt werden und jeweils auf eine gemeinsame Fokusposition 55 im Inneren des Werkstücks 31 fokussiert werden, so dass sie sich an der Fokusposition 55 kreuzen.
Die Eigenschaften der beiden Laserstrahlen 51, 53 – z. B. die jeweilige Lichtleistung und Fokusgröße – sind derart eingestellt, dass die Lichtintensität lediglich eines der beiden Laserstrahlen 51, 53 an der Fokusposition 55 nicht ausreicht, um einen Materialabtrag-Schwellenwert, der zum Abtragen des Werkstückmaterials mittels Energieeintrags über nichtlineare Absorptionsmechanismen (z. B. Zwei-Photonen-Absorption) erforderlich ist, zu erreichen.
Des Weiteren sind die Eigenschaften der beiden Laserstrahlen 51, 53 derart eingestellt, dass die durch Aufsummieren der Lichtintensitäten der einzelnen Laserstrahlen 51, 53 an der Fokusposition 55 erzielte Gesamt-Lichtintensität gleich oder größer als der Materialabtrag-Schwellenwert ist. Somit kann z. B. die zum Materialabtrag erforderliche Lichtleistung auf mehrere (hier auf zwei) Laserstrahlen 51, 53 verteilt werden, wobei jeder der mehreren Laserstrahlen eine geringere Lichtleistung aufweisen kann als bei einem Materialabtrag mittels lediglich eines einzigen Laserstrahls. Somit kann z. B. die räumliche Ausdehnung des Bereichs an der Fokusposition 55, in dem die Gesamt-Lichtintensität für einen Materialabtrag ausreicht, mittels der Eigenschaften der beiden Laserstrahlen 51, 53 beeinflusst werden. Des Weiteren kann gemäß dieser Ausführungsform des Verfahrens aufgrund der ermöglichten geringeren Lichtleistung der einzelnen Laserstrahlen ein Energieeintrag (z. B. eine unerwünschte Erwärmung) in das Werkstückmaterial im Eintrittsbereich eines jeweiligen Laserstrahls 51, 53 vor dem Erreichen der Fokusposition 55 und im Austrittsbereich eines jeweiligen Laserstrahls 51, 53 nach dem Durchlaufen der Fokusposition 55 vermindert werden bzw. auf einen größeren Raumbereich verteilt werden, wodurch z. B. eine durch einen solchen Energieeintrag potentiell verursachte Materialbelastung (z. B. in Form von durch Temperaturunterschiede verursachten Spannungen) vermindert werden kann.
4 veranschaulicht ferner das Ausbilden mehrerer Kavitäten 45 in dem Werkstück 31 bzw. in dem Bauteil 49, wobei hier z. B. jede der Kavitäten 45 mit einem zugehörigen Abtragmaterial-Abführkanal 33 verbunden ist. Die Kavitäten 45 (bzw. das zwischen ihnen liegende, verbliebene Werkstückmaterial) können z. B. eine Stützstruktur im Inneren des Werkstücks 31 bzw. des Bauteils 49 definieren, wobei die Kavitäten 45 und somit auch die Stützstruktur durch entsprechendes dreidimensionales Verfahren der Fokusposition 41, 55 mit einer beliebigen Form ausgebildet werden können.
Bei den Verfahren gemäß den 3A bis 3C und 4 wird jede der Kavitäten 45 mit einem Volumen gebildet, welches größer (hier z. B. wesentlich größer) ist als das Volumen des jeweils zugehörigen Abtragmaterial-Abführkanals 33, wobei z. B. die Querausdehnung (Weite) L der jeweiligen Kavität 45 (wesentlich) größer ist als die Querausdehnung (Weite) D des zugehörigen Abführkanals 33.
Somit können die Kavitäten 45 als im Wesentlichen geschlossene Kavitäten 45 ausgebildet werden, wobei die Außenseite des Werkstücks 31, an welcher die zugehörigen Abführkanäle 33 münden, großteils unversehrt bleiben kann und dennoch eine (vergleichsweise) hohe Gewichtsverringerung ermöglicht werden kann, indem das Werkstück 31 gleichsam „ausgehöhlt” werden kann.
Gemäß dem in den 5A bis 5C veranschaulichten Verfahren gemäß einer Ausführungsform kann das Werkstück 31 z. B. ein Spiegelträgersubstrat 61 sein. Wie in 5A veranschaulicht, kann gemäß dieser Ausführungsform in einem ersten Verfahrensschritt z. B. eine Spiegelfläche 63 auf einer Vorderseite 65 des Trägersubstrats 61 ausgebildet werden, hier z. B. durch Ausbilden eines dielektrischen Spiegels 63.
Wie in 5B veranschaulicht, werden in einem weiteren Verfahrensschritt analog zu der oben beschriebenen Vorgehensweise z. B. mehrere Kavitäten 67 in dem Trägersubstrat 61 ausgebildet, hier z. B. indem zunächst mehrere entsprechende Abtragmaterial-Abführkanäle 69 an einer Rückseite 71 des Substrats 61 gebildet werden und dann ein Laserstrahl 73 von der Rückseite 71 des Spiegelträgersubstrats 61 her auf eine jeweilige Fokusposition 75 im Inneren des Substrats 61 fokussiert wird, um an dieser Position Material des Substrats 61 abzutragen. Aus dem (nicht gewichtsoptimierten) Spiegelträgersubstrat 61 wird somit ein gewichtsoptimiertes Spiegelträgersubstrat 77 hergestellt.
Wie in 5C veranschaulicht, kann in einem weiteren Verfahrensschritt eine zweite Spiegelfläche 79 an dem nunmehr gewichtsoptimierten Spiegelträgersubstrat 77 ausgebildet werden. Bei der Ausführungsform gemäß den 5A bis 5C werden als Beispiel eine oder mehrere dielektrische Schichten (in 5C nicht einzeln dargestellt) unter Ausbildung eines dielektrischen Spiegels 79 auf der Rückseite 71 des gewichtsoptimierten Substrats 77 aufgebracht. Die Mündungsöffnungen der Abtragmaterial-Abführkanäle 69 an der Rückseite 71 des gewichtsoptimierten Trägersubstrats 77 brauchen z. B. nicht durch die Schichten des dielektrischen Spiegels 79 überdeckt sein.
Der Ablenkspiegel 81 gemäß dem Ausführungsbeispiel von 5C kann z. B. als zweiseitig reflektierender Ablenkspiegel 81 ausgebildet werden, wobei z. B. die von den Abtragmaterial-Abführkanälen 69 abgewandte Spiegelfläche 63, die in einfacher Weise ununterbrochen ausbildbar ist, zum Ablenken eines Arbeits-Lichtstrahls vorgesehen sein kann, und wobei z. B. die auf Seiten der Abtragmaterial-Abführkanäle 69 vorliegende Spiegelfläche 79, welche in der Regel von diesen Abtragmaterial-Abführkanälen 69 (bzw. deren Ausmündungsöffnungen an der zugeordneten Spiegelfläche 79) unterbrochen ist, zum Führen eines Mess-Lichtstrahls vorgesehen sein kann, der z. B. zum Bestimmen der Drehwinkelposition des Ablenkspiegels 77 dienen kann. Die Abtragmaterial-Abführkanäle 69 (bzw. deren Ausmündungsöffnungen) können z. B. derart in Abstimmung mit der Auftreffbahn des Mess-Lichtstrahls angeordnet werden und/oder dimensioniert werden, dass sie im Betrieb nicht vom Mess-Lichtstrahl nicht getroffen werden können. Die Abtragmaterial-Abführkanäle 69 (bzw. deren Ausmündungsöffnungen) können im Durchmesser auch derart klein ausgebildet sein, dass bei ihrer Überschreitung durch den Mess-Lichtstrahl nur vernachlässigbare Verluste bzw. nicht störendes Streulicht auftreten.
Gemäß der in den 5A bis 5C veranschaulichten Ausführungsform wird die Spiegelfläche 63 auf der Vorderseite 65 des Substrats 61 vor dem Ausbilden der Kavitäten 67 gebildet. Es kann jedoch vorgesehen sein, sowohl die Spiegelfläche 63 auf der Vorderseite 65 als auch die Spiegelfläche 79 auf der Rückseite 71 (z. B. gleichzeitig) nach dem Ausbilden der Kavitäten 67 zu bilden.
Die 6A bis 6D veranschaulichen ein Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Bauteils 91, in diesem Fall eines gewichtsoptimierten Ablenkspiegels 91 mit einem gewichtsoptimierten Spiegelträgersubstrat 95, aus einem Werkstück 93 aus einem Werkstückmaterial mittels Laser-Modifizierees und Herausätzens der modifizierten Gebiete.
Gemäß den 6A und 6B wird zunächst das Werkstück 93 bereitgestellt und dann Laserlicht 97, hier z. B. ein Laserstrahl 97, erzeugt, wobei das Laserlicht 97 eine Wellenlänge aufweist, für welche das Werkstückmaterial bei geringen Lichtintensitäten (z. B. bei Lichtintensitäten, bei denen keine wesentlichen Wechselwirkungen – wie etwa nichtlineare Absorptionsmechanismen – des Laserlichts mit dem Werkstückmaterial auftreten) im Wesentlichen transparent ist. In der Ausführung gemäß den 6A bis 6D tritt der Laserstrahl 97 von einer Unterseite 99 des Werkstücks 91 her in das Werkstück 91 ein und wird auf eine Fokusposition 101 im Inneren des Werkstücks 91 fokussiert.
Die Eigenschaften des Laserstrahls 97 – z. B. die Wellenlänge, die Lichtleistung, die Fokusgröße und die Pulsdauer – sind derart eingestellt und auf das Werkstückmaterial abgestimmt, dass das Werkstückmaterial an der Fokusposition 101 derart modifiziert wird, dass das modifizierte Werkstückmaterial gegenüber dem ursprünglichen, unmodifizierten Werkstückmaterial eine erhöhte Ätzrate gegenüber einem Ätzmittel 103 aufweist. Zum Beispiel können die Eigenschaften des Laserstrahls 97 derart eingestellt sein, dass die Lichtintensität (erst) an der Fokusposition 101 einen Schwellenwert erreicht, bei dem das Werkstückmaterial aufgrund des resultierenden Energieeintrags in eine spröde bzw. poröse Struktur überführt wird, wobei das derart modifizierte Material dem Ätzmittel 103 eine größere Angriffsfläche bietet und somit von demselben mit einer höhere Ätzrate selektiv geätzt wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden Teilvolumina 105, 107, 109 innerhalb des Werkstücks 93 mit der Fokusposition 101 des Laserstrahls 97 abgefahren, wobei das Material innerhalb der Teilvolumina 105, 107, 109 wie oben beschrieben modifiziert wird. Jedes der Teilvolumina 105, 107, 109 grenzt an eine Außenseite, hier an eine Oberseite 111, des Werkstücks 93. In der Ausführung gemäß den 6A bis 6D werden die Teilvolumina 105, 107, 109 – indem die Fokusposition 101 gemäß der gewünschten Form dreidimensional verfahren wird (in 6B angedeutet durch die nach links bzw. rechts weisenden Pfeile) – derart geformt, dass jedes der Teilvolumina lediglich über einen schmalen Anschlusskanal 113 mit der Außenseite bzw. Oberseite 111 des Werkstücks 93 in Verbindung steht.
Im Folgenden wird, wie in den 6C und 6D veranschaulicht, das Werkstück 93 mit dem Ätzmittel 103 geätzt, wobei das modifizierte Werkstückmaterial innerhalb der Teilvolumina 105, 107, 109 unter Ausbilden entsprechender Ausnehmungen 115, 117, 119 aus dem Werkstück 93 herausgeätzt wird. Gemäß der in den 6A bis 6D veranschaulichten Ausführung haben die Ausnehmungen 115, 117, 119 die Form von im Wesentlichen geschlossenen, im Inneren des Werkstücks liegenden Kavitäten 115, 117, 119 (mit einer Form analog zu den mit Bezug auf die 3A bis 3C, 4 und 5A bis 5C beschriebenen Kavitäten), wobei die Kavitäten 115, 117, 119 bzw. das zwischen ihnen liegende, verbliebene Werkstückmaterial z. B. eine Stützstruktur im Inneren des Werkstücks 93 bzw. des Bauteils 91 definieren können. Aus dem (nicht gewichtsoptimierten) Bauteil 93 bzw. Spiegelträgersubstrat 93 wird somit ein gewichtsoptimiertes Spiegelträgersubstrat 95 hergestellt.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Teilvolumina 105, 107, 109 derart zu formen, dass die resultierenden Ausnehmungen eine Versteifungsstruktur mit einer Form analog zu den mit Bezug auf die 1B und 2 beschriebenen Versteifungsstrukturen 13, 19 an einer Außenseite des Werkstücks 93 definieren.
Wie in 6D veranschaulicht, können in einem weiteren Verfahrensschritt Spiegelflächen 121, 123 auf der Unterseite 109 und/oder auf der Oberseite 111 des nunmehr gewichtsreduzierten Werkstücks bzw. Spiegelträgersubstrats 95 ausgebildet werden, z. B. mittels Aufbringens einer oder mehrerer dielektrischer Schichten unter Ausbildung jeweiliger dielektrischer Spiegel 121, 123.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Ablenkspiegels (1), z. B. eines Ablenkspiegels für einen Galvanometerscanner, aufweisend: – Bereitstellen eines Spiegelträgersubstrats (2) aus einem Substratmaterial, – Abtragen von Substratmaterial auf einer Seite (5) des Spiegelträgersubstrats (2) unter Ausbilden einer Versteifungsstruktur (13, 19) in dem Spiegelträgersubstrat, dadurch gekennzeichnet, – dass das Abtragen des Substratmaterials mittels Laserlichts (9) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend: – Ausbilden einer Spiegelfläche (7) auf einer Seite (3) des Spiegelträgersubstrats (2), die von der für die Versteifungsstruktur (13) vorgesehenen Seite (5) verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ausbilden der Spiegelfläche (7) vor dem Ausbilden der Versteifungsstruktur (13) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Abtragen des Substratmaterials unter Einformung von solchen die Versteifungsstruktur (19) definierenden Ausnehmungen (21) erfolgt, deren Ausnehmungsboden (23) bogenförmig und/oder kuppelförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Laserlicht (9) eine Wellenlänge hat, für welche das Substratmaterial transparent ist, und wobei das Abtragen des Substratmaterials mittels Fokussierens des Laserlichts (9) auf eine Fokusposition (11) und Abfahrens einer Hüllfläche eines abzutragenden Volumens des Substratmaterials mit der Fokusposition, um das Volumen entlang der Hüllfläche von dem umgebenden Substratmaterial zu lösen, erfolgt.
Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Spiegelträgersubstrats (77) für einen Ablenkspiegel, z. B. für einen Ablenkspiegel eines Galvanometerscanners, aus einem Werkstück (31, 61) aus einem Werkstückmaterial, aufweisend: – Bilden eines Abtragmaterial-Abführkanals (33, 69) in dem Werkstück (31, 61), welcher zu einer Außenseite des Werkstücks hin offen ist, – Erzeugen von Laserlicht (37, 51, 53, 73) mit einer Wellenlänge, für welche das Werkstückmaterial transparent ist, – Bilden einer Kavität (45, 67) im Inneren des Werkstücks (31, 61) durch Fokussieren des Laserlichts auf eine Fokusposition (41, 55, 75) im Inneren des Werkstücks (31, 61) und Verfahren der Fokusposition im Inneren des Werkstücks, um an der jeweiligen Fokusposition durch das Laserlicht Material des Werkstücks abzutragen, wobei das abgetragene Material (42) durch den Abtragmaterial-Abführkanal (33, 69) hindurch aus dem Inneren des Werkstücks hinaus befördert wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Erzeugen von Laserlicht das Erzeugen mehrerer voneinander räumlich getrennter Laserstrahlen (51, 53) aufweist, und wobei das Fokussieren des Laserlichts das Fokussieren der mehreren Laserstrahlen (51, 53) auf eine gemeinsame Fokusposition (55) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Kavität (45, 67) mit einem Volumen gebildet wird, welches größer ist als das Volumen des Abtragmaterial-Abführkanals (33, 69).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ferner aufweisend: – Ausbilden einer Spiegelfläche (63) auf mindestens einer Seite des Spiegelträgersubstrats (61).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Ausbilden der mindestens einen Spiegelfläche (63) vor dem Bilden der Kavität (67) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Bilden des Abtragmaterial-Abführkanals (33) durch Fokussieren des Laserlichts (37) auf eine Fokusposition (41) an der Außenseite (35) des Werkstücks (31) und Verfahren, unter Materialabtrag durch das fokussierte Laserlicht, der Fokusposition in das Innere des Werkstücks erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6–11, wobei die Kavität dadurch ausgebildet wird, dass beim Fokussieren des Laserlichts (97) auf die Fokusposition (101) und beim Verfahren der Fokusposition im Werkstück ein Teilvolumen (105, 107, 109) innerhalb des Werkstücks (93) mit der Fokusposition abgefahren wird, um das Werkstückmaterial innerhalb des Teilvolumens derart zu modifizieren, dass das modifizierte Werkstückmaterial gegenüber einem Ätzmittel (103) eine höhere Ätzrate aufweist als das unmodifizierte Werkstückmaterial, und das Werkstücks mit dem Ätzmittel (103) geätzt wird, wobei das modifizierte Werkstückmaterial aus dem Werkstück (93) herausgeätzt wird.
Verfahren zum Herstellen eines gewichtsoptimierten Spiegelträgersubstrats (95) für einen Ablenkspiegel, z. B. für einen Ablenkspiegel eines Galvanometerscanners, aus einem Werkstück (93) aus einem Werkstückmaterial, aufweisend: – Erzeugen von Laserlicht (97) mit einer Wellenlänge, für welche das Werkstückmaterial transparent ist, – Fokussieren des Laserlichts (97) auf eine Fokusposition (101) und Abfahren eines Teilvolumens (105, 107, 109) innerhalb des Werkstücks (93), das an eine Außenfläche (111) des Werkstücks grenzt, mit der Fokusposition, um das Werkstückmaterial innerhalb des Teilvolumens derart zu modifizieren, dass das modifizierte Werkstückmaterial gegenüber einem Ätzmittel (103) eine höhere Ätzrate aufweist als das unmodifizierte Werkstückmaterial; – Ätzen des Werkstücks mit dem Ätzmittel (103), wobei das modifizierte Werkstückmaterial aus dem Werkstück (93) herausgeätzt wird.