DE102012111091A1 - Divergenzänderungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Divergenzänderungsvorrichtung (1) zum Ändern der Divergenz eines Strahlenbündels (5), das durch einen Hauptstrahl (6) und Nebenstrahlen beschrieben ist und zumindest die Nebenstrahlen aufweist, aufweisend eine Strahlenquelle (10) zum Bereitstellen des Strahlenbündels (5), ein optisches System (15), das so eingerichtet ist, dass es das Strahlenbündel (5) abbildet, wobei der Hauptstrahl (6) des Strahlenbündels (5), der aus der Richtung eines ersten Punkts (16) auf das optische System (15) einfällt, in Richtung eines zweiten Punkts (36) abgelenkt wird, und wobei die Nebenstrahlen mit einem Divergenzwinkel, der mit dem Winkel variiert, in dem das Strahlenbündel (5) auf das optische System (15) trifft, bezüglich des Hauptstrahls (6) abgebildet werden, eine erste Strahlablenkvorrichtung (30), die im ersten Brennpunkt (16) angeordnet ist, und eine zweite Strahlablenkvorrichtung (50), die im zweiten Brennpunkt (36) angeordnet ist, sowie eine Steuereinrichtung (75), die so eingerichtet ist, dass sie einen zweiten Winkel der zweiten Strahlablenkvorrichtung (50) in Abhängigkeit eines ersten Winkels der ersten Strahlablenkvorrichtung (50) so einstellt, dass die Lage eines Strahlenbündels (5), das von der Strahlenquelle (10) über die erste Strahlablenkvorrichtung (30) und das optische System (15) über die zweite Strahlablenkvorrichtung (50) verlässt, einstellbar und im Wesentlichen unabhängig von dem ersten Winkel ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Divergenzänderungsvorrichtung, insbesondere eine Divergenzänderungsvorrichtung mit einem abbildenden optischen System und zwei Strahlablenkvorrichtungen.
  • Hintergrund
  • Das Ändern der Divergenz von elektro-magnetischer Strahlung, z. B. von Laserlicht, ist in vielen Bereichen notwendig, wie z. B. bei der Materialbearbeitung oder der Mikroskopie. Zum Beispiel kann das Ändern der Divergenz von Strahlung notwendig sein, um einen Fokus von elektro-magnetischer Strahlung zu verschieben durch eine Änderung der Divergenz.
  • Zum Beispiel kann es bei der Lasermaterialbearbeitung notwendig sein, einen Arbeits-Fokuspunkt eines Laserstrahl mit schnell veränderbarem Fokusabstand auf ein zu bearbeitendes Werkstück zu fokussieren, um eine optimale Bearbeitungseffizienz zu erreichen, da häufig der Laserstrahl mit hoher Geschwindigkeit mittels mehrerer steuerbarer und bewegbarer Spiegel über ein Werkstück gelenkt wird. Dabei kann es aufgrund der Abmessungen des Werkstücks zu unterschiedlichen Entfernungen zwischen einer Laserquelle und dem Werkstück kommen, weshalb es notwendig sein kann, den Laserstrahl schnell zu fokussieren, um eine effiziente und präzise Energieübertragung vom Laserstrahl auf das Werkstück zu erzielen.
  • Eine Divergenzänderungsvorrichtung zum Ändern der Divergenz von elektro-magnetischer Strahlung ist daher wünschenswert.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft eine Divergenzänderungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Steuern einer Divergenzänderungsvorrichtung gemäß Anspruch 11 sowie eine Strahllage-und-Divergenz-Änderungsvorrichtung gemäß Anspruch 16.
  • Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt schematisch eine Divergenzänderungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweisend Brechungssysteme in zwei Betriebszuständen.
  • 2a und 2b zeigen schematisch eine Divergenzänderungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweisend Reflexionssysteme.
  • 3a und 3b zeigen schematisch Divergenzänderungsvorrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
  • 4 zeigt schematisch eine Divergenzänderungsvorrichtung mit einer Strahllage-Messeinrichtung und einer Steuereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die Erfindung stellt mit Bezug auf die 1 bis 4 eine Divergenzänderungsvorrichtung 1 zum Ändern der Divergenz eines elektro-magnetischen Strahlenbündels 5 bereit. Die Divergenzänderungsvorrichtung 1 weist eine Strahlenquelle 10 zum Erzeugen eines elektro-magnetischen Strahlenbündels 5 auf. Die Strahlenquelle 10 kann eingerichtet sein, ein elektromagnetisches Strahlenbündel 5 (im Folgenden auch kurz als ”Strahlenbündel” bezeichnet) bereitzustellen oder zu erzeugen, das eine beliebige Polarisation aufweisen kann, wie zum Beispiel lineare Polarisation, zirkulare Polarisation oder elliptische Polarisation. Die Strahlenquelle 10 kann eingerichtet sein, Strahlenbündel 5 mit beliebiger Wellenlänge bereitzustellen. Die Strahlenquelle 10 kann z. B. eine Laser-Strahlenquelle 10, eine Strahlenquelle 10 für sichtbares Licht oder eine Strahlenquelle 10 für UV- oder IR-Strahlung sein. Die Strahlenquelle 10 kann eine Pulslaser-Strahlenquelle 10 sein, die mehrere gepulste, d. h. zeitlich unterbrochene, Strahlenbündel 5 erzeugt, oder die Strahlenquelle 10 kann eine Laser-Strahlenquelle 10 sein, die ein kontinuierliches Strahlenbündel 5 erzeugt. Die Strahlenquelle 10 kann eine Hochleistungs-Strahlenquelle sein, die Strahlung erzeugt, die zur Materialbearbeitung (z. B. dem Schmelzen oder Verdampfen von Metallen wie Stahl) geeignet sein kann. Ein von der Strahlenquelle 10 erzeugtes Strahlenbündel 5 kann eine Mehrzahl (z. B. Vielzahl) von Strahlen (z. B. Einzelstrahlen) aufweisen, und kann eine beliebige Querschnittsfläche, wie z. B. eine kreisrunde, elliptische oder polygonale Querschnittsfläche, haben. Das Strahlenbündel 5 kann eine Divergenz aufweisen. Die Divergenz kann den Winkel beschreiben, mit dem Strahlen eines Strahlenbündels aufeinander zulaufen bzw. voneinander weglaufen. Die Strahlenquelle 10 kann zum Beispiel eine Laser-Strahlenquelle 10 sein mit einer Leistung von mehr als 2 mW (zum Beispiel mit einer Laser-Leistungsklasse, die über der Laser-Leistungsklasse 2 liegt), mit mehr als 500 mW, mit mehr als 10 W und/oder mit bis zu 20 kW. Die Laser-Strahlenquelle 10 kann zum Beispiel gepulste Strahlung mit einer Pulsdauer von weniger als 1 μs und einer Pulsenergie von mehr als 100 nJ oder mehr als 1 mJ und/oder einer Pulsenergie von weniger als wenigen Joule (z. B. weniger als 5 J) erzeugen. Die Laser-Strahlenquelle 10 kann zum Beispiel auch gepulste Strahlung mit einer Pulsdauer von weniger als etwa 10 ps und einer Pulsenergie von etwa 1 bis 10 nJ erzeugen, zum Beispiel wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung bzw. Interaktion mit biologischen Gewebe benutzt wird (z. B. um Operationen am Auge oder ähnliches durchzuführen). Hierin kann die Strahlenquelle 10 auch eine (z. B. virtuelle) Eintrittspupille sein, über die der Divergenzänderungsvorrichtung 1 ein Strahlenbündel 5 bereitgestellt wird, d. h. die Strahlenquelle 10 muss nicht eine physische, körperliche Strahlenquelle 10 sein. In diesem Fall wird über die Strahlenquelle 10 ein Strahlenbündel 5 bereitgestellt, das einem von einer oben beschriebenen „physischen” Strahlenquellen 10 erzeugten Strahlenbündel 5 entspricht.
  • Hierin kann ein kollimiertes Strahlenbündel 5 eine Divergenz von Null aufweisen, ein divergentes Strahlenbündel einen positiven Wert der Divergenz und ein konvergentes Strahlenbündel einen negativen Wert. Dementsprechend kann ein Strahlenbündel 5 kollimiert (d. h. z. B. die Strahlen des Strahlenbündels 5 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander), divergent (d. h. z. B. die Strahlen laufen im Wesentlichen voneinander weg) oder konvergent (d. h. z. B. die Strahlen laufen im Wesentlichen aufeinander zu) sein, z. B. wenn es die Strahlenquelle 10 verlässt.
  • Das Strahlenbündel 5 wird in der Beschreibung der Funktionsweise der Divergenzänderungsvorrichtung 1 im Folgenden wie in der Optik üblich mathematisch dargestellt durch einen Hauptstrahl 6, der im Wesentlichen zentral im Strahlenbündel 5 verläuft und die Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 5 charakterisiert, sowie einer Mehrzahl von Nebenstrahlen, die im Bündel um den Hauptstrahl 6 herum angeordnet sein können und deren Richtung relativ zum Hauptstrahl 6 in Abhängigkeit von der Lage innerhalb des Strahlbündels 5 verkippt sein kann, wodurch die Divergenz des Strahlbündels 5 beschrieben wird. Das Strahlenbündel 5 kann eine Mehrzahl von Nebenstrahlen und einen solchen Hauptstrahl 6 aufweisen, oder der Hauptstrahl kann bei dem Strahlenbündel 5 nicht vorliegen, zum Beispiel ausgeblendet sein (z. B. mittels einer Blende) oder nicht durch die Strahlenquelle 10 bereitgestellt sein. In diesem Fall kann der Hauptstrahl 6 ein virtueller Hauptstrahl 6 sein, der im Wesentlichen die Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 5 beschreiben/charakterisieren kann.
  • Diese Begriffsbildung zur Funktionsbeschreibung beschränkt jedoch nicht die möglichen Ausprägungen des Strahlenbündels 5, so ist zum Beispiel eine Zusammensetzung des Strahlenbündels 5 aus mehreren Teilbündeln unterschiedlicher Geometrie, Wellenlänge und Polarisation möglich. Ebenso sind erfindungsgemäß Strahlenbündel 5 möglich, deren Intensitätsverteilung über den Querschnitt inhomogen oder asymmetrisch ist oder deren Intensitätsverteilung im Bereich des Hauptstrahls 6 ein Minimum oder ein Maximum aufweist. Wenn im folgenden der Begriff „Abbilden” (oder „abbilden”) im Bezug auf Strahlen oder Strahlbündel verwendet wird, so kann darunter verstanden werden, dass ein erster Strahl so durch eine Optik abgelenkt oder geführt wird, dass er im weiteren Verlauf nach der Optik/optisches Bauteil durch einen zweiten Strahl bzw. Strahlbündel beschrieben wird. In diesem Sinn wird der erste Strahl bzw. das erste Strahlbündel auf den zweiten Strahl bzw. das zweite Strahlbündel abgebildet.
  • Im Bezug auf Punkte kann der Begriff „Abbildung” (oder „abbilden”) im Sinne einer optischen Abbildung verstanden werden.
  • Die Divergenzänderungsvorrichtung 1 weist ein abbildendes optisches System 15 auf. Das abbildende optische System 15 bildet einen ersten Punkt 16 (z. B. Brennpunkt 16) auf einen zweiten Punkt 36 (z. B. Brennpunkt 36) ab. Der erste Punkt 16 und der zweite Punkt 36 können bezüglich einer optischen Achse des optischem Systems 15 auf zwei gegenüberliegenden Seiten des optischen Systems 15 angeordnet sein oder, wie z. B. in 2 gezeigt, auf derselben Seite des optischen Systems 15. Der erste Punkt 16 und der zweite Punkt 36 können jeweils den gleichen Abstand von dem optischen System 15 haben oder jeweils einen unterschiedlichen Abstand haben. Der Abstand zwischen dem ersten Punkt 16 und dem zweiten Punkt 36 kann ein endlicher Abstand sein.
  • Die Divergenzänderungsvorrichtung 1 weist eine erste Strahlablenkvorrichtung 30 und eine zweite Strahlablenkvorrichtung 50 auf, wobei die erste Strahlablenkvorrichtung 30 nahe bei oder in dem ersten Punkt 16 angeordnet sein kann und die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 nahe bei oder in dem zweiten Punkt 36 angeordnet sein kann. Wenn hierin beschrieben ist, dass Komponenten oder Strahlen oder Strahlenbündel „durch” einen Punkt oder „über” einen Punkt laufen oder „im” Punkt auf etwas treffen oder eine ähnliche Formulierung verwendet wird, so kann impliziert sein, dass dies auch für Positionen gilt, die sich im Wesentlichen nahe bei dem Punkt befinden.
  • Eine (irgendeine oder jede) Strahlablenkvorrichtung 30, 50 ist hierin eine Vorrichtung, die die Ausbreitungsrichtung eines auf die Strahlablenkvorrichtung einfallendendes Strahlenbündels 5 steuerbar und gezielt wählbar ändern kann, so dass die Ausbreitungsrichtung eines von der Strahlablenkvorrichtung ausfallenden Strahlenbündels 5 (im Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des einfallenden Strahlenbündels) einstellbar ist. Eine Strahlablenkvorrichtung 30, 50 kann die Ausbreitungsrichtung eines Strahlenbündels 5 dabei in einer (Raum-)Richtung (d. h. ein-dimensional bzw. „1D”) ändern, oder sie kann die Ausbreitungsrichtung eines Strahlenbündels in zwei voneinander unabhängigen Raumrichtungen (d. h. zwei-dimensional bzw. „2D”) ändern. Anders ausgedrückt kann eine Strahlablenkvorrichtung 30, 50 hierin eine 1D-Strahlablenkvorrichtung oder eine 2D-Strahlablenkvorrichtung sein. Die erste Strahlablenkvorrichtung 30 kann eine 1D oder 2D-Strahlablenkvorrichtung 30 sein und gleichzeitig kann die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 eine 1D oder 2D-Strahlablenkvorrichtung sein, d. h. die Strahlablenkvorrichtungen können gleichartig sein oder verschiedenartig. Zum Beispiel kann die erste Strahlablenkvorrichtung 30 eine ein-dimensionale Strahlablenkvorrichtung sein und die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 kann eine zwei-dimensionale Strahlablenkvorrichtung sein.
  • Dementsprechend kann „Ablenkwinkel” oder „Betrag einer Ablenkung” oder ähnliches hierin bedeuten, dass eine Ablenkung in einer Dimension geschieht oder in zwei Dimensionen geschieht. Somit kann ein Winkel bzw. ein Betrag eine Komponente (Ablenkung in einer Dimension) oder zwei unabhängige Komponenten aufweisen (Ablenkung in zwei Dimensionen). Beispielsweise ist in der 1 eine Ablenkung eines Strahlenbündels 5 mittels der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 exemplarisch durch die Komponenten β und γ dargestellt.
  • Das optische System 15 hat die Eigenschaft, dass ein (Einzel-)Strahl, der aus Richtung des ersten Punkts 16 auf das optische System 15 trifft, von dem optischen System 15 so geführt wird, dass er in Richtung des zweiten Punkts 36 von dem optischen System 15 ausfällt. Strahlen, die nicht aus der Richtung des ersten Punkts 16 auf das optische System 15 treffen, werden durch das optische System 15 so abgelenkt, dass sie von dem optischen System 15 in einem Winkel abgebildet werden, der Abhängig ist von dem Ort und dem Winkel, an dem sie auf das optische System 15 treffen. Ein Strahlenbündel 5, dessen Hauptstrahl 6 durch den ersten Punkt 16 läuft und das mittels des optischen Systems 15 abgebildet wird, kann folglich so abgebildet werden, dass seine Divergenz abhängig ist von dem Ort, an dem das Strahlenbündel 5 auf das optische System 15 trifft, wobei der Hauptstrahl 6 des abgebildeten Strahlenbündels 5 unabhängig von der Divergenzänderung des Strahlenbündels 5 in Richtung des zweiten Punkts 36 abgebildet wird.
  • Dementsprechend kann ein Strahlenbündel 5 dem optischen System 15 mittels der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 an einem unterschiedlichen Ort bzw. in einem unterschiedlichen Winkel zugeführt werden, wodurch die Divergenz des abgebildeten Strahlenbündels 5 einstellbar ist.
  • Der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5 kann dabei mittels des optischen Systems 15 immer in Richtung des zweiten Punkts 36 (z. B. auf den zweiten Punkt) abgebildet werden.
  • Das optische System 15 kann als progressives optisches System 15 ausgebildet sein, dessen Abbildungseigenschaften einer Multifokallinse (Gleitsichtlinse) entsprechen.
  • Das abgebildete Strahlenbündel 5 (zumindest eine Untermenge dieses) kann somit aufgrund der Eigenschaften und Anordnung des optischen Systems 15 auf die in dem zweiten Punkt 36 angeordnete zweite Strahlablenkvorrichtung 50 treffen und mittels dieser wie unten detaillierter beschrieben wird abgelenkt werden.
  • Die Strahlenquelle 10 und die erste Strahlablenkvorrichtung 30 können so angeordnet und eingerichtet sein, dass der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5 in oder bei dem ersten Punkt 16 auf die erste Strahlablenkvorrichtung 30 trifft.
  • Die erste 30 und die zweite 50 Strahlablenkvorrichtung können so eingerichtet sein, dass die Lage des Hauptstrahls 6 eines über die erste Strahlablenkvorrichtung 30, das optische System 15 und die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 abgebildeten Strahlenbündels 5 im Wesentlichen konstant bleibt und unabhängig von einer Ablenkung durch die erste Strahlablenkvorrichtung 30 ist (d. h. unabhängig von einer Änderung der Divergenz ist).
  • Mit zusätzlichem Bezug auf 4 kann die Divergenzänderungsvorrichtung 1 dazu eine Steuereinrichtung 75 aufweisen, die so eingereicht sein kann, dass sie den Betrag der Strahlablenkung eines auf die erste Strahlablenkungsvorrichtung 30 einfallenden Strahlenbündels (erster Betrag) und den Betrag der Strahlablenkung eines auf die zweite Strahlablenkvorrichtung einfallenden Strahlenbündels 5 (zweiter Betrag) einstellen kann. Die Steuereinrichtung 75 kann so eingerichtet sein, dass sie den Betrag der Strahlablenkung der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 so einstellt, dass eine gewünschte Divergenz {über den aus der Strahlablenkung resultierenden, unterschiedlichen Auftreffort/winkel eines Strahlenbündels 5 auf das optische System 15) einstellbar ist und sie kann gleichzeitig und/oder synchron die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 so steuern, dass die Lage des Hauptstrahls 6 des von der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 abgebildeten Strahlenbündels 5 konstant und unabhängig von der eingestellten Divergenz des Strahlenbündels 5 ist. Zum Beispiel kann der Steuereinrichtung 75 von einem Benutzer oder einem Steuergerät ein gewünschter Divergenzwert bereitgestellt werden, und die Steuereinrichtung 75 kann die Divergenz mittels einer entsprechenden Einstellung der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 einstellen. Zusätzlich kann die Steuereinrichtung 75 die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 so steuern, dass die Lage des Hauptstrahls 6 des von der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 ausfallenden Strahlenbündels 5 unabhängig von der Diververgenzänderung des Strahlenbündels 5 eingestellt werden kann (z. B. so, dass die Lage bzw. Richtung konstant ist und/oder einer gewünschten Ziel-Lage bzw. Ziel-Richtung entspricht).
  • Die Steuereinrichtung 75 kann so eingerichtet sein, dass sie die erste Strahlablenkvorrichtung 30 (bzw. die von dieser realisierte Strahlablenkung) gemäß einem Ziel-Divergenzänderungswert steuert. Der Ziel-Divergenzänderungswert entspricht dabei einer gewünschten Divergenz und/oder einer gewünschten Divergenzänderung und kann der Steuereinrichtung 75 bereitgestellt werden, z. B. durch eine Benutzereingabe, oder von einem anderen Steuergerät, Computer, Prozessleitrechner oder ähnlichem. Der Ziel-Divergenzänderungswert kann auch dem Abstand eines Arbeits-Fokuspunktes von der Strahlenquelle 10 entsprechen, da dieser Abstand von der Divergenz des Strahlenbündels 5 abhängen kann. Der Ziel-Divergenzänderungswert kann von der Steuereinrichtung 75 errechnet werden anhand eines Algorithmus und in der Steuereinrichtung 75 gespeicherter Daten. Gleichzeitig kann die Steuereinrichtung 75 so eingerichtet sein, dass sie die zweite Strahlablenkvorrichtung 75 gemäß einem Ziel-Strahllage-und-Richtung-Wert steuert. Der Ziel-Strahllage-und-Richtung-Wert kann dabei einer gewünschten Lage und Richtung des Strahlenbündels 5, das von der zweiten Strahlablenkvorrichtung 75 ausfällt, entsprechen. Der Ziel-Strahllage-und-Richtung-Wert kann der Steuereinrichtung 75 bereitgestellt werden z. B. durch eine Benutzereingabe, oder von einem anderen Steuergerät, Computer, Prozessleitrechner oder ähnlichem. Das bedeutet, die Steuereinrichtung 75 kann die Divergenzänderungsvorrichtung 1 so steuern, dass eine Divergenzänderung frei wählbar und einstellbar ist und dass gleichzeitig die Lage und Richtung eines von der Divergenzänderungsvorrichtung 1 ausfallenden Strahlenbündels 5 frei wählbar und einstellbar ist (z. B. in einer oder in zwei Dimensionen).
  • Der Ziel-Divergenzwert kann so gewählt/berechnet/gespeichert sein bzw. werden, dass ein Fokuspunkt außerhalb der Divergenzänderungsvorrichtung 1 (z. B. auf der Oberfläche eines Werkstücks) bereitgestellt wird, so dass der Fokuspunkt z. B. immer direkt auf der Werkstückoberfläche ausgebildet ist unabhängig von einer Änderung der optischen Weglänge zwischen einer Strahlenquelle 10 und der Position, an der das Strahlenbündel 5 auf das Werkstück (bzw. die Werkstückoberfläche) trifft.
  • Gemäß der Erfindung kann z. B. eine Geometrie eines Werkstückes in der Form von Punkt-Koordinaten (z. B. x, y, z) und sich zwischen Punkt-Koordinaten erstreckenden Linien in der Steuereinrichtung 75 gespeichert sein, und es kann gleichzeitig ein Bearbeitungsplan in der Steuereinrichtung 75 gespeichert sein, der Informationen enthält, an welchen Koordinaten ein Strahlenbündel 5 mit welcher Divergenz (bzw. mit welchem Bündeldurchmesser) auf das Werkstück treffen soll. (Der Bearbeitungsplan kann auch weitere und/oder andere Informationen enthalten, wie z. B. über welchen Zeitraum ein Strahlenbündel 5 auf einen Punkt einwirken soll, eine Leistungsanforderung an die Strahlenquelle 10 oder ähnliches). Die Steuereinrichtung 75 kann dann aus der Geometrie des Werkstücks und dem Bearbeitungsplan einen Ziel-Divergenzänderungswert (bzw. mehrere) und gleichzeitig einen ziel-Strahllage-und-Richtung-Wert (bzw. mehrere) errechnen und die Divergenzänderungsvorrichtung 1 so steuern, dass der Bearbeitungsplan erfüllt wird.
  • Die Steuereinrichtung 75 kann auch mit anderen Komponenten verbunden sein, um diese zu Steuern, z. B. mit der Strahlenquelle 10 oder einer Blende bzw. einem „Pulspicker” zur kurzzeitigen Unterbrechung des Strahlengangs zwischen Strahlenquelle 10 und einem Werkstück, oder mit weiteren Strahlablenkvorrichtungen.
  • In anderen Worten kann die Steuereinrichtung 75 3D-Koordinaten verarbeiten und kann diese Koordinaten z. B. über Koordinatentransformationen und Korrekturtabellen in Ansteuerwerte für die erste und die zweite Strahlablenkvorrichtung 30, 50 und/oder die Strahlenquelle 10 (und ein optional bereitgestelltes 1D- oder 2D-Strahlablenksystem) umrechnen und dann die Divergenzänderung (und optional auch weitere Komponenten die das 1D- bzw. 2D-Strahlablenksystem) entsprechend steuern.
  • Sei ein erster Winkel zwischen dem Hauptstrahl 6 des auf die erste Strahlablenkvorrichtung 30 treffenden Strahlenbündels 5 und dem Hauptstrahl 6 des die erste Strahlablenkvorrichtung 30 verlassenden Strahlenbündels 5 definiert. Sei ein zweiter Winkel zwischen dem Hauptstrahl 6 des auf die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 treffenden Strahlenbündels 5 und dem Hauptstrahl 6 des davon ausfallenden Strahlenbündels 5 definiert. Die Steuereinrichtung 75 kann dann den ersten Winkel so einstellen, dass eine gewünschte Divergenzänderung erzeugt wird und kann den zweiten Winkel so einstellen, dass die Strahllage (d. h. z. B. die Lage des Hauptstrahls 6) des von der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 abgelenkten Strahlenbündels 5 im Wesentlichen unabhängig ist von der Divergenzänderung. Der zweite Winkel kann in Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise so eingestellt werden, dass er gleich dem ersten Winkel ist, oder so, dass er gleich dem ersten Winkel plus einer Konstanten und/oder einer Variablen ist, wobei die Konstante und/oder die Variable ein positives Vorzeichen oder ein negatives Vorzeichen haben kann.
  • In anderen Worten kann, wie es oben erwähnt ist, die zweite Strahlablenkvorichtung 50 auch so ausgeführt sein, dass sie eine ein- oder zweidimensionale variable einstellbare Ablenkung des Strahlenbündels 5 ermöglicht, wobei ein Teil einer Richtungskomponente(n) dieser Ablenkung zu o. g. Kompensationszwecken dient und der verbleibende Teil eine zusätzliche, ggf. einstellbare, ein- oder zweidimensionale Ablenkung des Strahlenbündels 5 darstellt.
  • Die Steuereinrichtung (z. B. Regelungseinrichtung) 75 kann eine Regelung durchführen unter Einbeziehung einer gemessenen Strahlposition/Strahllage als Rückführgröße. Zum Detektieren/Messen der Strahlposition bzw. der Strahllage kann die Divergenzänderungsvorrichtung 1 eine Strahllage-Messeinrichtung 70 (Strahlposition-Messeinrichtung) aufweisen.
  • Die Strahllage-Messeinrichtung 70 kann dazu eingerichtet sein, die Position und/oder die Lage eines Strahlenbündels 5 zu messen und eine Information an die Steuereinrichtung 75 bereitzustellen, die der gemessenen Position und/oder Lage entspricht.
  • Eine (d. h. z. B. jede oder eine) Strahlablenkvorrichtung 30, 50 kann ein drehbarer Spiegel 30, 50 mit einem Freiheitsgrad sein (d. h. zum Beispiel, dass er eine Drehachse haben kann). Zur Drehung des drehbaren Spiegels 30, 50 kann dieser mit jeweils einem Aktuator (z. B. drehfest) verbunden sein. Ein Aktuator kann z. B. ein Scanner oder ein Galvanometer-Antrieb sein, die eine schnelle Drehung des drehbaren Spiegels 30, 50 ermöglichen können. Eine Strahlablenkvorrichtung 30, 50 kann ein Galvanometer-Scanner sein, der einen Spiegel, der mit einem Galvanometer-Antrieb drehbar verbunden ist, aufweist.
  • Eine Strahlablenkvorrichtung 30, 50 kann auch ein drehbarer Spiegel 30, 50 mit zwei Freiheitsgraden sein (d. h. zum Beispiel, dass er zwei voneinander unabhängige Drehachsen haben kann). Zur Drehung des drehbaren Spiegels 30, 50 kann dieser mit jeweils zwei Aktuatoren (z. B. drehfest) verbunden sein. Eine zweidimensionale Strahlablenkvorrichtung (d. h. eine Strahlablenkvorrichtung, die ein Strahlenbündel einstellbar in zwei voneinander unabhängigen Raumrichtungen einstellen kann, kann auch durch zwei, seriell in einem Strahlangang angeordnete, ein-dimensionale Strahlablenkvorrichtungen bereitgestellt sein.
  • Eine Strahlablenkvorrichtung 30, 50 kann z. B. auch eine akusto-optische Strahlablenkvorrichtung sein, eine elektro-optische Strahlablenkvorrichtung oder eine piezo-elektrisch angetriebene Strahlablenkvorrichtung sein oder eine dieser zusätzlich oder als Alternative aufweisen.
  • Die erste 30 und die zweite 50 Strahlablenkvorrichtung können gleich ausgebildet sein oder sie können unterschiedlich ausgeführt sein, d. h. es ist jede Kombination aus gleichen oder unterschiedlichen der oben genannten und anderer Strahlablenkvorrichtungen gemäß der Erfindung möglich.
  • Die erste 30 und die zweite 50 Strahlablenkvorrichtung können so ausgebildet und angeordnet sein, dass sie beide eine Strahlablenkung in der gleichen Raumdimension durchführen, z. B. in der gleichen Ebene oder in parallelen Ebenen. Wenn die erste 30 und die zweite 50 Strahlablenkvorrichtung jeweils als Drehspiegel ausgebildet sind, können sie z. B. Drehachsen haben, die parallel zueinander sind und einen Abstand zueinander haben.
  • Ein optisches System 15 kann gemäß der Erfindung jedes optische System sein, das zwei bestimmte Punkte aufeinander abbildet und dessen Abbildungseigenschaften (Ablenkungseigenschaften), insbesondere die Änderung der Strahldivergenz, abhängig sind einem von dem Einfallwinkel und/oder von dem Einfallsort eines Strahls auf das optische System, wobei ein Hauptstrahl der aus Richtung eines der beiden Punkte auf das optische System fällt in Richtung des anderen der beiden Punkte abgebildet wird.
  • Wie hierin beschrieben ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mittels telezentrischer Anordnungen realisiert sein oder mittels eines optischen Systems, das keine telezentrische Anordnung aufweist. Eine telezentrische (optische) Anordnung wird als eine Anordnung mit einer telezentrischen Abbildungseigenschaft angesehen. Eine telezentrische Abbildungseigenschaft liegt zum Beispiel dann vor, wenn ein (Einzel-)Strahl, der durch den ersten (Brenn-)Punkt 16 auf den ersten Systembereich 17 des optischen Systems 15 trifft, unabhängig von dem Einfallwinkel und/oder der Position, mit dem bzw. in der er auf das optische System 15 trifft, in eine konstante Richtung abgelenkt wird. Anders ausgedrückt werden bei einer telezentrischen Abbildung Strahlen, die durch den ersten (Brenn-)Punkt 16 verlaufen und auf den ersten Systembereich 17 treffen, parallel zueinander in eine Richtung abgelenkt, die unabhängig von dem Einfallswinkel oder der Einfallposition auf das den ersten Systembereich 17 ist. Strahlen, die nicht durch den (Brenn-)Punkt 16 laufen und auf den ersten Systembereich 17 treffen, werden in einem Winkel zu Strahlen abgebildet, die durch den (Brenn-)Punkt 16 auf den Systembereich 17 treffen, wobei der Winkel abhängig ist von dem Auftreffwinkel/ort des nicht durch den (Brenn-)Punkt 16 laufenden Strahls. Der erste Systembereich 17 kann so ausgeführt sein, dass er Abbildungseigenschaften aufweist, die denen eines Parabolspiegels entsprechen (z. B. kann ein einfallendes Strahlenbündel bezüglich seiner Divergenz so abgebildet werden, als ob es an einem Parabolspiegel reflektiert worden wäre).
  • Die obige Erklärung trifft analog zu dem ersten (Brenn-)Punkt 16 und dem ersten Systembereich 17 auch auf den zweiten (Brenn-)Punkt 36 und den zweiten Systembereich 18 zu, die zusammen eine telezentrische Anordnung bilden, die wie die mit Bezug auf den ersten (Brenn-)Punkt 16 und den ersten Systembereich 17 beschriebene telezentrische Anordnung wirkt.
  • Die Ausführungsformen, die aus zwei telezentrischen Anordnungen aufgebaut sind, die außerdem zueinander identisch sind, erfüllen die Voraussetzung, dass sie durch eine Reflexion gefaltet werden können, da die Anordnungen und der Strahlverlauf der Hauptstrahlen symmetrisch sind.
  • Im Folgenden werden zahlreiche Ausführungsformen beschrieben. Dabei ist zu beachten, dass grundsätzliche alle Merkmale der Ausführungsformen miteinander kombinierbar sind, insbesondere was die Ausführung und das Zusammenwirken des optischen Systems sowie der Strahlablenkvorrichtungen und der Steuereinrichtung betrifft. Ebenso sind nicht alle in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale unbedingt notwendig zur Ausführung der Erfindung, sondern die Ausführungsformen können Merkmale und Eigenschaften haben, die optionale Zusatzaspekte sind und die Erfindung kann eine Kombination oder Unterkombination von Ausführungsformen sein. Es wird darauf hingewiesen, dass explizit beschrieben wird, wenn Ausführungsformen oder Aspekte dieser nicht kombinierbar sind oder für sich genommen keine eigenständige Untermenge der Erfindung bilden können.
  • Mit Bezug auf die 1 und 2 werden Ausführungsformen beschrieben, bei denen das optische System 15 mit einem ersten und einem zweiten Systembereich 17, 18 ausgebildet ist, wobei die Ausführungsformen jeweils zwei telezentrische Anordnungen aufweisen. Gemäß den 1 und 2 besteht eine telezentrische Anordnung aus jeweils einem Systembereich 17, 18 und jeweils einer Strahlablenkvorrichtung 30, 50, die in einem Punkt 16, 36 angeordnet ist, der gleichzeitig ein Brennpunkt (16, 36) des Systembereichs (17 bzw. 18) ist. Die Zusammensetzung des optischen Systems aus zwei Systembereichen, die jeweils mit einer Strahlablenkung eine telezentrische Anordnung bilden, ist eine Ausführungsvariante der Erfindung. Daneben sind auch andere Varianten möglich, bei denen die beiden Systembereiche keine telezentrischen Anordnungen bilden und der Strahlverlauf nicht symmetrisch ist und auch nicht parallel zur optischen Achse verlaufen muss. Ein Beispiel hierzu ist in 3 dargestellt.
  • Gemäß den dargestellten Ausführungsformen sind die Strahlablenkvorrichtungen 30, 50 als jeweils ein Drehspiegel 30, 50 ausgebildet. Ein Drehspiegel ist hierin eine drehbare Spiegelfläche, die mit einer Vorrichtung zum Einstellen des Drehwinkels der drehbaren Spiegelfläche verbunden sein kann. Wenn, wie es im Folgenden beschrieben ist, ein Strahl oder ein Strahlenbündel von einem Drehspiegel abgelenkt wird oder mit diesem auf andere Art und Weise interagiert, so geschieht dies mittels einer Spiegelfläche des Drehspiegels. Wenn die Anordnung eines Drehspiegels beschrieben ist (zum Beispiel relativ zu einem bestimmten Punkt), so bezieht sich die Beschreibung ebenfalls auf die Spiegelfläche des Drehspiegels. Eine Spiegelfläche kann dabei eine plane Spiegelfläche sein oder eine gekrümmte Spiegelfläche, wie z. B. eine Freiform-Spiegelfläche, eine parabel- oder paraboloidförmige Spiegelfläche oder eine sphärische Spiegelfläche. Eine gekrümmte Spiegelfläche kann z. B. so ausgebildet und angeordnet sein, dass sie Abbildungsfehler, die durch die Komponenten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 (z. B. durch das optische System 15) verursacht werden, kompensieren bzw. zumindest teilweise kompensieren kann.
  • Wenn erfindungsgemäß ein Strahlenbündel 5 durch einen ersten Systembereich 17 oder den zweiten Systembereich 18 des optischen Systems 15 als ein konvergentes Strahlenbündel 5 abgebildet wird, kann dieses konvergente Strahlenbündel 5 einen Fokuspunkt 5a oder eine Fokuslinie 5a ausbilden. Das optische Systems kann in diesem Fall also durch einen ersten Systembereich 17 und einen zweiten Systembereich 18 beschrieben werden, wobei die beiden Systembereiche 17,18 auf verschiedenen Seiten des Zwischenfokus (z. B. Fokuspunkt 5a) liegen.
  • Der Fokuspunkt 5a kann der Punkt sein, an dem mehrere (z. B. alle) Strahlen des konvergenten Strahlenbündels 5 zusammenlaufen. Wenn z. B. ein Fokuspunkt 5a nach der zweiten Strahlablenkvorrichtung 5a auftritt, kann er als Arbeits-Fokuspunkt zur Interaktion (z. B. Energieübertragung) mit einem Werkstück dienen.
  • Die Fokuslinie 5a kann eine Linie sein, die auftritt, wenn z. B. die Ausbildung des Fokuspunkts 5a durch Elemente im Strahlgang vor und/oder innerhalb und/oder nach der Divergenzänderungsvorrichtung verhindert wird, wie es z. B. der Fall sein kann, wenn das optische System 15 erfindungsgemäß zusätzliche optische Elemente mit zylindrischen Abbildungseigenschaften wie z. B. Zylinderlinsen oder zusätzliche Parabelspiegel aufweist (bzw. entsprechend ausgebildet ist). Bei der Bereitstellung von optischen Elementen mit zylindrischer Abbildungseigenschaft kann zum Beispiel ein im Wesentliches kreisscheibenförmiges, auf einen Punkt konvergierendes Strahlenbündel 5 so abgebildet werden, dass es auf eine Linie konvergiert. Ein weiteres optisches Element kann bereitgestellt sein, dass die zylindrische Abbildung im Wesentlichen kompensiert und durch entsprechende Abbildung wieder ein im Wesentlichen kreisförmiges Strahlenbündel 5 bereitzustellen. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im Folgenden der Begriff „Fokuspunkt” sowohl für den Fokuspunkt 5a als auch für die Fokuslinie 5a benutzt.
  • Der Fokuspunkt 5a muss auch nicht als exakter Punkt ausgebildet sein, sondern kann aufgrund der Abbildungsfehler, die durch den ersten Systembereich 17 verursacht werden, auch unscharf ausgebildet werden. Die Abbildungsfehler können z. B. durch eine geeignete (z. B. symmetrische) Führung des Strahls durch den zweiten Systembereich 18 wieder zumindest teilweise kompensiert werden. Ein optisches System 15, das als Reflexionssystem 20 ausgebildet ist, kann bei manchen Anwendungen vorteilhaft sein, da keine bzw. weniger chromatische Aberrationen/Abbildungsfehler erzeugt werden, als es bei einen optischen System 15, das als Brechungssystem 25 ausgebildet ist, der Fall sein kann. Bei der Ausbildung eines unscharfen „Fokuspunktes” 5a, d. h. eines Fokuspunktes mit größerer räumlicher Ausdehnung (also auch bei einer Fokuslinie), ist die optische Leistungsdichte im Bereich des Fokuspunkts 5a vermindert, was zum Beispiel in Verbindung mit Strahlquellen 10 mit hoher Leistungsdichte vorteilhaft ist. Gemäß der Erfindung kann durch die Abbildung mittels des ersten Systembereichs 17 ein unscharfer Fokuspunkt 5a ausgebildet werden und die unscharfe Abbildung kann durch eine Abbildung mittels des zweiten Systembereichs 18 kompensiert sein. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der erste 17 und zweite 18 Systembereich gleichartig und/oder symmetrisch aufgebaut sind, da dann die durch den ersten Systembereich 17 verursachte unscharfe Abbildung des Fokuspunktes 5a mittels des zweiten Systembereichs 18 durch eine funktional im Wesentlichen umgekehrte Abbildung kompensiert sein kann.
  • Die Fokuspunkte 5a können in Abhängigkeit des Auftreffwinkels/orts des Strahlenbündels 5 auf den ersten Systembereich 17 des optischen Systems 15 auf einer ersten Fokusfläche angeordnet sein, d. h. ein Fokuspunkt 5a kann je nach dem Auftreffwinkel/ort des Strahlenbündels 5a auf das optische System 15 auf einer anderen Position in der ersten Fokusfläche angeordnet sein. Eine Fokusfläche kann eine gekrümmte Fokusfläche oder eine ebene Fokusfläche (Fokusebene) sein.
  • Gemäß der Erfindung kann das optische System 15 so eingerichtet sein, dass die Fokuspunkte 5a aller Strahlenbündel 5, deren Hauptstrahl 6 über den ersten Punkt 16 (oder einen Punkt nahe dazu) auf den ersten Systembereich 17 des optischen Systems 15 trifft, und die durch den ersten Systembereich 17 des optischen Systems 15 abgebildet werden, auf einer ersten Fokusfläche 17a liegen. Die Eigenschaften und die Lage der ersten Fokusfläche 17a sind eine Folge der optischen Eigenschaften des optischen Systems 15. Das optische System 15 kann so ausgebildet sein, dass die erste Fokusfläche 17a eine gekrümmte Fokusfläche 17a ist oder sie kann eine im Bezug auf eine optische Achse des optischen Systems 15 verkippte erste Fokusebene 17a sein (zum Beispiel kann die verkippte Fokusebene so ausgebildet sein, dass der Hauptstrahl 6 eines von dem ersten Systembereich 17 des optischen Systems 15 abgebildeten Strahlenbündels 5 die verkippte erste Fokusebene 17a unabhängig von dem Einfallswinkel des Strahlenbündels 5 auf den ersten Systembereich 17 des optischen Systems 15 in einer Richtung trifft, die nicht die Normalenrichtung der verkippten ersten Fokusebene 17a ist) oder sie kann eine andere erste Fokusebene 15a sein.
  • Die Krümmung der gekrümmten ersten Fokusfläche 17a kann durch die Ausbildung des optischen Systems 15 verursacht sein und kann z. B. eine Parabel-förmig gekrümmte Fokusfläche 17a sein und/oder eine Paraboloid-förmige gekrümmte Fokusfläche 17a sein. Die gekrümmte erste Fokusfläche 17a kann bei entsprechender Ausbildung des optischen, Systems 15 auch andere Formen annehmen, z. B. kann die gekrümmte Fokusfläche 17a auch durch eine Funktion (z. B. ein Polynom) mit einem anderen Exponenten als zwei (wie im Falle der Parabel) definiert sein, z. B. kann der Exponent 4 oder 6 (oder z. B. 3 oder 5) sein und/oder kann auch ein rationaler Wert im Bereich von 2 bis 6 sein. Auch Parameter wie der Parabelparameter oder andere Parameter einer Funktion, die die gekrümmte erste Fokusfläche 17a definiert, können frei wählbar sein.
  • Die oben mit Bezug auf den ersten Punkt 16, den ersten Systembereich 17 und die erste Strahlablenkvorrichtung 30 beschriebe Eigenschaft der optischen Anordnung, dass die Fokuspunkte 5a eines abgebildeten Strahlenbündes 5 auf einer gekrümmten Fokusfläche oder einer gekippten Fokusebene liegen können, wird hierin als Feldkrümmung bezeichnet.
  • Auch die Anordnung, die durch die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 und den zweiten Systembereich 18 bereitgestellt ist, kann eine Feldkrümmung aufweisen (die in diesem Fall eine gegenstandsseitige Feldkrümmung ist im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen bildseitigen Feldkrümmung des ersten Systembereichs 17),. Die Feldkrümmung kann für beide Anordnungen gleichartig sein, d. h. sie kann jeweils eine gekrümmte Fokusfläche oder eine verkippte Fokusfläche mit gleichen oder unterschiedlichen Flächeneigenschaften sein, oder die Feldkrümmung kann verschiedenartig sein, d. h. zum Beispiel dass einSystembereich eine gekrümmte Fokusfläche aufweisen kann und ein weiterer Systembereich eine verkippte Fokusfläche aufweisen kann.
  • Es ist gemäß der Erfindung ausreichend, wenn ein einziger Systembereich eine gekrümmte oder verkippte Fokusfläche bereitstellt, es können jedoch auch beide Systembereiche eine gekrümmte/verkippte Fokusfläche bereitstellen. Die in den Figuren dargestellten Fokusebenen 17a und 18a sind qualitative, schematische Darstellungen und die Fokusebenen können auch andere Formen und Krümmungen aufweisen.
  • Der erste Systembereich 17 und der zweite Systembereich 18 können so angeordnet sein, dass die erste Fokusfläche 17a und die zweite Fokusfläche 18a beide zwischen dem ersten Systembereich 17 und dem zweiten Systembereich 18 liegen.
  • Die erste und die zweite Fokusfläche 17a, 18a können sich schneiden, zum Beispiel in einem Punkt oder in mehreren Punkten oder einer Linie, oder die Fokusflächen können sich nicht schneiden und einen Abstand zueinander haben.
  • Das Durchlaufen beider Fokusebenen 17a, 18a kann in Divergenzänderungsvorrichtungen, zu einer Divergenzänderung führen, wie es im Folgenden detaillierter beschrieben ist.
  • Für ein Strahlenbündel 5 im Strahlengang der Divergenzänderungsvorrichtung 1 ist der Abstand der ersten Fokusfläche 17a zu der zweiten Fokusfläche 18a aufgrund der Verkippung/Krümmung der Fokusflächen abhängig von dem Auftreffort/-winkel des Strahlenbündels 5 auf den ersten Systembereich 17.
  • Anders ausgedrückt kann durch die Krümmung oder Verkippung der Fokusflächen 17a, 18a und des daraus resultierenden, unterschiedlichen Abstands zwischen diesen bzw. durch den unterschiedlichen Abstand von einer Fokusfläche eines Systembereichs zu dem anderen Systembereich erreicht werden, dass die Divergenzänderung (zumindest ein variabler Anteil der Divergenzänderung) des Strahlbündels 5, die während des Passierens durch die Divergenzänderungsvorrichtung 1 in Summe auftritt, von dem eingestellten Ablenkwinkel der Strahlablenkvorrichtung 30 abhängt.
  • Beispielsweise liegt in den Ausführungsformen, bei denen ein reeller (d. h. tatsächlicher) Fokuspunkt 5a (Zwischenfokus) oder eine reelle Fokuslinie 5a (Zwischenlinienfokus) zwischen dem ersten und dem zweiten Systembereich 17, 18 entsteht, die Ursache für die Veränderung der Divergenz in der einstellbaren Weglänge des Wegs entlang des Hauptstrahls 6 vom Fokuspunkt 5a bis zum zweiten Systembereich 18 (wird der Fokuspunkt bzw. die Fokuslinie 5a nur virtuell ausgebildet, gilt die Beschreibung analog). Diese Weglänge variiert aufgrund der Krümmung bzw. Verkippung der ersten Fokusfläche 17a und kann durch die Wahl eines Ablenkwinkels der Strahlablenkvorrichtung 30 eingestellt werden. Hierdurch wird der Fokuspunkt 5a durch den zweiten System-Bereich 18 auf Punkte in unterschiedlichen (positiven oder negativen) Abständen abgebildet, was unterschiedlichen Divergenzwinkeln entspricht. Hierzu ist erforderlich, dass die Abbildungseigenschaften des zweiten Systembereichs 18 die Krümmung oder Verkippung der Fokusfläche 17a, die durch den ersten Systembereich 17 verursacht ist, nicht voll kompensiert (zum Beispiel sogar verstärkt), In den in den 1 und 2 gezeigten Divergenzänderungsvorrichtungen 1 kann dies beispielsweise dann der Fall sein, wenn gleichartige erste und zweite Systembereiche 17 und 18 verwendet werden, also zum Beispiel zwei symmetrische oder ähnliche (z. B. skalierte) Objektivhälften/Linsen oder gleich orientierte Paraboloidsegmente sind, und der Fokuspunkt 5a an einem Punkt ausgebildet ist, der nicht ein Schnittpunkt der ersten 17a und der zweiten Fokusfläche 18a ist. Sollte der Fokuspunkt 5a in einem Schnittpunkt der Fokusflächen 17a, 18a gebildet sein und der erste Systembereich 17 und der zweite Systembereich 18 gleiche optische Eigenschaften aufweisen, findet keine Divergenzänderung statt.
  • In der in der 1 dargestellten Ausführungsform ist das optische System 15 mit zwei Systembereichen 17, 18 ausgebildet, die beide als transmissive Brechungssystembereiche 17, 18 ausgebildet sind, so dass auch das optische System 15 ein transmissives optisches System 15 ist. Der erste Systembereich 17 und der zweite Systembereich 18 sind so angeordnet und eingerichtet, dass sie auf einer optischen Achse angeordnet sind, die auch die optische Achse des optischen Systems 15 ist, und mit der ersten und zweiten Strahlablenkvorrichtung jeweils eine telezentrische Anordnung bilden. Die beiden telezentrischen Anordnungen sind einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die erste 30 und die zweite 50 Strahlablenkvorrichtung sind jeweils als erster 30 beziehungsweise als zweiter 50 Drehspiegel ausgebildet und im ersten 16 beziehungsweise im zweiten 36 Punkt angeordnet, die hier (wegen der telezentrische Anordnung) gleichzeitig Brennpunkte des ersten Systembereichs 17 bzw. des zweiten Systembereichs 18 sind. Der erste Systembereich 17 ist so ausgebildet, dass er zusammen mit dem ersten Drehspiegel 30, der in dem ersten (Brenn-)punkt 16 angeordnet ist, eine einseitige telezentrische Anordnung bildet. Der zweite Systembereich 18 ist so ausgebildet, dass er zusammen mit dem zweiten Drehspiegel 30, der in dem zweiten (Brenn-)punkt 36 angeordnet ist, eine einseitige telezentrische Anordnung bildet. Beide telezentrischen Anordnungen weisen jeweils eine Feldkrümmung auf, wobei die Feldkrümmungen in der 1 durch die erste Fokusfläche 17a und die zweite Fokusfläche 18a veranschaulicht sind. Hier schneiden sich die erste und die zweite Fokusfläche 17a, 18a in Schnittpunkten, die eine kreisförmige Schnittlinie bilden, wobei die optischen Eigenschaften der ersten telezentrischen Anordnung und der zweiten telezentrischen Anordnung gleich sind, so dass sich die Schnittpunkte im Bezug auf die optische Achse des optischen Systems 15 für einen durch einen Schnittpunkt laufenden Hauptstrahl 6 mittig zwischen dem ersten Systembereich 17 und dem zweiten Systembereich 18 befinden, so dass der Abstand von dem ersten Systembereich 17 zu einem Schnittpunkt der Fokusflächen 17a, 18a gleich dem Abstand von diesem Schnittpunkt zu dem zweiten Systembereich 18 ist.
  • Gemäß der 1 ist die Divergenzänderungsvorrichtung 1 so eingerichtet und angeordnet, dass ein Strahlenbündel 5 von der Strahlenquelle 10 auf den ersten Drehspiegel 30 trifft, wobei der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5 im ersten (Brenn-)Punkt 16 oder nahe dazu auf den ersten Drehspiegel 30 trifft. Von dem ersten Drehspiegel 30 ist das Strahlenbündel 5 dem optischen System 15 mit unterschiedlichen, wählbaren Winkeln bzw. an unterschiedlichen Positionen zuführbar, so dass das Strahlenbündel 5 das optische System 15 an unterschiedlichen Position und mit unterschiedlichen Winkeln erreicht. Das Strahlenbündel 5 wird mittels des ersten Systembereichs 17 telezentrisch gebrochen (abgebildet), so dass die Hauptstrahlen 6 der mit unterschiedlichen Winkeln zugeführten Strahlenbündel 5 parallel zueinander und parallel zur optischen Achse des optischen Systems 15 abgebildet werden und je nach Winkel einen Abstand zueinander haben. Die Nebenstrahlen werden in einem Winkel zu dem Hauptstrahl 6 abgebildet, der abhängig ist von dem Auftreffwinkel/-ort des Strahlenbündels 5 auf das optische System 15, so dass folglich die Divergenz des abgebildeten Strahlenbündels 5 abhängig ist von dem Auftreffwinkel/-ort des Strahlenbündels 5 auf den ersten Systembereich 17.
  • Das von dem ersten Systembereich 17 abgebildete Strahlenbündel 5 trifft auf den zweiten Systembereich 18, so dass der Hauptstrahl 6 parallel zur optischen Achse des optischen Systems 15 (d. h. hier auch der optischen Achse des zweiten Systembereichs 18) auf den zweiten Systembereich 18 trifft. Von dem zweiten Systembereich 18 wird das Strahlenbündel 5 funktional-umgekehrt telezentrisch abgebildet, so dass der Hauptstrahl 6 in Richtung des zweiten (Brenn-)Punkts 36 abgebildet wird und auch die Nebenstrahlen abgebildet werden.
  • Die Abbildung durch den ersten Systembereich 17 und den zweiten Systembereich 18 kann zu einer Divergenzänderung des Strahlenbündels 5 führen bei der der Hauptstrahl 6 des abgebildeten Strahlenbündels 5 unabhängig von der Divergenzänderung immer in Richtung des zweiten (Brenn-)Punkts 36 abgebildet wird. Wenn wie oben beschrieben der Hauptstrahl 6 durch einen Schnittpunkt der ersten und zweiten Fokusebene 17a, 18a läuft, der erste Systembereich 17 und der zweite Systembereich 18 die gleichen optischen Eigenschaften haben und das auf den ersten Systembereich 17 einfallende Strahlenbündel 5 bezüglich des Hauptstrahls 6 symmetrisch ist, muss keine Divergenzänderung des Strahlenbündels 5 auftreten, aber der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels kann in Richtung des zweiten (Brenn-)Punkts 36 abgelenkt werden.
  • Das vom zweiten Systembereich 18 abgebildete Strahlenbündel 5 trifft auf den zweiten Drehspiegel 50, wobei der Hauptstrahl 6 im zweiten (Brenn-)Punkt 36 auf den zweiten Drehspiegel 50 trifft. Der Winkel, mit dem der Hauptstrahl 6 auf den zweiten (Brenn-)Punkt 36 trifft (der zum Beispiel bezüglich der optischen Achse des optischen Systems 15 und dem Hauptstrahl 6 definiert sein kann) ist abhängig von dem an der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 (hier erster Drehspiegel 30) eingestellten Ablenkwinkel und der dadurch eingestellten Divergenzänderung. Gemäß der Erfindung kann der zweite Drehspiegel 50 so gesteuert werden, dass der Winkel des Hauptstrahls 6, der von dem zweiten Drehspiegel 50 abgelenkt wird, im Wesentlichen konstant und unabhängig ist von der Divergenzänderung des Strahlenbündels 5. Bei einem im Wesentlichen symmetrischen Aufbau wie er in der 1 dargestellt ist, kann der Betrag des Drehwinkel des zweiten Drehspiegels 50, der notwendig ist, um die Lage des Hauptstrahls 6 des ausfallenden Strahlenbündels 5 konstant zu halten, dem Betrag des Drehwinkels des ersten Drehspiegels 30 entsprechen.
  • In den 1 sind zwei unterschiedliche Zustände der Divergenzänderungsvorrichtung 1 dargestellt, wobei ein erster Zustand durch nicht-unterbrochene Linien dargestellt ist und ein zweiter Zustand durch Punkt-Linien dargestellt ist.
  • In dem ersten Zustand in der 1 wird das Strahlenbündel 5 mittels des ersten Drehspiegels 30 so abgelenkt, dass nach der Abbildung durch den ersten Systembereich 17 ein Fokuspunkt 5a ausgebildet wird, der in einem Schnittpunkt von erster 17a und zweiter 18a Fokusfläche auf halber Distanz zwischen dem ersten 17 und dem zweiten 18 Systembereich liegt. Aus diesem Grund und da der erste und der zweite Systembereich 17, 18 gleiche optische Eigenschaften haben und das Strahlenbündel 5 bezüglich des Hauptstrahls 6 symmetrisch ist, findet keine Änderung der Divergenz durch das optische System 15 statt.
  • In dem zweiten Zustand, der in der 1 gezeigt ist, wird das Strahlenbündel 5 dem ersten Systembereich 17 mittels des ersten Drehspiegels 30 so zugeführt, dass ein Fokuspunkt 5a auf einer Position auf der ersten Fokusfläche gebildet wird, die nicht auf halbem Weg des Hauptstrahls 6 zwischen dem ersten 17 und dem zweiten Systembereich 18 angeordnet ist. Aufgrund der gleichen optischen Eigenschaften des ersten Systembereichs 17 und des zweiten Systembereichs 18 und des unterschiedlichen Abstandes des Fokuspunktes 5a von dem ersten Systembereich 17 und dem zweiten Systembereich 18 findet eine Änderung der Divergenz des Strahlenbündels 5 statt.
  • Um die Lage des Hauptstrahls 6 des Strahlenbündels 5 (und damit des Strahlenbündels 5), das von der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 abgelenkt wird, konstant zu halten, kann der Drehwinkel des zweiten Drehspiegels 50, der in der 1 als β bezeichnet ist, in Abhängigkeit des Drehwinkels des ersten Drehspiegels 30, der in der 1 als α bezeichnet ist, eingestellt werden. Bezüglich einer gedachten Achse, die den ersten (Brenn-)Punkt 16 mit dem zweiten (Brenn-)Punkt 36 verbindet, kann der Betrag des Winkels β so eingestellt werden, dass er dem Betrag des Winkels α entspricht. Werden die Winkel α und β gleichsinnig mit Bezug auf die Achse zwischen dem ersten und dem zweiten (Brenn-)Punkt 16, 36 gezählt, kann der Winkel β dem Winkel 360° – α entsprechen oder es kann noch ein fester und/oder variabler Wert addiert oder subtrahiert werden. Ein fester Wert kann zum Beispiel einen festen Offset repräsentieren und ein variabler Wert kann auf Basis einer Rückführgröße mittels eines Regelungsverfahrens (siehe unten) erzeugt sein.
  • Die 2a und 2b zeigen eine Divergenzänderungsvorrichtung 1, bei der das optische System 15 als ein reflexives optisches System 15 (z. B. optisches Reflexionssystem 15) ausgebildet ist, aber ansonsten zu der in der 1 gezeigten Divergenzänderungsvorrichtung 1 ähnlich ist. Der erste Systembereich 17 ist als ein erster Parabolspiegel 17 ausgebildet, der zusammen mit der ersten Strahlablenkvorrichtung 30, die als ein erster Drehspiegel 30 ausgebildet ist, der im ersten (Brenn-)Punkt 16 des optischen Systems 15 angeordnet ist, eine telezentrische Anordnung mit Feldkrümmung, d. h. mit einer ersten gekrümmten Fokusfläche 17a, bildet. Der zweite Systembereich 18 ist als ein zweiter Parabolspiegel 18 ausgebildet, der zusammen mit der zweiten Strahlenablenkvorrichtung 50, die hier als ein zweiter Drehspiegel 50 ausgebildet ist, der im zweiten (Brenn-)Punkt 36 angeordnet ist, eine zweite telezentrische Anordnung mit Feldkrümmung, d. h. mit einer zweiten gekrümmten Fokusfläche 18a bildet. Wie es in den 2a/b gezeigt ist, scheidet die erste Fokusfläche 17a die zweite Fokusfläche 18a an Punkten, die für einen Hauptstrahl 6, der die Divergenzänderungsvorrichtung 1 durchläuft, auf halben Weg zwischen dem ersten Systembereich 17 und dem zweiten Systembereich 18 liegt. Obwohl in den 2a/b aufgrund der zweidimensionalen Darstellung nur ein Schnittpunkt gezeigt ist, können sich die erste und zweite Fokusfläche 17a, 18a auch entlang einer Schnittline scheiden.
  • Die optische Achse des ersten Parabolspiegels 17 und die optische Achse des zweiten Parabolspiegels 18 sind hier kollinear, können jedoch auch parallel im Abstand zueinander sein.
  • Gemäß den 2a und 2b trifft ein von der Strahlenquelle 10 kommendes Strahlenbündel 5 auf den ersten Drehspiegel 30, wobei der Hauptstrahl 6 im ersten (Brenn-)Punkt 16 auf den ersten Drehspiegel 30 trifft und die Nebenstrahlen auf den ersten Drehspiegel 30 treffen. In Abhängigkeit des ersten Drehwinkels α des ersten Drehspiegels 30 kann das Strahlenbündel 5 dem ersten Parabolspiegel an verschiedenen Positionen und mit verschiedenen Winkeln zugeführt werden. Das Strahlenbündel 5 wird dann vom ersten Parabolspiegel 17 telezentrisch mit einer Divergenz, die anders (d. h. z. B. größer oder kleiner; hier kleiner) ist als die Divergenz des Strahlenbündels 5 vor der Abbildung, abgebildet. Das heißt, die Richtung des Hauptstrahls 6 ist im Wesentlichen unabhängig von dem Einfallwinkel/ort des Strahlenbündels 5 auf den ersten Parabolspiegel 17, jedoch ist der Winkel, den die Nebenstrahlen mit dem Hauptstrahl 6 definieren, abhängig von dem Einfallwinkel/ort, so dass die Divergenz des Strahlenbündels 5 einstellbar ist in Abhängigkeit des ersten Drehwinkels α. Von dem ersten Parabolspiegel 17 trifft das Strahlenbündel 5 auf den zweiten Parabolspiegel 18 und wird von diesem umgekehrt-telezentrisch in Richtung des zweiten (Brenn-)Punkts 36 abgebildet. Das von dem zweiten Parabolspiegel abgebildete Strahlenbündel 5 trifft auf den zweiten Drehspiegel 50, wobei der Hauptstrahl 6 den zweiten Drehspiegel 50 im zweiten (Brenn-)Punkt 36 trifft und die Nebenstrahlen zumindest teilweise auf den zweiten Drehspiegel 50 treffen. Wie mit Bezug auf 1 beschrieben, kann die Lage des von dem zweiten Drehspiegel 50 abgelenkten Hauptstrahls 6 mittels der Einstellung des zweiten Drehwinkels β unabhängig von der Divergenzänderung des Strahlenbündels 5 konstant gehalten werden. Die oben beschrieben Zusammenhänge bezüglich der Wahl des Winkels β in Abhängigkeit des Winkels α, so dass die Lage des von dem zweiten Drehspiegel 50 abgelenkten Hauptstrahls 6 konstant bleibt, treffen auch auf diese Ausführungsform zu.
  • Die 3a zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in der das optische System 15 als ein transmissives optisches System ausgebildet ist, dessen divergenzändernde Wirkung variiert in Abhängigkeit der radialen Entfernung eines Strahlbündels von der optischen Achse des optischen Systems 15. (Einzel-)Strahlen, die aus Richtung des ersten Punkts 16 auf das optische System treffen, werden mittels des optischen Systems 15 in Richtung des zweiten Punkts 36 abgebildet. Hier ist das optische System 15 als transmissives Linsensystem 15 ausgebildet und weist mehrere Linsen auf, die den Strahl je nach Einfallswinkel auf unterschiedlichen hier nicht zueinander parallelen Wegen in (durch Wahl des Einfallswinkels) wählbarem Abstand zur optischen Achse durch das System 15 führen.
  • Eine erste Strahlablenkvorrichtung 30, die als erster Drehspiegel 30 ausgebildet ist, ist im ersten Punkt 16 angeordnet und eine zweite Strahlablenkvorrichtung 50, die als zweiter Drehspiegel 50 ausgebildet ist, ist im zweiten Punkt 36 angeordnet.
  • Gemäß der 3a wird ein von der Strahlenquelle 10 kommendes Strahlenbündel 5 mittels des ersten Drehspiegels 30 dem optischen System 15 mit einem einstellbaren Winkel zugeführt, wobei das Strahlenbündel 5 von der Strahlenquelle 10 kommend so auf den ersten Drehspiegel 30 trifft, dass der Hauptstrahl 6 im ersten Punkt 16 auf den ersten Drehspiegel 30 trifft. In Abhängigkeit des Drehwinkels α des ersten Drehspiegels 30 (in 3a anhand der Zustände „A”, „B” und „C” veranschaulicht) wird das Strahlenbündel 5 dem optischen System 15 an unterschiedlichen Positionen und in unterschiedlichen Einfallswinkeln zugeführt. Das Strahlenbündel 5, das dem optischen System 15 zugeführt wird, wird von dem optischen System 15 abgebildet, wobei der Hauptstrahl 6 in Richtung des zweiten Punkts 36 abgebildet wird und die Nebenstrahlen in einem Winkel zu dem Hauptstrahl 6, der von dem Auftreffpunkt dessen auf das optische System 15 abhängt, so dass die Divergenz des abgebildeten Strahlenbündels 5 abhängig ist von dem Einfallswinkel des Strahlenbündels 5 in das optische System 15. In der 3 wird das Strahlenbündel 5 als ein konvergentes Strahlenbündel 5 abgebildet und ein Fokuspunkt 5a, an dem sich Nebenstrahlen und der Hauptstrahl 6 schneiden, befindet sich innerhalb des optischen Systems. Ein Fokuspunkt 5a kann jedoch auch an anderen Stellen des Strahlengangs ausgebildet sein, zum Beispiel außerhalb des optischen Systems 15, oder es kann auch kein Fokuspunkt 5a vorhanden sein, z. B. wenn das von der Strahlquelle 10 bereitgestellte Strahlbündel 5 nicht (wie in 3 als Beispiel dargestellt) kollimiert ist. Das von dem optischen System 15 abgebildete Strahlenbündel 5 trifft auf den zweiten Drehspiegel 50, wobei der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5 in dem zweiten Punkt 36 auf den zweiten Drehspiegel 50 trifft.
  • Wie in allen Ausführungsformen kann das Strahlenbündel 5 von dem zweiten Drehspiegel 50 in Abhängigkeit des zweiten Drehwinkels β des zweiten Drehspiegels 50 so abgelenkt werden, dass die Lage des Hauptstrahls 6 des abgelenkten Strahlenbündels 5 im Wesentlichen konstant ist und/oder unabhängig von einer Divergenzänderung sein kann. Dazu kann in der Divergenzänderungsvorrichtung 1 der zweite Drehwinkel β in Abhängigkeit des ersten Drehwinkels α eingestellt werden, wie es oben beschrieben ist.
  • In der 3a ist eine optionale optische Komponente 80 mit positiver Brechkraft (z. B. Sammellinse) im Strahlengang nach der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 angeordnet, die das Strahlbündel in eine Ebene fokussiert, deren Abstand von der eingestellten Divergenzänderung abhängt und somit einstellbar ist. Die optische Komponente 80 kann als transmissive optische Komponente (z. B. eine oder mehrere Linsen) oder auch als reflektive optische Komponente (z. B. als Parabolspiegel oder anders geformter Spiegel) bereitgestellt sein. Die optische Komponente kann im Strahlengang jeder hierin beschriebener Ausführungsform bereitgestellt sein, z. B. im Strahlengang nach der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 oder an anderer Stelle.
  • In 3a sind die drei Ebenen für die verschiedenen Zustände „A”, „B” und „C” dargestellt, in denen sich für die drei dargestellten Strahlverläufe die Fokuspunkte ausbilden.
  • Ein veranschaulichendes Beispiel für eine mögliche Ausbildung aus vielen möglichen Anordnungen eines optischen Systems 15, das keine telezentrische Anordnung aufweist, ist in der Tabelle 1 wiedergegeben. Dabei ist zu beachten, dass die gemäß der Tabelle 1 beschriebene Anordnung nur zum Zwecke der Illustration dient, und gemäß der Erfindung alle möglichen optischen Systeme 15, die die hierin beschrieben Abbildungseigenschaften bezüglich zweier Punkte haben, mit der Divergenzänderungsvorrichtung 1 verwendet werden können. Die Tabelle 1 gibt wie in der Optik üblich die Krümmungsradien (Spalte „Radius”) von optischen Oberflächen sowie deren Abstände (bzw. eine Linsendicke) (Spalte „Dicke”) und die verwendeten Materialien (Spalte „Material”) wieder. Die Einheit für „Radius”, „Dicke” und „Durchmesser” ist in mm angegeben, jedoch kann auch jede andere Längeneinheit benutzt werden. Die Eigenschaften des optischen Systems 15 befinden sich in der Tabelle zwischen den Einträgen für den ersten Drehspiegel 30 und den zweiten Drehspiegel 50, wobei die Reihenfolge dem Strahlengang vom ersten 30 zum zweiten 50 Drehspiegel entspricht. Die Materialien „BK7” und „SF11” stehen für die optischen Glassorten BK7 (ein Borsilikatglas) bzw. SF11 (ein Schwerflintglas). Tabelle 1
    Radius Dicke Material Durchmesser Anmerkung
    - 50,000 Luft 7 Eingangs-Apertur
    - 0,000 Spiegel 14 Erster Drehspiegel 30
    - 72,843 Luft -
    22,551 3,100 BK7 35
    33,024 8,000 Luft 40
    72,907 5,500 BK7 48
    97,178 8,000 SF11 52
    42,791 0,110 Luft 54
    100,081 7,900 SF11 54
    80,645 0,100 Luft 56
    252,038 6,000 SF11 56
    217,011 5,000 Luft 58
    –161,640 5,000 SF11 58
    565,599 5,000 Luft 58
    80,165 5,000 SF11 58
    101,664 101,539 Luft 56
    –44,710 5,000 SF11 34
    –160,761 14,950 Luft 34
    66,670 6,000 SF11 28
    –37,173 1,000 Luft 26
    –52,166 7,900 SF11 26
    213,420 0,110 Luft 26
    –49,645 8,000 SF11 26
    –35,864 5,500 BK7 24
    47,750 8,000 Luft 22
    –47,963 3,100 BK7 16
    –135,511 12,950 Luft 14
    - 0,000 Spiegel 14 Zweiter Drehspiegel 50
  • Dabei kann das optische System 15 erfindungsgemäß auch andere als in der Tabelle 1 gezeigte Eigenschaften oder eine andere Anzahl von Linsen aufweisen.
  • In allen Ausführungsformen der Divergenzänderungsvorrichtung 1 kann optional eine optische Komponente 80, z. B. mit positiver Brechkraft oder negativer Brechkraft (z. B. Streulinse), im Strahlengang zwischen der Strahlenquelle 10 und der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 oder im Strahlengang nach einer Abbildung durch das optische System 15, z. B. nach einer Ablenkung durch die zweite Strahlablenkvorrichtung 50, oder an einer anderen Stelle bereitgestellt sein, und/oder (gleichzeitig oder als Alternative) kann eine optische Komponente 80 mit negativer Brechkraft oder positiver Brechkraft im Strahlengang zwischen der Strahlenquelle 10 und der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 oder im Strahlengang nach einer Abbildung durch das optische System 15, z. B. nach einer Ablenkung durch zweite die Strahlablenkvorrichtung 50, oder an einer anderen Stelle bereitgestellt sein. Die optische(n) Komponente(n) 80 können dazu dienen, eine Divergenzänderung des Strahlenbündels 5 mittels des optischen Systems 15 zu verringern oder zu verstärken. Somit kann beispielsweise eine feste Divergenzänderung der Divergenzänderungsvorrichtung 1 realisiert sein, die zusätzlich zu der variablen Divergenzänderung wirkt, die mittels des optischen Systems 15 und der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 realisiert ist.
  • Die 3b zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der das optische System 15 als ein transmissives optisches System 15 ausgebildet ist, das einen ersten Punkt 16 auf einen zweiten Punkt 36 abbildet. Wie es im Folgenden beschrieben ist, ist die Divergenzänderungsvorrichtung 1 gemäß der 3b so ausgebildet, dass der erste optische Systembereich 17 optisch im Wesentlichen inaktiv ausgebildet sein kann. Das von der Strahlenquelle 10 kommende Strahlenbündel 5 wird der ersten Strahlablenkvorrichtung 30, die hier als erster Drehspiegel 30 ausgebildet ist, konvergent zugeführt. Zu diesem Zweck kann eine konvergente Strahlquelle 10 und/oder eine fokussierende Optik 90 (z. B. Linsesystem mit positiven Abbildungseigenschafte, z. B. Sammellinse) bereitgestellt sein, die im Strahlgang vor der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 angeordnet ist (z. B. nahe bei der Strahlenquelle 10). Die Strahlablenkvorrichtung 30 führt das Strahlbündel 5 dem optischen System 15 in unterschiedlichen Einfallswinkeln gemäß dem von der Strahlablenkvorrichtung eingestellten Winkel α zu. Aufgrund der Konvergenz des Strahlenbündels 5 kann sich im Strahlengang nach der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 ein Zwischenfokus 5a ausbilden, ohne dass hierzu ein fokussierender Einfluss einer Komponente des optischen Systems 15 erforderlich ist. Mit anderen Worten in einer Formulierung, die zur Beschreibung der anderen Ausführungen analog ist, entsteht ein Zwischenfokus 5a innerhalb des optischen Systems 15 zwischen den beiden Systembereichen 17 und 18, die durch den Zwischenfokus 5a getrennt werden, wobei der Systembereich 17 in der 3b keine Brechkraft aufweisen muss und z. B. aus Luft oder Vakuum bestehen kann. Der Zwischenfokus 5a liegt in einer gekrümmten Fokusfläche 17a (in der 3b nur qualitativ-schematisch dargestellt), deren Form eine Zylinderoberfläche ist, wobei die Drehachse der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 (hier des ersten Drehspiegels 30) die Zylinderachse bildet. Der zweite Systembereich 18 besteht hier aus einer Gruppe von vier Linsen (wobei auch eine geringere oder größere Anzahl möglich sein kann) und weist eine gegenstandsseitige (d. h. hier auf der Seite der ersten Strahlablenkvorrichtung 30) Feldkrümmung auf, die die Krümmung der Fokusfläche 17a nicht kompensiert, wodurch eine Divergenzänderung bewirkt wird, die von dem eingestellten Ablenkwinkel α der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 abhängt. Das Strahlbündel 5 wird von dem zweiten Systembereich 18 auf die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 geführt, die hier als zweiter Drehspiegel 50 ausgebildet ist. Im Strahlengang nach dem zweiten Drehspiegel 50 ist eine optische Komponente mit positiver Brechkraft 80 bereitgestellt, die das Strahlbündel 5 fokussiert. Die weitere Funktionsweise der Anordnung entspricht der Funktionsweise der anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen (z. B. wie zu 3a beschrieben). Zur Veranschaulichung sind in der 3b drei verschiedene Strahlverläufe A, B, C und die daraus resultierenden (Arbeits-)Fokuspunkte A, B, C dargestellt.
  • Gemäß der 3b kann der erste Systembereich 17 zum Beispiel als ein (z. B. optisch im Wesentlichen inertes) Eintrittsfenster eines Gehäuses (nicht gezeigt) der Divergenzänderungsvorrichtung 1 sein. Dabei ist zu beachten, dass das Eintrittsfenster sowohl ein optisch im Wesentlichen inertes Material sein kann (z. B. wenn das Gehäuse der Divergenzänderungsvorrichtung 1 evakuiert oder mit einem (z. B. optisch inerten) Gas gefüllt ist) oder das Eintrittsfenster kann eine Eintrittsöffnung sein kann, die zur Umgebung der Divergenzänderungsvorrichtung 1 offen ist.
  • Ein veranschaulichendes Beispiel für eine mögliche Anordnung aus vielen möglichen Anordnungen eines optischen Systems 15 mit einem optisch-inaktiven ersten Systembereich 17 ist in der Tabelle 2 gezeigt. Dabei ist zu beachten, dass die gemäß der Tabelle 2 beschriebene Anordnung nur zum Zwecke der Illustration dient, und gemäß der Erfindung alle möglichen optischen Systeme 15, bei denen der erste Systembereich 17 optisch-inaktiv ist, möglich sind. Die Tabelle 2 gibt wie in der Optik üblich die Krümmungsradien (Spalte „Radius”) von optischen Oberflächen sowie deren Abstände (bzw. eine Linsendicke) (Spalte „Dicke”) und die verwendeten Materialien (Spalte „Material”) wieder. Die Einheit für „Radius”, „Dicke” und „Durchmesser” ist in mm angegeben, jedoch kann auch jede andere Längeneinheit benutzt werden. Die Eigenschaften des optischen Systems 15 befinden sich in der Tabelle zwischen den Einträgen für den ersten Drehspiegel 30 und den zweiten Drehspiegel 50, wobei die Reihenfolge dem Strahlengang vom ersten 30 zum zweiten 50 Drehspiegel entspricht. Wie in der Tabelle 1 steht das Material „SF11” für die optische Glassorte SF11. Talelle 2
    Radius Dicke Material Durchmesser Anmerkung
    - 300.000 Luft 7.00 Eintrittsapertur
    953.322 50.000 SF11 12.70
    11.618.720 10.000 Luft 12.70
    447.804 50.000 SF11 12.70
    749.302 90.000 Luft 12.70
    - - Spiegel 10.00 erster Drehspiegel 30
    - 733.433 Luft -
    377.813 100.000 SF11 38.00
    316.853 0.1000 Luft 44.00
    –1.563.789 100.000 SF11 44.00
    2.203.759 291.685 Luft 44.00
    –706.789 100.000 SF11 38.00
    –566.973 46.484 Luft 34.00
    8.637.898 100.000 SF11 34.00
    709.638 527.398 Luft 34.00
    0.0000 Spiegel 10.00 zweiter Drehspiegel 50
  • Es sowohl bei der in der 3b gezeigten Ausführungsform wie auch bei allen anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen möglich, eine ebenfalls erfindungsgemäße Ausführungsform abzuleiten, bei der das optische System und die beiden Strahlablenkvorrichtungen in umgekehrter Systemweise und Strahlausbreitungsrichtung verwendet werden, wobei erster und zweiter Systembereiche 17 und 18 sowie die erste und zweite Strahlablenkvorrichtung 30 und 50 ihre Rollen jeweils vertauschen. Im Bezug auf die in 3b gezeigte Ausführung kann das Strahlbündel 5 in der „umgekehrten” Ausführungsform dann im wesentlichen kollimiert (statt konvergent wie in 3b dargestellt) zugeführt werden. Es verläuft aufgrund des Zwischenfokus 5a, der in der umgekehrten Anordnung vor der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 ausgebildet wird, nach der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 divergent. Ein optisches Element 80, mit z. B. positiver Brechkraft, kann nach der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 im Strahlgang bereitgestellt sein, um die Divergenz des Strahlbündels 5 zu vermindern oder um das Strahlbündel 5 zu fokussieren.
  • Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Divergenzänderungsvorrichtung 1. Die Divergenzänderungsvorrichtung 1 der 4 weist eine Steuereinrichtung (Regeleinrichtung) 75 auf, die dazu eingerichtet ist, Winkel bzw. Beträge einzustellen, mit denen die erste Strahlablenkvorrichtung 30 und die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 auf sie einfallende Strahlenbündel 5 ablenken. Zusätzlich weist die Divergenzänderungsvorrichtung 1 eine Strahllage-Messeinrichtung 70 auf, um die Position/Lage eines Strahlenbündels 5 zu detektieren und um der Steuereinrichtung 75 eine Information, die zu der Strahllage korrespondiert, zur Verfügung zu stellen. Obwohl die Divergenzänderungsvorrichtung 1 der 4 grundsätzlich ähnlich ist zu der in der 1 gezeigten Divergenzänderungsvorrichtung 1 was den Aufbau des optischen Systems 15 und der Strahlablenkvorrichtungen 15, 30 angeht, kann die Steuereinrichtung 75 und/oder die Strahllage-Messeinrichtung 70 mit jeder erfindungsgemäßen Divergenzänderungsvorrichtung 1 verwendet werden. Ebenso kann jede Divergenzänderungsvorrichtung 1 eine Strahllage-Messeinrichtung 70 und eine Steuereinrichtung 75 aufweisen, oder auch nur eine Steuereinrichtung 75 ohne eine Strahllage-Messeinrichtung 70. Auch die Steuereinrichtung 75 ist eine optionale Komponente und muss nicht in allen Ausführungsformen Bestandteil der Divergenzänderungsvorrichtung 1 sein.
  • Gemäß der 4 weist das optische System 15 einen ersten Systembereich 17 auf, der als transmissives Brechungssystem ausgebildet ist, und einen zweiten Systembereich 18, der als transmissives Brechungssystem ausgebildet ist. Die erste Strahlablenkvorrichtung 30 ist als erster Drehspiegel 30 ausgebildet und bildet mit dem ersten Systembereich 17 eine telezentrische Anordnung. Die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 ist als ein zweiter Drehspiegel 50 ausgebildet und bildet mit dem zweiten Systembereich 18 eine telezentrische Anordnung. Die Strahlablenkvorrichtungen 30, 50 und die Systembereiche 17, 18 wirken wie mit Bezug auf 1 beschrieben zusammen.
  • Die Steuereinrichtung 75 kann mit der ersten 30 und der zweiten 50 Strahlablenkvorrichtung 50 verbunden sein, so dass sie den Betrag der Strahlablenkung jeder Strahlablenkvorrichtung 30, 50 separat einstellen kann (z. B. den ersten Drehwinkel α und den zweiten Drehwinkel β, wenn die Strahlablenkvorrichtungen als Drehspiegel ausgebildet sind) einstellen kann, z. B. synchron einstellen kann.
  • Die Steuereinrichtung 75 kann auch mit einer Strahllage/Strahlposition-Messeinrichtung 70 verbunden sein. Die Strahllage-Messeinrichtung (z. B. Strahlrichtung-Messeinrichtung) 70 kann dazu eingerichtet sein, die Position und/oder die Lage eines Strahlenbündels 5 zu messen. Die Strahllage-Messeinrichtung 70 kann z. B. im Strahlengang von der Strahlenquelle 10 aus gesehen nach der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 angeordnet sein und kann dazu dienen, die Position des Strahls zu detektieren (z. B. messen, z. B. ermitteln). Die Strahllage-Messeinrichtung 70 kann eingerichtet sein, eine Information, die der gemessenen Position des Strahlenbündels 5 entspricht, der Steuereinrichtung 75 bereitzustellen oder sie an diese zu übertragen. Die Steuereinrichtung 75 kann eigerichtet sein, den Betrag der Strahlablenkung der ersten 30 und/oder der zweiten 50 Strahlablenkvorrichtung (d. h. z. B. einen Drehwinkel α, β des ersten Drehspiegels 30 und/oder des zweiten Drehspiegels 50) so einzustellen (z. B. zu korrigieren), dass eine Richtung/Position eines mittels der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 abgebildeten Strahlenbündels 5 im Wesentlichen konstant ist und z. B. unabhängig von der Divergenzänderung, Drifteffekten und/oder Rauscheffekten ist. Dementsprechend kann die Steuereinrichtung 75 den Betrag der Strahlablenkung (z. B. Drehwinkel α, β des ersten 30 und/oder des zweiten 50 Drehspiegels) regeln (z. B. steuern), z. B. unter Einbeziehung (z. B. mittels Rückführungs-Regelung) einer mittels der Strahllage-Messeinrichtung 70 detektierten Position (Ausbreitungs-Richtung) des Strahlenbündels 5. Die Strahllage-Messeinrichtung 70 kann z. B. einen Strahlteiler 71, optional eine Linse 72, und eine Quadrantenfotodiode 73 (z. B. eine Fotodiode mit vier oder mehr unabhängigen Bereichen, die elektromagentische Strahlung messen) aufweisen. Anstatt einer Quadrantenfotodiode 73 kann auch ein anderer Lagedetektor 73 bereitgestellt sein. Ein Teil-Strahlenbündel 74 kann mittels des Strahlteilers 71 von dem Strahlenbündel 5, das mittels der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 abgebildet ist, ausgekoppelt werden, und die Position/Lage des Teil-Strahlenbündels 74 kann anhand des Teil-Strahlenbündels 74 von der Quadrantenfotodiode 73 detektiert werden, optional nach einer Fokussierung durch die Linse 72, wodurch auch eine Lage/Position des Strahlenbündels 5 detektiert werden kann.
  • Gemäß der Erfindung kann eine Strahllage-Messeinrichtung auch auf andere Art und Weise implementiert sein. Die hier beschriebene Strahllage-Messeinrichtung 70 ist lediglich eine Ausführungsform einer Strahllage-Messeinrichtung. Die Strahllage-Messeinrichtung kann auch so eingerichtet sein, dass sie zusätzlich zur Lage des Strahls auch einen Wert der Strahldivergenz misst bzw. detektiert und der Steuerungseinrichtung bereitstellt. Diese Information kann in der Steuereinrichtung 75 zusätzlich zur gemessenen Strahllage oder alternativ anstatt der gemessenen Strahllage in die Berechnung der Ansteuerwerte (bzw. Beträge der Strahlablenkung) der beiden Strahlablenkvorrichtungen 30, 50 einfließen.
  • Gemäß der Erfindung kann anstatt der Strahllage-Messeinrichtung auch eine Divergenzmesseinrichtung bereitgestellt sein, die allein diesem Zweck dient. Die Strahldivergenz kann mit der Strahllage-Messeinrichtung und/oder der Divergenzmesseinrichtung gemessen werden, indem z. B. die Querschnittsflächen eines Strahlenbündels 5 an zwei Mess-Stellen im Strahlengang der Divergenzänderungsvorrichtung 1 (oder auch außerhalb dieser) gemessen werden (z. B. durch Auskopplung von Teil-Strahlen und Messen der Querschnittsflächen mittels Fotodetektoren). Durch einen Vergleich der gemessenen Querschnittsflächen kann dann unter Einbeziehung der Länge des Strahlengangs zwischen den Mess-Stellen die Divergenz berechnet werden.
  • Gemäß der Erfindung kann eine Änderung eines Durchmessers eines Strahlenbündels 5 realisiert sein durch das Bereitstellen eines optischen Systems 15 mit einem ersten Systembereich 17, der andere Abbildungseigenschaften aufweist als das der zweite Systembereich 18, wobei die Änderung des Durchmessers zusätzlich zu einer Änderung der Divergenz (z. B. Fokussierung) eines Strahlenbündels 5 auftreten kann.
  • Das heißt, dass die Funktion eines Strahlaufweiters mit festem Aufweitungsverhältnis in die Divergenzänderungsvorrichtung 1 integriert sein kann.
  • Zum Beispiel kann das optische System 15 mit Bezug auf 2 einen ersten Parabolspiegel als ersten Systembereich 17 aufweisen und einen zweiten Parabolspiegel als den zweiten Systembereich 18 aufweisen. Der erste Parabolspiegel und der zweite Parabolspiegel können durch unterschiedliche Parabelfunktionen (Paraboloidfunktionen) definiert sein, d. h. sie können einen unterschiedlichen Parabelparameter und/oder einen unterschiedlichen Exponenten aufweisen. Durch eine unterschiedliche Wahl von Parabelparametern und/oder Exponent des ersten Parabolspiegels und des zweiten Parabolspiegels kann zusätzlich zu einer Divergenzänderung auch eine Aufweitung (Vergrößerung) oder Reduktion (Verringerung) des Durchmessers des Strahlenbündels 5 erreicht werden. Wird zum Beispiel für den Parabelparameter (das ist der Parameter einer Variablen, die quadriert wird) der Funktion, die den ersten Parabolspiegel 17 beschreibt, ein größerer Wert als für den Parabelparameter des zweiten Parabolspiegels 18 gewählt, kann eine Aufweitung des Durchmessers des Strahlenbündels 5, das von der Strahlenquelle 10 ausgeht, erreicht werden, wenn das Strahlenbündel 5 mittels des zweiten Parabolspiegels 18 abgebildet ist. Wird zum Beispiel für den Parabelparameter des ersten Parabolspiegels 17 ein kleiner Wert als für den Parabelparameter des zweiten Parabolspiegels 18 gewählt, kann eine Reduzierung des Durchmessers des Strahlenbündels 5, das von der Strahlenquelle 10 ausgeht, erreicht werden, wenn das Strahlenbündel 5 mittels des zweiten Parabolspiegels 18 abgebildet ist.
  • Selbstverständlich lässt sich durch eine Umkehrung des Strahlengangs mit derselben Divergenzänderung 1 eine Strahlaufweitung und eine Strahlreduzierung erreichen.
  • Eine Aufweitung und/oder Verringerung des Durchmessers des Strahlenbündels 5 kann auch wie oben beschrieben ist durch eine oder mehrere im Strahlengang der Divergenzänderungsvorrichtung 1 bereitgestellte optische Komponenten 80 bereitgestellt sein.
  • Durch die Benutzung eines ersten Drehspiegels 30 und optional eines zweiten Drehspiegels 50 kann eine viel höhere Geschwindigkeit beim Ändern der Divergenz erzielbar sein, da im Gegensatz zum Ändern der Divergenz mit bewegbaren Linsen nur eine geringe Masse bewegt werden muss, um den Fokuspunkt einzustellen. Ein weiterer Vorteil der Divergenzänderungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, dass die Divergenzänderungsvorrichtung 1 effektiv Gasdicht ausgeführt sein kann (z. B. kann die Divergenzänderungsvorrichtung dazu ein gasdichtes Gehäuse aufweisen). Dadurch kann die Divergenzänderungsvorrichtung 1 evakuiert oder mit einem optisch im Wesentlichen inerten Gas gefüllt betrieben werden, so dass eine störende Interaktion von einem Umgebungsmedium wie z. B. Luft und dem Strahlengang (z. B. Fokuspunkt 5a) in der Divergenzänderungsvorrichtung 1 vermieden sein kann. Zusätzlich erlaubt der Aufbau der erfindungsgemäßen Divergenzänderungsvorrichtung 1 eine effiziente Kühlung, da aufgrund des einfachen Aufbaus die Komponenten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 gut mit einer Kühleinrichtung erreichbar sein können.
  • Die Divergenzänderungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich beispielsweise zur Verwendung in Verbindung mit 2D-Strahlablenksystemen (2D-Laser-Scanner), um durch die Änderung der Divergenz und die zwei Ablenkrichtungen des 2D-Strahlablenksystems eine Bewegung eines Arbeitsfokuspunkts in drei Dimensionen zu erzielen, also einen 3D-Laser-Scanner zu realisieren. Hierbei kann der variable Anteil der Ablenkung der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 eine Richtungskomponente der 2D-Strahlablenkung beisteuern, sodass das 2D-Strahlablenksystem aus der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 und einer weiteren, dritten Strahlablenkvorrichtung zusammengesetzt sein kann. Alternativ kann die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 auch so ausgeführt sein, dass sie eine zweidimensionale Strahlablenkung bereitstellt, die gleichzeitig die oben beschriebene Richtungskompensation und eine variable zweidimensionale Ablenkung bereitstellt. Die Steuereinrichtung 75 kann alle Stellwinkel (bzw. Beträge von Strahlablenkungen) der Strahlablenkvorrichtungen (d. h. erster 30, zweiter 50 und/oder dritter Strahlablenkvorrichtung) zentral und aufeinander abgestimmt ansteuern. Somit ist ein 3D-Laser-Scan-System realisierbar, das auf ggf. gleichartigen Strahlablenkvorrichtungen basiert. Im Vergleich zu einem System, das beispielsweise ein 2D-Ablenksystem und eine alternative Technik (z. B. Linearmotor zur Linsenbewegung) zur Divergenzänderung kombiniert, können gemäß der vorliegenden Erfindung eine Reduktion der Gesamtkomplexität, des Herstellungs- und/oder des Wartungsaufwands erreicht werden. Die Divergenzänderungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch auch in anderen Bereichen einsetzbar, in denen die Divergenz eines Strahlenbündels geändert werden soll.
  • Gemäß der Erfindung kann die Divergenzänderungsvorrichtung 1 mit einem 2D-Scanner-System, wie es zum Beispiel zur Materialbearbeitung benutzt wird, verwendet werden. Ein 2D-Scanner-System kann z. B. mit zwei Strahlablenkvorrichtungen bereitgestellt sein, die das Strahlenbündel 5 jeweils in voneinander unabhängigen Raumrichtungen ablenken können. Dadurch ist mittels der Divergenzänderungsvorrichtung 1 die Divergenz eines Strahlenbündels 5 (und optional durch eine entsprechende Steuerung der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 auch eine Änderung der Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 5) einstellbar, während mittels des 2D-Scanner-Systems die Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 5 (zusätzlich) einstellbar ist. Dementsprechend kann die Divergenzänderungsvorrichtung 1 im Strahlengang vor dem 2D-Scanner-System angeordnet sein, so dass das Strahlenbündel in Abhängigkeit der ersten Strahlablenkvorrichtung 30 mit unterschiedlicher Divergenz (die einem unterschiedlichen Abstand zwischen einem Arbeitsfokuspunkt und einer Strahlenquelle entsprechen kann) auf das 2D-Scanner-System treffen kann und von dem 2D-Scanner-System in zwei voneinander unabhängigen Raumrichtungen ablenkbar ist. Dadurch kann zum Beispiel das Strahlenbündel 5 über eine Werkstückoberfläche geführt werden und unterschiedliche Abstände zwischen der Strahlenquelle und Punkten auf der Werkstückoberfläche können durch die Divergenzänderungsvorrichtung 1 ausgeglichen werden. Dazu kann die Steuereinrichtung 75 so bereitgestellt sein, dass sie sowohl mit dem 2D-Scanner-System als auch mit der Divergenzänderungsvorrichtung 1 (bzw. mit der ersten und zweiten Strahlablenkvorrichtung 30, 50 davon) verbunden ist, um diese zu steuern.
  • Die Steuereinrichtung 75 kann die Divergenzänderungsvorrichtung 1 (bzw. die von dieser realisierte Divergenzänderung) gemäß einem Ziel-Divergenzänderungswert steueren. Der Ziel-Divergenzänderungswert entspricht dabei einer gewünschten Divergenz und/oder einer gewünschten Divergenzänderung und kann der Steuereinrichtung bereitgestellt werden, z. B. durch eine Benutzereingabe, oder von einem anderen Steuergerät, Computer, Frozessleitrechner oder ähnlichem. Der Ziel-Divergenzänderungswert kann auch dem Abstand eines Arbeits-Fokuspunktes von der Strahlenquelle 10 entsprechen, da dieser Abstand von der Divergenz des Strahlenbündels 5 abhängen kann. Der Ziel-Divergenzänderungswert kann von der Steuereinrichtung 75 errechnet werden anhand eines Algorithmus und in der Steuereinrichtung gespeicherter Daten. Gleichzeitig kann die Steuereinrichtung 75 so eingerichtet sein, dass sie das 2D-Scanner-System und/oder die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 gemäß einem Ziel-Strahlrichtung-Wert steuert. Der Ziel-Strahlrichtung-Wert kann dabei einer gewünschten Lage und Richtung des Strahlenbündels 5, das von dem 2D-Scanner-System ausfällt, entsprechen. Der Ziel-Strahlrichtung-Wert kann der Steuereinrichtung 75 bereitgestellt werden z. B. durch eine Benutzereingabe, oder von einem anderen Steuergerät, Computer, Prozessleitrechner oder ähnlichem. Das bedeutet, die Steuereinrichtung 75 kann die Divergenzänderungsvorrichtung 1 so steuern, dass eine Divergenzänderung frei wählbar und einstellbar ist und dass gleichzeitig die Lage und Richtung eines von dem 2D-Scanner-Systems ausfallenden Strahlenbündels 5 frei wählbar und einstellbar ist. Dabei kann die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 so betrieben werden, dass die Lage und Richtung des Strahlenbündels 5 nach der Ablenkung durch die zweite Strahlablenkvorrichtung 50 konstant ist, und die Änderung der Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 5 kann ausschließlich mittels des 2D-Scanner-Systems erzielt werden. Die zweite Strahlablenkenrichtung 50 kann aber durch die Steuereinrichtung 75 auch so betrieben werden, dass sie zusammenwirkend mit dem 2D-Scanner-System die Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 5 einstellen kann (d. h. es kann eine Superpositionierung der Ausbreitungsrichtungsänderung, die mittels der zweiten Strahlablenkvorrichtung 50 erzeugt wird, und der des 2D-Scanner-Systems in zumindest einer Raumrichtung erzeugt werden).
  • Der Ziel-Divergenzwert kann so gewählt/berechnet/gespeichert sein bzw. werden, dass ein (Arbeits-)Fokuspunkt außerhalb der Divergenzänderungsvorrichtung 1 (z. B. auf der Oberfläche eines Werkstücks) bereitgestellt wird, wobei der Fokuspunkt z. B. immer direkt auf der Werkstückoberfläche ausgebildet ist und zwar unabhängig von einer Änderung der optischen Weglänge zwischen einer Strahlenquelle 10 und der Position, an der das Strahlenbündel 5 auf das Werkstück (bzw. die Werkstückoberfläche) trifft.
  • Gemäß der Erfindung kann z. B. eine Geometrie eines Werkstückes in der Form von Punkt-Koordinaten (z. B. x, y, z) und sich zwischen Punkt-Koordinaten erstreckenden Linien in der Steuereinrichtung 75 gespeichert sein, und es kann gleichzeitig ein Bearbeitungsplan in der Steuereinrichtung gespeichert sein, der Informationen enthält, an welchen Koordinaten ein Strahlenbündel 5 mit welcher Divergenz (bzw. mit welchem Bündeldurchmesser) auf das Werkstück treffen soll. (Der Bearbeitungsplan kann auch weitere und/oder andere Informationen enthalten, wie z. B. über welchen Zeitraum ein Strahlenbündel 5 auf einen Punkt einwirken soll, eine Leistungsanforderung an die Strahlenquelle 10 oder ähnliches). Die Steuereinrichtung 75 kann dann aus der Geometrie des Werkstücks und dem Bearbeitungsplan einen Ziel-Divergenzänderungswert (bzw. mehrere) und gleichzeitig einen Ziel-Strahllage-und-Richtung-Wert (bzw. mehrere) errechnen und die Divergenzänderungsvorrichtung 1 und das 2D-Scanner-System so steuern, dass der Bearbeitungsplan erfüllt wird.
  • Die Steuereinrichtung 75 kann auch mit anderen Komponenten verbunden sein, um diese zu Steuern, z. B. mit der Strahlenquelle 10 oder einer Blende bzw. einem „Pulspicker” zur kurzzeitigen Unterbrechung des Strahlengangs zwischen Strahlenquelle 10 und einem Werkstück, oder mit weiteren Strahlablenkvorrichtungen.
  • In anderen Worten kann die Steuereinrichtung 75 3D-Koordinaten verarbeiten und kann diese Koordinaten z. B. über Koordinatentransformationen und Korrekturtabellen in Ansteuerwerte für die Divergenzänderungsvorrichtung 1 und das optional bereitgestelltes 2D-Strahlablenksystem umrechnen und dann die Divergenzänderung und die Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 5 entsprechend steuern.
  • Aus den hier gezeigten Ausführungsformen lassen sich durch Einfügen optischer Elemente, wie zum Beispiel fest angeordneter Planspiegel oder Linsengruppen (z. B. Teleskopanordnungen), die die Funktionsweise nicht wesentlich beeinflussen, weitere ebenfalls erfindungsgemäße Anordnungen ableiten. So kann zum Beispiel durch Anordnen solcher optischer Elemente in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 die Form des Strahlengangs (bzw. von Teilen des Strahlengangs) bzw. die Bauform der Divergenzänderungsvorrichtung 1 an bestimmte Anforderungen angepasst werden (z. B. bei integraler Bauweise der Divergenzänderungsvorrichtung 1 mit einem Scan-System oder einer anderen optischen Vorrichtung). So kann z. B. durch das Anordnen eines Planspiegels im Strahlengang (an irgendeiner Stelle, z. B. innerhalb des optischen Systems 15 oder an anderer Stelle) ein im Wesentlichen rechtwinkliger oder anders gewinkelter Strahlengang bereitgestellt sein.

Claims (16)

  1. Divergenzänderungsvorrichtung (1) zum Ändern der Divergenz eines Strahlenbündels (5), das durch einen Hauptstrahl (6) und Nebenstrahlen beschrieben ist und zumindest die Nebenstrahlen aufweist, aufweisend eine Strahlenquelle (10) zum Bereitstellen des Strahlenbündels (5), ein optisches System (15), das so eingerichtet ist, dass es jedes Strahlenbündel (5), dessen Hauptstrahl (6) über einen ersten Punkt (16) auf das optische System (15) trifft, so abbildet, dass der Hauptstrahl (6) des abgebildeten Strahlenbündels durch einen zweiten Punkt (36) läuft, wobei die Nebenstrahlen des Strahlenbündels (5) mit einem Divergenzwinkel, der mit dem Winkel variiert, in dem das Strahlenbündel (5) von dem ersten Punkt (16) kommend auf das optische System (15) trifft, bezüglich des Hauptstrahls (6) abgebildet werden, eine erste Strahlablenkvorrichtung (30), die im oder nahe bei dem ersten Punkt (16) angeordnet ist und die so eingerichtet und angeordnet ist, dass das Strahlenbündel (5), das von der Strahlenquelle (10) bereitgestellt ist und das auf die erste Strahlablenkvorrichtung (30) einfällt, von der Strahlablenkvorrichtung (30) so ausfällt, dass es dem optischen System (15) mit einem mittels der ersten Strahlablenkvorrichtung (30) einstellbaren ersten Winkel zugeführt werden kann, wobei der Hauptstrahl (6) des von der Strahlenquelle (10) kommenden Strahlenbündels (5) im oder nahe bei dem ersten Punkt (16) auf die erste Strahlablenkvorrichtung (30) einfällt, eine zweite Strahlablenkvorrichtung (50), die im oder nahe bei dem zweiten Punkt (36) angeordnet ist und so eingerichtet ist, dass das von dem optischen System (15) abgebildete Strahlenbündel (5) auf diese einfällt, wobei der Hauptstrahl (6) im oder nahe bei dem zweiten Punkt (36) auf diese einfällt, und die so eingerichtet ist, dass sie das Strahlenbündel (5) in einem einstellbaren zweiten Winkel ablenken kann, wobei das Strahlenbündel (5) von der zweiten Strahlablenkvorrichtung (50) ausfällt, eine Steuereinrichtung (75), die so eingerichtet ist, dass sie den ersten Winkel gemäß einem Ziel-Divergenzänderungswert einstellt und den zweiten Winkel in Abhängigkeit von dem ersten Winkel so einstellt, dass das Strahlenbündel (5) von der zweiten Strahlablenkvorrichtung (50) in einer Richtung ausfällt, die einem Ziel-Strahlrichtung-Wert entspricht.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das optische System (15) einen ersten (17) und einen zweiten (18) Systembereich aufweist, wobei die erste Strahlablenkvorrichtung (30) und der erste Systembereich (17) eine erste telezentrische Anordnung bilden, und/oder wobei die zweite Strahlablenkvorrichtung (50) und der zweite Systembereich (18) eine zweite telezentrische Anordnung bilden.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das optische System (15) als ein transmissives optisches System (15) gebildet ist und/oder der erste Systembereich (17) durch ein erstes transmissives Brechungssystem gebildet ist und/oder der zweite Systembereich (18) durch ein zweites transmissives Brechungssystem gebildet ist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Systembereich (17) als eine erste paraboloide Reflexionsfläche gebildet ist und/oder der zweite Systembereich (18) als eine zweite paraboloide Reflexionsfläche gebildet ist.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Systembereich (17) andere optische Eigenschaften aufweist als der zweite Systembereich (18).
  6. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei durch das Strahlenbündel (5), das über die erste Strahlablenkvorrichtung (30), das optische System (15) und die zweite Strahlablenkvorrichtung (50) läuft und davon ausfällt, ein Strahlengang definiert ist, wobei die Divergenzänderungsvorrichtung (1) mit zumindest zwei optischen Elementen mit zylindrischen Abbildungseigenschaften bereitgestellt ist, die in dem Strahlengang getrennt voneinander angeordnet sind, wobei das Strahlenbündel (5) mittels der zumindest zwei optischen Elemente abgebildet wird, wobei die optischen Elemente so eingerichtet und angeordnet sind, dass eine zylindrische Abbildung des Strahlenbündels (5) durch ein optisches Element von dem zumindest einen weiteren optischen Element im Wesentlichen kompensiert wird, so dass die Ausbildung eines im Wesentlichen punktförmigen Fokuspunktes (5a) zwischen den zumindest zwei optischen Elementen vermieden ist.
  7. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Strahlablenkvorrichtung (30), das optische System (15) und die zweite Strahlablenkvorrichtung (50) zur Verwendung mit einem Hochleistungs-Laser zur Materialbearbeitung ausgebildet sind.
  8. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste (30) und/oder die zweite (50) Strahlablenkvorrichtung jeweils ein Drehspiegel mit einem Galvanometerantrieb sind.
  9. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Strahllage-Messeinrichtung (70), die eingerichtet ist, um die Richtung und/oder die Divergenz des von der zweiten Strahlablenkvorrichtung (50) abgelenkten Strahlenbündels (5) zu messen und um der Steuereinrichtung (75) eine Information bereitzustellen, die die Richtung und/oder die Divergenz repräsentiert, wobei die Steuereinrichtung (75) so eingerichtet ist, dass sie den ersten und/oder den zweiten Winkel unter Berücksichtigung der Information einstellt.
  10. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei durch das Strahlenbündel (5), das über die erste Strahlablenkvorrichtung (30), das optische System (15) und die zweite Strahlablenkvorrichtung (50) läuft und davon ausfällt, ein Strahlengang definiert ist, und wobei in dem Strahlengang nach der zweiten Strahlablenkvorrichtung (50) zumindest eine zusätzliche reflektive oder transmissive optische Komponente (80) mit positiver Brechkraft bereitgestellt ist, um das Strahlenbündel (5) auf einen Arbeits-Fokuspunkt abzubilden.
  11. Verfahren zum Steuern einer Divergenzänderungsvorrichtung (1) mit einem Strahlengang für ein Strahlenbündel (5), mit einer ersten Strahlablenkvorrichtung (30), mit der ein erster Winkel, in dem das Strahlenbündel (5) ablenkbar ist, einstellbar ist, und mit einer zweiten Strahlablenkvorrichtung (50), mit der ein zweiter Winkel, in dem das Strahlenbündel (5) ablenkbar ist, einstellbar ist, wobei das Verfahren aufweist Einstellen des ersten Winkels unter Ändern einer Divergenz des Strahlenbündels (5) in Abhängigkeit des ersten Winkels, und Einstellen des zweiten Winkels, wobei der zweite Winkel in Abhängigkeit von dem ersten Winkel eingestellt wird, so dass die Richtung des Strahlenbündels (5), das von der zweiten Strahlablenkvorrichtung (50) abgelenkt wird, im Wesentlichen unabhängig von einer Änderung der Divergenz ist und von der zweiten Strahlablenkvorrichtung (50) in einer vorbestimmten Richtung ausfällt.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei mit der zweiten Strahlablenkvorrichtung (50) zusätzlich ein dritter Winkel, in dem das Strahlenbündel (5) ablenkbar ist, einstellbar ist, wobei der dritte Winkel von dem zweiten Winkel unabhängig ist, wobei die zweite Strahlablenkvorrichtung (50) so eingerichtet ist, dass sie ein Strahlenbündel in zwei Dimensionen ablenken kann, wobei die Ablenkung durch den zweiten und den dritten Winkel beschrieben ist und wobei der zweite und/oder dritte Winkel optional in Abhängigkeit von dem ersten Winkel eingestellt wird, so dass die Richtung des Strahlenbündels (5), das von der zweiten Strahlablenkvorrichtung (50) abgelenkt wird, im Wesentlichen unabhängig von einer Änderung der Divergenz ist und von der zweiten Strahlablenkvorrichtung (50) in einer vorbestimmten Richtung, die in zwei Dimensionen einstellbar ist, ausfällt.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, ferner aufweisend Berechnen eines Ziel-Divergenzänderungswertes und eines Ziel-Strahlrichtung-Wertes, wobei der erste Winkel gemäß dem Ziel-Divergenzänderungswert eingestellt wird, und wobei der zweite und/oder der dritte Winkel in Abhängigkeit des ersten Winkels gemäß dem Ziel-Strahlrichtung-Wert eingestellt werden/wird.
  14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Einstellen des ersten, des zweiten Winkels synchron geschieht.
  15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Verfahren ferner aufweist Erfassen einer Lage des Strahlenbündels (5) und/oder Erfassen einer Divergenz des Strahlenbündels (5), das mittels der zweiten Strahlablenkvorrichtung (50) abgelenkt ist, und wobei das Einstellen des ersten und/oder des zweiten und/oder des dritten Winkels unter Berücksichtigung der erfassten Lage und/oder der erfassten Divergenz durchgeführt wird.
  16. Strahllage-und-Divergenz-Änderungsvorrichtung aufweisend eine Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, ein 2D-Scanner-System und eine Steuereinrichtung, wobei das 2D-Scanner-System dazu eingerichtet ist, eine Ausbreitungsrichtung eines von der Divergenzänderungsvorrichtung (1) ausfallenden Strahlenbündels (5) in zwei voneinander unabhängigen Raum-Dimensionen einzustellen, und wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Ausbreitungsrichtung mittels des 2D-Scanner-Systems und optional der Divergenzänderungsvorrichtung (1) und die Divergenzänderung mittels der Divergenzänderungsvorrichtung (1) in gezielter sowie wählbarer Art und Weise gemäß einer Steuerinformation einzustellen.
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US4251125A (en) * 1976-12-28 1981-02-17 Canon Kabushiki Kaisha Scanning optical system including an afocal system
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