DE102012111098B4

DE102012111098B4 - Divergenzänderungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012111098B4
Application number: DE102012111098.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Rabe; Ernst Wilhelm Böckler
Original assignee: Scanlab AG
Current assignee: SCANLAB GMBH, DE
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: KR101737600B1; JP2015531888A; WO2014076290A1; US9217853B2; US20150253555A1; DE102012111098A1; CN104620157B; KR20150006056A; CN104620157A; JP5951134B2

Abstract

Divergenzänderungsvorrichtung (1) zur variabel einstellbaren Änderung der Divergenz eines elektro-magnetischen Strahlenbündels (5), welches beschrieben ist durch einen Hauptstrahl (6) und einen solchen optional aufweist, sowie eine Mehrzahl von Nebenstrahlen, aufweisend eine Strahlenquelle (10) zum Bereitstellen des Strahlenbündels (5) mit zumindest der Mehrzahl von Nebenstrahlen, eine telezentrische Anordnung (31) mit einem optischen System (15), das einen ersten Brennpunkt (16), einen ersten System-Bereich (17) und einen zweiten System-Bereich (18) hat, und mit einer Strahlablenkvorrichtung (30), die in oder nahe benachbart zu dem ersten Brennpunkt (16) angeordnet ist und die so angeordnet und eingerichtet ist, dass das Strahlenbündel (5) von der Strahlenquelle (10) auf die Strahlablenkvorrichtung (30) trifft, wobei der Hauptstrahl (6) in dem ersten Brennpunkt (16) oder nahe bei dem ersten Brennpunkt (16) auf die Strahlablenkvorrichtung (30) trifft, und dass sie das von der Strahlenquelle (10) kommende Strahlenbündel (5) dem ersten System-Bereich (17) des optischen Systems (15) mit unterschiedlichen Einfallswinkeln zuführen kann, wobei das optische System (15) derart ausgebildet ist, dass das Strahlenbündel (5) von dem ersten System-Bereich (17) so abgebildet wird, dass der Hauptstrahl (6) des dem ersten System-Bereich (17) zugeführten Strahlenbündels (5) von dem ersten System-Bereich (17) in eine Richtung abgelenkt wird, die unabhängig von dem Einfallswinkel ist, und so dass die Mehrzahl von Nebenstrahlen des Strahlenbündels (5) mit einem, im Vergleich zu vor der Abbildung, anderen sowie von dem Einfallswinkel abhängigen Divergenzwinkel bezüglich des Hauptstrahls (6) abgebildet wird, und eine Strahlfaltvorrichtung (34), die so ausgebildet ist, dass sie das von dem ersten System-Bereich (17) des optischen Systems (15) abgebildete Strahlenbündel (5) auf den zweiten System-Bereich (18) des optischen Systems (15) ablenkt, wobei das Strahlenbündel (5) von dem zweiten System-Bereich (18) des optischen Systems (15) so abgebildet wird, dass das Strahlenbündel (5) wieder auf die Strahlablenkvorrichtung (30) trifft, wobei der Hauptstrahl (6) in ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Divergenzänderungsvorrichtung, insbesondere eine Divergenzänderungsvorrichtung mit einer im Wesentlichen telezentrischen optischen Anordnung zur variabel einstellbaren Änderung eines Divergenzwinkels eines elektromagnetischen Strahlenbündels.
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.
Die Druckschrift GB2053505A offenbart einen Scanstrahl-Ablenkung-Verstärker aufweisend einen Drehspiegel, eine telezentrische Anordnung und zwei Spiegel zur Rückführung des Scanstrahls auf den Drehspiegel über die telezentrische Anordnung, nachdem er von dem Drehspiegel über die telezentrische Anordnung auf einen der zwei Spiegel getroffen ist.
Die Druckschriften US7978389B2 , JPH09265052 , US7154652B2 und US4682842A offenbaren weitere Scanvorrichtungen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Divergenzänderungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie eine Strahllage-und-Divergenz-Änderungsvorrichtung gemäß Anspruch 19.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt aus zwei Perspektiven schematisch eine Divergenzänderungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisend ein optisches System, das als Brechungssystem ausgebildet ist.
2 zeigt schematisch eine Divergenzänderungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisend ein optisches System, das als Reflexionssystem ausgebildet ist.
3 zeigt schematisch eine Divergenzänderungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisend ein optisches System, das als Reflexionssystem ausgebildet ist, in einer perspektivischen Ansicht.
4 zeigt schematisch eine Divergenzänderungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der außerdem eine Strahlaufweitungsfunktionalität integriert ist.
5 zeigt schematisch eine Divergenzänderungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Ausführliche Beschreibung
Die Erfindung stellt mit Bezug auf die Figuren 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 elektro-magnetisches 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 DV- 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 sein. 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) sein. 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 aufweisen.
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/optisches Bauteil abgelenkt oder geführt wird, dass er im weiteren Verlauf nach der Optik 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 optisches System 15 auf, das zusammen mit einer Strahlablenkvorrichtung 30, die in oder nahe bei einem ersten Brennpunkt 16 des optischen Systems 15 angeordnet ist, eine im wesentlichen telezentrische Anordnung 31 bildet. Eine telezentrische (optische) Anordnung wird als eine Anordnung mit einer telezentrischen Abbildungseigenschaft angesehen. Eine telezentrische Abbildungseigenschaft liegt zum Beispiel dann vor, wenn ein Strahl, der durch den ersten Brennpunkt 16 des optischen Systems 15 auf das optische System 15 fällt, unabhängig von dem Einfallwinkel und/oder der Position, mit dem bzw. in der er auf das optische System 15 trifft, in eine Richtung abgelenkt wird.
Anders ausgedrückt werden bei einer telezentrischen Abbildung Strahlen, die durch den ersten Brennpunkt 16 verlaufen und auf das optische System 15 treffen, parallel zueinander in eine Richtung abgelenkt, die unabhängig von dem Einfallswinkel oder der Einfallposition auf das optische System 15 ist. Das optische System 15 kann so ausgeführt sein, dass es 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). Gemäß der Erfindung kann eine telezentrische Abbildung beispielsweise mittels einer telezentrischen Anordnung 31 mit einem optischen System 15 mit einem Reflexionssystem 20 (z. B. einem parabelförmigen Reflektor 20) oder einem telezentrischen Brechungssystem 25 (z. B. Linsesystem) oder auf andere Art erreicht werden. Die telezentrische Anordnung 31 kann einen solchen Aufbau haben und/oder mit solchen Materialien hergestellt sein, dass sie geeignet ist zur Abbildung von Strahlenbündeln 5, die eine hohe Leistung übertragen.
Das optische System 15 weist einen ersten System-Bereich 17 und einen zweiten System-Bereich 18 auf. Der erste System-Bereich 17 und der zweite System-Bereich 18 können unterschiedliche optische Eigenschaften oder gleiche optische Eigenschaften haben und können räumlich voneinander getrennt (z. B. als separate Bereiche) ausgebildet sein oder können monolithisch (z. B. monolithisch integral) miteinander gebildet sein. Zum Beispiel können der erste System-Bereich 17 und der zweite System-Bereich 18 durch ein jeweiliges individuelles, separates Reflexionssystem (z. B. Parabolspiegel) gebildet sein oder durch jeweils ein individuelles, separates Brechungssystem (z. B. Linsesystem, z. B. aufweisend ein oder mehrere transmissive optische Elemente oder z. B. ein telezentrisches Objektiv).
Der erste System-Bereich 17 und der zweite System-Bereich 18, die das optische System 15 bilden, können zusammenwirkend mit der Strahlablenkvorrichtung 30 gemeinsam die telezentrische Abbildungseigenschaft der telezentrischen Anordnung 31 bereitstellen. Das bedeutet der erste System-Bereich 17 kann eine telezentrische Abbildungseigenschaft haben und der zweite System-Bereich 18 kann eine telezentrische Abbildungseigenschaft haben, wobei ein (der objektseitige) Brennpunkt des ersten System-Bereichs 17 und ein (der bildseitige) Brennpunkt des zweiten System-Bereichs 18 im Wesentlichen im Ort des ersten Brennpunkts 16 zusammenfallen, so dass sie gemeinsam den ersten Brennpunkt 16 bilden.
Gemäß der Erfindung wird ein Strahl, der nicht durch den ersten Brennpunkt 16 auf den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 trifft, von dem ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 in einem Winkel zu einem Strahl, der durch den ersten Brennpunkt 16 auf den ersten System-Bereich 17 des optischen System 15 trifft, abgelenkt.
Gemäß der Erfindung ist der Strahl des Strahlenbündels 5, der über den ersten Brennpunkt 16 (oder einen Punkt, der sich nahe bei dem ersten Brennpunkt 16 befindet) auf den ersten System-Bereich 17 des optische Systems 15 trifft, der Hauptstrahl 6, und andere Strahlen des Strahlenbündels 5 sind die Nebenstrahlen. Im Falle eines nicht-vorhanden, zum Beispiel ausgeblendeten oder nicht bereitgestellten Hauptstrahls 6, würde der entsprechend fiktiv/virtuell vorhandene Hauptstrahl 6 auf den Brennpunkt 16 oder nahe dazu auf den Brennpunkt 16 treffen. Es müssen nicht alle Strahlen, die von der Strahlenquelle 10 erzeugt werden, zu dem Strahlenbündel 5 zählen, das z. B. auf den ersten System-Bereich 17, den zweiten System-Bereich 18 und/oder die Strahlablenkvorrichtung 30 trifft, sondern das Strahlenbündel 5 kann eine Teilmenge der Strahlen, die von der Strahlenquelle 10 bereitgestellt oder erzeugt werden, sein.
Der Winkel, mit dem ein Nebenstrahl eines Strahlenbündels 5 zu dem Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5 von dem ersten System-Bereich 17 abgelenkt wird, ist abhängig von dem Einfallswinkel (und/oder dem Einfallsort), mit dem das Strahlenbündel 5 auf den ersten System-Bereich 17 des optische Systems 15 trifft. Dementsprechend kann die Divergenz eines Strahlenbündels 5, das durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildet wurde, anders sein (z. B. kleiner sein oder größer sein) als die Divergenz desselben Strahlenbündels 5 vor der Abbildung durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15. Wie oben erwähnt, kann der Winkel, den ein Nebenstrahl mit dem Hauptstrahl 6 nach einer Abbildung durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 definiert, abhängig vom Ort und/oder dem Winkel sein, an/mit dem das Strahlenbündel 5 auf das optische System 15 (bzw. den ersten System-Bereich 17 davon) auftritt.
Das führt beispielsweise dazu, dass der Hauptstrahl 6, der durch den ersten Brennpunkt 16 läuft, in eine Richtung, die unabhängig ist von dem Einfallswinkel und/oder der Position mit dem/an der der Hauptstrahl 6 auf den ersten System-Bereich 17 trifft, abgelenkt wird. Die anderen Strahlen des Strahlenbündels 5, die hierin als Nebenstrahlen bezeichnet werden, die durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildet werden, definieren einen Winkel zu diesem durch den ersten Brennpunkt 16 laufenden Hauptstrahl 6, wobei der Winkel abhängig ist von dem Einfallswinkel und/oder der Einfallsposition des Strahlenbündels 5 auf den ersten System-Bereich 17.
Ein Winkel, der zwischen einem Hauptstrahl 6 und einem Nebenstrahl eines Strahlenbündels 5 (oder zum Beispiel zwischen zwei Nebenstrahlen, die mit dem Hauptstrahl eine ebene definieren) definiert ist (Divergenzwinkel), ist nach einer Abbildung durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 anders, zum Beispiel geringer oder größer, als der Divergenzwinkel vor der Abbildung. Dies kann z. B. dazu führen, dass ein divergentes oder kollimiertes Strahlenbündel 5, das über den ersten Brennpunkt 16 auf das optische System 15 trifft und abgebildet wird, als ein konvergentes Strahlenbündel 5 durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildet wird, oder dass ein divergentes Strahlenbündel 5 durch den ersten System-Bereich 17 optischen Systems 15 als ein divergentes Strahlenbündel 5 mit einer geringeren Divergenz abgebildet wird. Ebenso kann z. B. ein konvergentes Strahlenbündel 5 durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 als ein konvergentes Strahlenbündel 5 abgebildet werden, wobei eine konvergente Eigenschaft des Strahlenbündels 5 nach der Abbildung durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 stärker ausgeprägt sein kann als vor der Abbildung.
Wenn ein Strahlenbündel 5 durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 als ein konvergentes Strahlenbündel 5 abgebildet wird, kann dieses konvergente Strahlenbündel 5 einen Fokuspunkt 5a oder eine Fokuslinie 5a ausbilden. Der Fokuspunkt 5a kann der Punkt sein, an dem mehrere (z. B. alle) Strahlen des konvergenten Strahlenbündels 5 zusammenlaufen, nachdem das Strahlenbündel 5 durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildet wurde. Die Fokuslinie 5a kann eine Linie sein, die auftritt, wenn z. B. die Ausbildung des Fokuspunkts 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 Zylinderlinsen oder zusätzliche Parabelspiegel aufweist (bzw. entsprechend ausgebildet ist) oder die Spiegel der Strahlfaltvorrichtung 34 geeignete zylindrische Brechkraft aufweisen (z. B. als Parabelspiegel ausgebildet sind). 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 besser geeignet sein als ein optisches System 15, das als Brechungssystem 25 ausgebildet ist, da weniger bzw. keine chromatischen Aberrationen/Abbildungsfehler erzeugt werden. 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 mit hoher Leistungsdichte vorteilhaft ist. Bei den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen kann es in manchen Anwendungsfällen vorteilhaft sein, dass durch die erste Abbildung an dem ersten System-Bereich 17 ein „unscharfer” Fokuspunkt 5a/b ausgebildet wird (was zu einer geringeren Leistungsdichte am Fokuspunkt führt) und diese Unschärfe des Fokuspunktes 5a/b wegen der symmetrischen Eigenschaften des optischen Systems 15 durch die Abbildung an dem zweiten System-Bereich 18 wieder kompensiert wird.
Gemäß der Erfindung kann der Fokuspunkt 5a im Strahlengang der Divergenzänderungsvorrichtung 1 erst außerhalb der Divergenzänderungsvorrichtung 1 auftreten. Zum Beispiel kann eine Divergenz des von dem ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildeten Strahlenbündels 5 so sein, dass kein tatsächlicher Fokuspunkt 5a innerhalb der Divergenzänderungsvorrichtung 1 auftritt (d. h. zum Beispiel wie es im Folgenden ausgeführt ist vor einer zweiten Ablenkung des Strahlenbündels 5 durch die Strahlablenkvorrichtung 30), obwohl das durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildete Strahlenbündel 5 konvergent sein kann. Zum Beispiel kann der Strahlengang der Divergenzänderungsvorrichtung 1 so gebildet sein, dass ein konvergentes Strahlenbündel 5 erst außerhalb der Divergenzänderungsvorrichtung 1 einen Fokuspunkt 5a bildet (der dann z. B. auch der Arbeits-Fokuspunkt sein kann) oder auch niemals einen tatsächlichen Fokuspunkt 5a bildet, sondern nur so abgebildet wird, dass es ohne eine weitere Beeinflussung im Strahlengang der Divergenzänderungsvorrichtung 1 einen virtuellen Fokuspunkt 5b bilden würde. Die Fokuspunkte 5a/b können in Abhängigkeit des Einfallswinkels des Strahlenbündels 5 auf den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 auf einer Fokusfläche (z. B. Fokusebene) angeordnet sein, d. h. ein Fokuspunkt 5a/b kann je nach dem Einfallswinkel und/oder der Einfallsposition des Strahlenbündels 5 auf den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 auf einer anderen Position in der Fokusfläche angeordnet sein. Eine Fokusfläche kann eine gekrümmte Fokusfläche oder eine ebene Fokusfläche (Fokusebene) sein.
In Analogie zu den virtuellen Fokuspunkten 5b und als Folge daraus kann auch die Fokusfläche eine tatsächliche Fokusfläche 15a oder eine virtuelle Fokusfläche 15b sein, auf der die virtuellen Fokuspunkte 5b liegen würden, wenn das Strahlenbündel 5 keiner weiteren Wechselwirkung mit Komponenten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 unterliegen würde.
Gemäß der Erfindung können auch ein virtueller Fokuspunkt 5b und gleichzeitig ein tatsächlicher Fokuspunkt 5a (vgl. 1) vorhanden sein, wobei der virtuelle Fokuspunkt 5b der Fokuspunkt sein kann, den ein durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildetes Strahlenbündel 5 ausbilden würde, sofern keine Wechselwirkung mit Komponenten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 auftreten würde, und wobei der tatsächliche Fokuspunkt 5a ein Fokuspunkt sein kann, dessen Position sich aufgrund von Wechselwirkung des Strahlenbündels 5 mit Komponenten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 von der des virtuellen Fokuspunktes 5b unterscheidet.
Gemäß der Erfindung kann das optische System 15 so eingerichtet sein, dass die Fokuspunkte 5a (bzw. die virtuellen Fokuspunkte 5b) aller Strahlenbündel 5, deren Hauptstrahl 6 über den ersten Brennpunkt 16 (oder einen Punkt nahe dazu) auf den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 trifft, und die durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildet werden, auf einer Fokusfläche 15a (die in Analogie zu den virtuellen Fokuspunkten 5b eine virtuelle Fokusfläche 15b sein kann) liegen. Die Eigenschaften und die Lage der Fokusfläche 15a/b sind eine Folge der optischen Eigenschaften des optischen Systems 15. Das optische System 15 kann so ausgebildet sein, dass die Fokusfläche 15a/b eine gekrümmte Fokusfläche 15a/b ist oder sie kann eine im Bezug auf eine optische Achse des optischen Systems 15 verkippte Fokusebene 15a/b sein (zum Beispiel kann die verkippte Fokusebene so ausgebildet sein, dass der Hauptstrahl 6 eines von dem ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildeten Strahlenbündels 5 die verkippte Fokusebene 15a/b unabhängig von dem Einfallswinkel des Strahlenbündels 5 auf den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 in einer Richtung trifft, die nicht die Normalenrichtung der verkippten Fokusebene 15a/b ist) oder sie kann eine andere Fokusebene 15a/b sein.
Dementsprechend können die Fokuspunkte 5a/b aller Strahlenbündel 5, die über den ersten Brennpunkt 16 des optischen Systems 15 laufen und durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildet werden, auf einer gekrümmten Fokusfläche 15a/b liegen. Die Krümmung der gekrümmten Fokusfläche 15a/b kann durch die Ausbildung des optischen Systems 15 verursacht sein und kann z. B. eine Parabel-förmig gekrümmte Fokusfläche 15a/b sein und/oder eine Paraboloid-förmige gekrümmte Fokusfläche 15a/b sein. Die gekrümmte Fokusfläche 15a/b kann bei entsprechender Ausbildung des optischen Systems 15 auch andere Formen annehmen, z. B. kann die gekrümmte Fokusfläche 15a/b auch durch eine Funktion (z. B. ein Polynom) mit einem anderen Exponenten als zwei (wie im Falls 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 Parabelparamter oder andere Parameter einer Funktion, die die gekrümmten Fokusfläche 15a/b definiert, können frei wählbar sein.
Die telezentrische Anordnung 31 der Divergenzänderungsvorrichtung 1 weist eine Strahlablenkvorrichtung 30 auf. Die Strahlablenkvorrichtung 30 ist in oder Nahe bei (z. B. benachbart zu, z. B. angrenzend an) dem ersten Brennpunkt 16 des optischen Systems 15 angeordnet und ist dazu vorgesehen, ein Strahlenbündel 5, das auf die Strahlablenkvorrichtung 30 fällt, auf den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abzulenken. Die Strahlablenkvorrichtung 30 ist dazu eingerichtet, den Auftreffort und/oder den Auftreffwinkel des auf den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgelenkten Strahlenbündels 5 einzustellen. Die Strahlablenkvorrichtung 30 kann zusammenwirkend mit dem optischen System 15 dazu dienen, den (ggf. virtuellen) Fokuspunkt 5a/b eines Strahlenbündels 5 auf einer (ggf. virtuellen) Fokusfläche 15a/b zu verschieben, indem der Auftreffpunkt und/oder Auftreffwinkel des Strahlenbündels 5 auf den ersten System-Bereich 17 des optische Systems 15 mittels der Strahlablenkvorrichtung 30 eingestellt wird.
Die Strahlablenkvorrichtung 30 kann z. B. ein drehbarer Spiegel 30 mit einem Freiheitsgrad sein (d. h. zum Beispiel, dass er eine Drehachse haben kann). Zur Drehung des drehbaren Spiegels 30 kann dieser mit 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 ermöglichen können. Die Strahlablenkvorrichtung 30 kann ein Galvanometer-Scanner sein, der einen Spiegel, der mit einem Galvanometer-Antrieb drehbar verbunden ist, aufweist. Die Strahlablenkvorrichtung 30 kann einen solchen Aufbau haben und/oder mit solchen Materialien hergestellt sein, dass sie geeignet ist zur Abbildung von Strahlenbündeln 5 mit hoher Energie/Leistung.
Zusätzlich kann gemäß der Erfindung die Divergenzänderungsvorrichtung 1 mit einer Steuereinrichtung 50 (siehe z. B. 2 oder 4) bereitgestellt sein, um die Strahlablenkvorrichtung 30 so zu steuern, dass sie einen Einfallswinkel bzw. eine Einfallsposition des Strahlenbündels 5 auf das optische System 15 wahlweise und steuerbar einstellen kann. Wenn die Strahlablenkvorrichtung 30 zum Beispiel einen drehbaren Spiegel 30 aufweist, der mittels eines Aktuators drehbar ist, kann die Steuereinrichtung den Aktuator steuern, der wiederum eine Drehung des Spiegels um einen vorbestimmten Drehwinkel durch eine mechanische Drehung des Spiegels erzeugen kann. Die Steuereinrichtung 50 kann zusätzlich auch mit der Strahlenquelle 10 verbunden sein, um den Betrieb der Strahlenquelle 10 zu steuern. Die Steuereinrichtung 50 kann so eingerichtet sein, dass sie eine Divergenz bzw. eine Divergenzänderung des von dem zweiten System-Bereich 18 auf die Strahlablenkvorrichtung 30 einfallenden Strahlenbündels in Anhängigkeit eines Eingabewerts und/oder eines Algorithmus einstellen kann. Zum Beispiel kann der Steuereinrichtung 50 von einem Benutzer oder einen weiteren Steuergerät ein gewünschter Divergenzwert bereitgestellt werden, und das Steuergerät kann die Divergenz mittels einer entsprechenden Einstellung der Strahlablenkvorrichtung 30 einstellen, zum Beispiel auch unter Benutzung einer Regelung, die als Rückführgröße eine tatsächliche, gemessene Divergenz des Strahlenbündels 5 verwendet.
Der drehbare Spiegel 30 kann eine erste Spiegelfläche 30a aufweisen, die als Planspiegel ausgeführt sein kann oder die als Spiegelfläche 30a mit einer anderen Geometrie ausgeführt sein kann, z. B. als Parabolspiegelfläche, Parabelspiegelfläche oder als Freiform-Spiegelfläche. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Strahlablenkvorrichtung 30 auch als drehbarer Doppelspiegel 30 mit einer ersten 30a und einer zweiten 30b Spiegelfläche ausgeführt sein, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein können, wobei die jeweiligen Flächennormalen der Spiegelflächen gegensätzlich angeordnet sind. Die erste Spiegelfläche 30a kann auch einen Winkel mit der zweiten Spiegelfläche 30b definieren.
Die Strahlablenkvorrichtung 30 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 Divergenzänderungsvorrichtung 1 weist eine Strahlfaltvorrichtung 34 auf. Die Strahlfaltvorrichtung 34 ist so ausgebildet, dass sie ein Strahlenbündel 5, das durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildet wurde, wieder über das optischen System 15, nämlich über den zweiten System-Bereich 18 des optischen Systems 15, zur Strahlablenkvorrichtung 30 zurückführt. Zum Beispiel kann die Strahlfaltvorrichtung 34 ein Strahlenbündel 5, das mittels der Strahlablenkvorrichtung 30 auf den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgelenkt wird und mittels des optischen Systems 15 von dem ersten System-Bereich 17 abgebildet wird, zu dem zweiten System-Bereich 18 des optischen Systems 15 ablenken. Die Strahlfaltvorrichtung 34 kann so ausgebildet sein, dass ein Hauptstrahl 6 eines Strahlenbündels 5, das in die Strahlfaltvorrichtung 34 einfällt, im Wesentlichen parallel ist zu dem Hauptstrahl 6 des Strahlenbündel 5, der die Strahlfaltvorrichtung 34 verlässt, und das ausfallende Strahlenbündel 5 kann eine entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung zu dem einfallenden haben. Die Strahlfaltvorrichtung 34 kann auch so ausgebildet sein, dass der Hauptstrahl 6 eines Strahlenbündels 5, das in die Strahlfaltvorrichtung 34 einfällt, nicht parallel ist zu dem Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5, das die Strahlfaltvorrichtung verlässt, zum Beispiel wenn der erste und der zweite System-Bereich 17 bezüglich ihrer optischen Achsen verkippt zueinander sind und die Strahlfaltvorrichtung 34 so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie die Verkippung kompensiert.
Die Strahlfaltvorrichtung 34 kann so eingerichtet und angeordnet sein, dass ein Hauptstrahl 6 eines auf sie einfallenden Strahlenbündels 5 einen Abstand zu dem Hauptstrahl 6 des von ihr ausfallenden Strahlenbündels 5 hat, und der Hauptstrahl 6 des einfallenden Strahlenbündels 5 und der Hauptstrahl 6 des ausfallenden Strahlenbündels 5 können symmetrisch sein bezüglich einer Ebene des optischen Systems 15, die die optische Achse enthält. Wie es z. B. in der 4 dargestellt ist, kann die Strahlfaltvorrichtung 34 auch so eingerichtet und angeordnet sein, dass keine solche Symmetrie vorliegt.
Die Strahlfaltvorrichtung 34 kann bezüglich des optischen Systems 15 ortsfest und drehfest sein. Die Strahlfaltvorrichtung 34 kann einen ersten Strahlfalt-Spiegel 35 und/oder einen zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 aufweisen. Der erste 35 und/oder zweite 40 Strahlfalt-Spiegel können bezüglich des optischen Systems 15 ortsfest sein und können jeweils einen (z. B. unveränderbaren) definierten Winkel miteinander und/oder mit dem optischen System 15 definieren. Der erste Strahlfalt-Spiegel 35 und/oder der zweite Strahlfalt-Spiegel 40 können jeweils einen Planspiegel aufweisen bzw. ein solcher sein. Die Strahlfaltvorrichtung 34 (z. B. der erste 35 und/oder zweite 40 Strahl-Faltspiegel) kann so ausgebildet sein, dass sie zum Reflektieren von Laserstrahlung mit hoher Leistung, wie es z. B. in der Materialbearbeitung benutzt wird, geeignet ist.
Der erste Strahlfalt-Spiegel 35 kann so angeordnet sein, dass das Strahlenbündel 5 nach der z. B. im Wesentlichen telezentrischen Abbildung durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 der telezentrischen Anordnung 31 auf den ersten Strahlfalt-Spiegel 35 trifft, z. B. in einem Winkel bezüglich des Hauptstrahls 6 von im Wesentlichen 45° oder in einem anderen Winkel. Der erste Strahlfalt-Spiegel 35 kann so angeordnet sein, dass ein durch das optische System 15 konvergierend abgebildetes Strahlenbündel 5 konvergierend auf den ersten Strahlfalt-Spiegel 35 trifft (d. h. z. B. geometrisch bevor das Strahlenbündel 5 einen Fokuspunkt 5a auf der gekrümmten Fokusfläche 15a bildet) oder divergierend auf den ersten Strahlfalt-Spiegel 35 trifft (d. h. z. B. geometrisch nachdem das Strahlenbündel 5 den Fokuspunkt 5a auf der gekrümmten Fokusfläche 15a bildet und das Strahlenbündel 5 divergiert). Der erste Strahlfalt-Spiegel 35 kann so eingerichtet sein, dass er das auf sich einfallende Strahlenbündel in einem Winkel ablenkt, so dass das auf den ersten Strahlfalt-Spiegel 35 einfallende Strahlenbündel 5 einen Winkel mit dem von dem ersten Strahlfalt-Spiegel 35 ausfallenden Strahlenbündel 5 definiert (z. B. bzgl. eines Hauptstrahls 6 des Strahlenbündels 5).
Der zweite Strahlfalt-Spiegel 40 kann so angeordnet sein, dass das mittels des ersten Strahlfalt-Spiegels 35 abgelenkte Strahlenbündel 5 auf den zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 trifft, z. B. in einem Winkel von im Wesentlichen 45° bezüglich des Hauptstrahls 6 oder in einem anderen Winkel. Der zweite Strahlfalt-Spiegel 40 kann so angeordnet sein, dass ein durch den ersten System-Bereich 17 des optische System 15 konvergierend abgebildetes und weiter durch den ersten Strahlfalt-Spiegel 35 abgelenktes Strahlenbündel 5 konvergierend auf den zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 trifft (d. h. z. B. geometrisch bevor das Strahlenbündel 5 den Fokuspunkt 5a auf der gekrümmten Fokusfläche 15a bildet) oder divergierend auf den zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 trifft (d. h. z. B. geometrisch nachdem das Strahlenbündel 5 den Fokuspunkt 5a auf der gekrümmten Fokusfläche 15a bildet und das Strahlenbündel 5 divergiert). Der zweite Strahlfalt-Spiegel 40 kann so eingerichtet sein, dass er das auf sich einfallende Strahlenbündel in einem Winkel ablenkt, so dass das auf den zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 einfallende Strahlenbündel 5 einen Winkel mit dem von dem ersten Strahlfalt-Spiegel 40 ausfallenden Strahlenbündel 5 definiert (z. B. bzgl. eines Hauptstrahls 6 des Strahlenbündels 5).
Zwischen dem ersten Strahlfalt-Spiegel 35 und dem zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 können weitere Strahlfalt-Zwischenspiegel angeordnet sein, über die das Strahlenbündel 5 von dem ersten Strahlfalt-Spiegel 35 auf den zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 abgelenkt werden kann.
Die Strahlfaltvorrichtung 34 kann auch eine andere Anzahl von Strahlfalt-Spiegeln als zwei Strahlfalt-Spiegel aufweisen.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung können Strahlfaltspiegel (zum Beispiel der erste Strahlfalt-Spiegel 35, der sich im Strahlengang nach dem ersten System-Bereich 17 befindet, und der zweite Strahlfalt-Spiegel 40, der sich im Strahlengang vor dem zweiten System-Bereich 18 befindet, mit einer zylindrischen Abbildungseigenschaft bereitgestellt sein (d. h. beispielsweise als Parabelspiegel ausgebildet sein), um die Ausbildung eines „punktförmigen” Fokuspunktes 5a mit hoher Leistungs-/Energiedichte zu vermeiden.
Die Strahlfaltvorrichtung 34 kann auch eine Mehrzahl von Prismen aufweisen, durch die ein Strahlenbündel 5 abgelenkt wird, z. B. von einem ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 zu einem zweiten System-Bereich 18 des optischen Systems 15.
Die Strahlfaltvorrichtung 34 kann auch mindestens eine Linse (z. B. Sammellinse) und einen Spiegel, der im (oder nahe bei dem) Brennpunkt dieser Linse angeordnet ist, aufweisen, wobei die Linse und der Spiegel so eingerichtet und angeordnet sein können, dass ein Strahlenbündel 5, das von dem ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 kommend auf die Strahlfaltvorrichtung 34 trifft, mittels der Strahlfaltvorrichtung 34 wie oben beschrieben auf den zweiten System-Bereich 18 des optischen Systems 15 abgelenkt wird.
Das durch die Strahlfaltvorrichtung 34 auf den zweiten System-Bereich 18 des optischen Systems 15 der telezentrischen Anordnung 31 treffende Strahlenbündel 5 kann durch das optische System 15 (bzw. den zweiten System-Bereich 18 davon) funktionalumgekehrt abgebildet werden (z. B. umgekehrt-telezentrisch) und der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5 kann von dem zweiten System-Bereich 18 des optischen Systems 15 wieder auf den ersten Brennpunkt 16 des optischen Systems 15 abgelenkt werden, und andere Strahlen des Strahlenbündels 5 können in einem Winkel zu dem Hauptstrahl, der auf den ersten Brennpunkt 16 abgebildet wird, abgebildet werden, so dass ein konvergentes, kollimiertes oder divergentes Strahlenbündel 5 erzeugt werden kann. Die Divergenz des Strahlbündels, das die Divergenzänderungsvorrichtung verlässt, kann somit durch die Einstellung eines Ablenkwinkels der Strahlablenkvorrichtung in einem Einstellbereich eingestellt werden.
Die Komponenten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 (z. B. Strahlenquelle 10, optisches System 15, Strahlablenkvorrichtung 30, Strahlfaltvorrichtung 34) können so angeordnet sein, dass ein Strahlenbündel 5, das von der Strahlenquelle 10 erzeugt wird, optional unmittelbar (”unmittelbar” kann hierin bedeuten, dass keine weitere optische Komponente zwischen zwei Komponenten angeordnet ist, ausgenommen ein Medium wie z. B. Luft oder ein anderes Gas), auf die Strahlablenkvorrichtung 30 treffen kann.
Die Strahlablenkvorrichtung 30 ist in dem ersten Brennpunkt 16 des optischen Systems 15 angeordnet oder (z. B. nahe) benachbart zu dem ersten Brennpunkt 16 und ist so eingerichtet, dass sie das Strahlenbündel 5 auf den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 ablenkt. Das Strahlenbündel 5 kann mittels der Strahlablenkvorrichtung 30 in einem unterschiedlichen Einfallwinkel (und/oder an einer unterschiedlichen Position) auf das optische System 15 treffen (im Falle eines drehbaren Spiegels als der Strahlablenkvorrichtung 30 z. B. je nach einem Drehwinkel des drehbaren Spiegels 30). Wie oben beschrieben führt dies dazu, dass das Strahlenbündel 5 von dem ersten System-Bereich 17 mit einer im Vergleich zu vor der Abbildung geringeren Divergenz so abbildet wird, dass das Strahlenbündel 5 von dem ersten System-Bereich 17 des optische Systems 15 ausfällt. Sofern das Strahlenbündel 5 als ein konvergierendes Strahlenbündel 5 abgebildet wird, kann das Strahlenbündel einen (z. B. virtuellen) Fokuspunkt 5a/b bilden, der in Abhängigkeit des Einfallswinkels des Strahlenbündels 5 auf den ersten System-Bereich 17 des optische System 15 auf einer (ggf. virtuellen) gekrümmten Fokusfläche oder (ggf. virtuellen) verkippten (z. B. virtuellen) Fokusebene 15a/b liegen kann. Die verkippte Fokusebene 15a/b kann z. B. bezüglich einer optischen Achse des optischen Systems 15 verkippt sein, d. h. die optische Achse kann die verkippte Fokusebene in einer Richtung, die nicht die Normalenrichtung der Fokusebene ist, schneiden. In Abhängigkeit der Strahlablenkvorrichtung 30 kann also zum Beispiel ein (virtueller) Fokuspunkt 5a/b des Strahlenbündels 5 auf der (virtuellen) Fokusfläche/Fokusebene 15a/b verschoben sein.
Die Divergenzänderungsvorrichtung 1 kann dazu bereitgestellt sein, einen Arbeits-Fokuspunkt (z. B. auf einer Werkstückoberfläche) eines Strahlenbündels 5, das von der Strahlenquelle 10 bereitgestellt wird, einzustellen, indem es mittels der Strahlablenkvorrichtung 30 mit unterschiedlichen Einfallswinkeln (und/oder unterschiedlichen Einfallspositionen) dem ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 zugeführt wird, wodurch eine Divergenz des von dem optischen System 15 abgebildeten Strahlenbündels 5 einstellbar sein kann. Das durch den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 abgebildete Strahlenbündel 5 kann mittels der Strahlfaltvorrichtung 34 wieder auf das optische System 15 abgelenkt werden (auf den zweiten System-Bereich 18 davon) und durch den zweiten System-Bereich 18 des optischen Systems 15 funktional-umgekehrt-telezentrisch abgebildet werden, so dass der Hauptstrahl 6 des abgebildeten Strahlenbündels 5 wieder auf die Strahlablenkvorrichtung 30 trifft bei dem ersten Brennpunkt 16 (oder einen Punkt in der Nähe des Brennpunktes 16). Dadurch wird eine Ausgangslange und Ausgangsrichtung des von der Strahlablenkvorrichtung 30 ausfallenden Strahls (der von dem zweiten System-Bereich 18 kommt) im Wesentlichen unabhängig von einem Einfallswinkel bzw. einer Einfallsposition, in dem bzw. an der das Strahlenbündel 5 auf den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 trifft, konstant gehalten. Mit der Divergenzänderungsvorrichtung 1 kann also mit oder ohne eine zusätzliche Fokussiereinrichtung ein in seiner Lage entlang der Strahlausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 5 verstellbarer Fokus in einer Arbeitsebene, z. B. außerhalb der Divergenzänderungsvorrichtung 1, realisiert sein, wobei die Lage und Richtung des von der Strahlablenkvorrichtung 30 ausfallenden Strahls (nach einer zweimaligen Abbildung mittels des optischen Systems 15) konstant und unabhängig sein kann von der Lage des Fokus.
Anders ausgedrückt kann durch die Krümmung oder Verkippung der Fokusfläche 15a/b erreicht werden, dass die gesamte Divergenzänderung des Strahlbündels 5, die während des Passierens durch die Divergenzänderungsvorrichtung 1 in Summe auftritt, von dem eingestellten Ablenkwinkel der Strahlablenkvorrichtung 30 abhängt. In den Ausführungsformen, bei denen ein reeller (d. h. tatsächlicher) Fokuspunkt 5a (Zwischenfokus) oder eine reelle Fokuslinie 5a (Zwischenlinienfokus) entsteht, liegt die Ursache für die Veränderung der Divergenz in der einstellbaren Weglänge des Wegs entlang des Hauptstrahls 6 vom Fokuspunkt 5a bis zum zweiten System-Bereich 18 (wird der Fokuspunkt bzw. die Fokuslinie 5a nur virtuell ausgebildet, gilt die Beschreibung analog). Diese Weglänge variiert aufgrund der Krümmung bzw. Verkippung der Fokusfläche 15a/b und kann durch die Wahl eines Ablenkwinkels der Strahlablenkvorrichtung 30 eingestellt werden. Hierdurch wird der Fokuspunkt 5a/b 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 System-Bereichs 18 die Krümmung oder Verkippung der Fokusfläche 15a/b, die durch den ersten System-Bereich 17 verursacht ist, nicht voll kompensiert (zum Beispiel sogar verstärkt). In den in den 1 bis 5 gezeigten Divergenzänderungsvorrichtungen 1 kann dies beispielsweise dann der Fall sein, wenn gleichartige erste und zweite System-Bereiche 17 und 18 verwendet werden, also zum Beispiel zwei symmetrische oder ähnliche (z. B. skalierte) Objektivhälften oder gleich orientierte Paraboloidsegmente, oder die System-Bereiche 17 und 18 monolithisch-integrale achssymmetrische Paraboloide oder monolithisch-integrale achssymmetrische Linsesysteme sind.
Die Divergenzänderungsvorrichtung 1 kann so angeordnet und ausgebildet sein, dass ein Fokuspunkt 5a des Strahlenbündels zwischen dem optischen System 15 und dem ersten Strahlfalt-Spiegel 35, zwischen dem ersten Strahlfalt-Spiegel 35 und dem zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 (z. B. im Strahlengang vor oder hinter einem Strahlfalt-Zwischenspiegel (siehe unten)), und/oder zwischen dem zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 und dem optischen System 15 auftritt, und/oder die Divergenzänderungsvorrichtung 1 kann so ausgebildet sein, dass ein Fokuspunkt erst außerhalb der Divergenzänderungsvorrichtung 1 auftritt und/oder kein tatsächlicher und/oder virtueller Fokuspunkt 5a/b auftritt.
Alle Komponenten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 können so angeordnet sein, dass sie entfernt von einem Fokuspunkt 5a des Strahlenbündels 5 angeordnet sind, wodurch die maximale elektromagnetische Leistungsdichte (Intensität) oder die maximale elektromagnetische Energiedichte (bei gepulster Strahlung), der die Komponenten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 ausgesetzt sind, verringert sein kann. Dadurch kann die Divergenzänderungsvorrichtung 1 zur Verwendung mit starken Strahlenquellen (z. B. Hochleistungsstrahlenquellen) 10 geeignet sein, wie sie z. B. zur Materialbearbeitung notwendig sein können.
Die Divergenzänderungsvorrichtung 1 (bzw. das optische System 15) kann zusätzliche optische Komponenten wie z. B. eine oder mehrere Zylinderlinsen im Strahlengang aufweisen, durch die eine tatsächliche Ausbildung eines „punktförmigen” Fokuspunktes 5a verhindert sein kann, um so eine hohe Leistungsdichte (Energiedichte) an einem Punkt zu vermeiden. Zum Beispiel kann ein erstes optisches Element mit einer zylindrischen Abbildungseigenschaft im Strahlengang nach dem ersten Strahl-Faltspiegel 35 angeordnet sein und ein weiteres optisches Element, das eine dem ersten optischen Element im Wesentlichen entsprechende, funktional-umgekehrte zylindrische Abbildungseigenschaft aufweist, im Strahlengang vor dem zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 (oder zum Beispiel allgemeiner vor dem im Strahlengang letzten Strahl-Faltspiegel vor einer zweiten Abbildung durch das optische System 15) angeordnet sein. Der Fokuspunkt kann somit eine virtuelle Fokuslinie 5b sein und/oder kann eine (tatsächliche) Fokuslinie 5a sein.
Die Strahlenquelle 10, das optische System 15, die Strahlablenkvorrichtung 30 und die Strahlfaltvorrichtung 34 können optional so angeordnet sein, dass sich zwischen ihnen keine anderen optischen Komponenten befinden, d. h. sie können in einem Strahlengang unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet sein. Es kann eine optische Komponente, z. B. mit positiver Brechkraft (z. B. eine Sammellinse) im Strahlengang zwischen der Strahlenquelle 10 und der Strahlablenkvorrichtung 30 oder im Strahlengang nach einer zweiten Abbildung durch das optische System 15, z. B. nach einer (zweiten) Ablenkung durch die Strahlablenkvorrichtung 30, oder an einer anderen Stelle bereitgestellt sein, und/oder (gleichzeitig oder als Alternative) kann eine optische Komponente mit negativer Brechkraft (z. B. eine Streulinse) im Strahlengang zwischen der Strahlenquelle 10 und der Strahlablenkvorrichtung 30 oder im Strahlengang nach einer zweiten Abbildung durch das optische System 15, z. B. nach einer (zweiten) Ablenkung durch die Strahlablenkvorrichtung 30, oder an einer anderen Stelle bereitgestellt sein.
Gemäß der Erfindung können die die Strahlablenkvorrichtung 30, das optische System 15 und die Strahlfaltvorrichtung 34 so eingerichtet und angeordnet sein, dass der Hauptstrahl 6 eines Strahlenbündels 5, das von der Strahlenquelle 10 kommend zum ersten Mal auf die Strahlablenkvorrichtung 30 trifft, entlang einer ersten Halbgeraden (z. B. geraden Linie) auf diese trifft. Ein Endpunkt der ersten Halbgeraden kann in oder nahe bei dem ersten Brennpunkt 16 liegen, und das Strahlenbündel 5 kann von der Strahlenquelle 10 kommend entlang der ersten Halbgeraden zum dem Endpunkt der ersten Halbgeraden hin laufend auf die Strahlablenkvorrichtung 30 treffen. Der zweite Strahlfalt-Spiegel 40 kann so angeordnet sein, dass er das Strahlenbündel 5 so ablenkt, dass es wieder auf das optische System 15 trifft, d. h. auf den zweiten System-Bereich 18 des optischen Systems 15, so dass der Hauptstrahl 6 dieses Strahlenbündels 5 durch den zweiten System-Bereich 18 des optischen Systems 15 wieder auf den ersten Brennpunkt 16 abgelenkt wird, um dort (oder nahe bei diesem) wieder auf die Strahlablenkvorrichtung 30 zu treffen, und so dass die Nebenstrahlen (oder ein Teil der Nebenstrahlen) dieses Strahlenbündels 5 wieder auf die Strahlablenkvorrichtung 30 treffen. Der Hauptstrahl 6 dieses Strahlenbündels 5 kann dann von der Strahlablenkvorrichtung 30 weg entlang einer zweiten Halbgeraden (z. B. zweiten geraden Linie), deren Endpunkt in oder nahe bei dem ersten Brennpunkt 16 liegen kann, abgelenkt werden, wobei die zweite Halbgerade im Wesentlichen eine konstante und unabhängige Lage hat, die von dem Einfallwinkel bzw. dem Einfallort des Strahlenbündels 5 auf das optische System 15 unabhängig ist, und die Nebenstrahlen (oder ein Teil der Nebenstrahlen) können entsprechend abgelenkt werden. Die oben beschriebene zweite Halbgerade ist bis auf maximal einen gemeinsamen Punkt (z. B. können die Endpunkte der ersten Halbgeraden und der zweiten Halbgeraden in/nahe bei dem ersten Brennpunkt 16 zusammenfallen) nicht identisch mit der ersten Halbgeraden, kann jedoch mit dieser kollinear sein (zum Beispiel in einer Divergenzänderungsvorrichtung 1, die auf der in der 5 gezeigten, unten detaillierter beschriebenen Ausführungsform basiert). Dadurch ist das Strahlenbündel 5, das die Strahlablenkvorrichtung 30 von dem optischen System 15 kommend verlässt, räumlich getrennt von dem von der Strahlenquelle 10 kommenden Strahlenbündel 5 und kann die Strahlablenkvorrichtung 30 in einer im Wesentlichen konstanten Richtung und Lage verlassen.
Die 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung in der das optische System 15 als ein Brechungssystem 25, die Strahlablenkvorrichtung 30 als ein drehbarer Spiegel 30 mit einer ersten Spiegelfläche 30a, und die Strahlfaltvorrichtung 34 als ein erster Strahlfalt-Spiegel 35 und ein zweiter Strahlfalt-Spiegel 40 ausgebildet sind. Das Brechungssystem 25 weist hier einen ersten System-Bereich 17 und einen zweiten System-Bereich 18 auf, die monolithisch integral gebildet sind. Die 1a zeigt eine Ansicht dieser Divergenzänderungsvorrichtung 1 von oben und die 1b eine Seitenansicht der im Wesentlichen gleichen Divergenzänderungsvorrichtung 1.
Das Brechungssystem 25 kann z. B. ein Objektiv (z. B. ein Linsesystem) sein, das einen ersten Brennpunkt 16 hat. Der erste Brennpunkt 16 kann eine endliche Entfernung zu dem Brechungssystem 25 haben. Das Brechungssystem 25 ist mit dem drehbaren Spiegel 30 als eine einseitig-telezentrische Anordnung 31 bereitgestellt. Das Brechungssystem 25 ist hier so eingerichtet, dass ein Strahl des Strahlenbündels 5, der über den ersten Brennpunkt 16 auf den ersten System-Bereich 17 des Brechungssystems 25 trifft (Hauptstrahl 6), in eine im Wesentlichen konstante, vom Einfallswinkel unabhängige Richtung abgelenkt wird, und die Strahlen des Strahlenbündels 5, die nicht über den ersten Brennpunkt 16 auf den ersten System-Bereich 17 des optischen Systems 15 treffen (Nebenstrahlen), mit einer Divergenz bezüglich des Hauptstrahls 6 abgebildet werden, die anders (d. h. größer oder kleiner) ist als die Divergenz vor der Abbildung mittels des Brechungssystems 25. Im Falle eines Strahlenbündels 5, das den ersten System-Bereich 17 des Brechungssystems 25 konvergierend verlässt (wie es in der 1 auch dargestellt ist), kann sich ein Fokuspunkt des Strahlenbündels 5 ergeben. Anhand der 1a und 1b ist ersichtlich, dass das Strahlenbündel 5 durch den ersten System-Bereich 17 des Brechungssystems 25 auf einen virtuellen Fokuspunkt 5b abgebildet wird, aber aufgrund der Anordnung und Ausbildung des ersten Strahl-Faltspiegels 35 das konvergierende Strahlenbündel 5 so abgelenkt wird, dass ein tatsächlicher Fokuspunkt 5a auftritt, der eine andere Lage als der virtuelle Fokuspunkt 5b hat.
Das Brechungssystem 25 (bzw. der erste System-Bereich 17 davon) ist so eingerichtet, dass alle virtuellen Fokuspunkte 5b des Strahlenbündels 5 auf einer gekrümmten virtuellen Fokusfläche 15b liegen und die Position eines virtuellen Fokuspunkts 5b auf der virtuellen Fokusfläche 15b abhängig ist von dem Einfallswinkel, mit dem das Strahlenbündel 5 auf das Brechungssystem 25 trifft. Dementsprechend liegen auch die tatsächlichen Fokuspunkte 5a auf einer entsprechenden gekrümmten Fokusfläche 15a (vgl. 1b), die allerdings aufgrund des Strahl-Faltspiegels 35 eine andere Lage und Orientierung als die virtuelle Fokusfläche 15b hat.
Zur Einstellung des Einfallswinkels des Strahlenbündels 5 auf das Brechungssystem 25 ist der drehbare Spiegel 30 so bereitgestellt, dass ein Strahlenbündel 5, das von der Strahlenquelle 10 auf den drehbaren Spiegel 30 (d. h. die erste Spiegelfläche 30a davon) einfällt, mittels des drehbaren Spiegels 30 (bzw. der ersten Spiegelfläche 30a) dem Brechungssystem 25 in dem ersten System-Bereich 17 zugeführt wird, und zwar so, dass der Einfallswinkel des Strahlenbündels 5 auf den ersten System-Bereich 17 des Brechungssystem 25 abhängig ist von dem Drehwinkel des drehbaren Spiegels 30 (bzw. der ersten Spiegelfläche 30a). Wie oben beschrieben, sind der erste Strahlfalt-Spiegel 35 und der zweite Strahlfalt-Spiegel 40 so angeordnet, dass das durch den ersten System-Bereich 17 des Brechungssystems 25 abgebildete Strahlenbündel 5 zurück auf das Brechungssystem 25 abgelenkt wird, und zwar auf den zweiten System-Bereich 18 davon. Das Strahlenbündel 5 wird dabei so abgelenkt, dass es auf der gleichen Seite, auf der es das Brechungssystem 25 in dem ersten System-Bereich 17 verlassen hat, wieder auf den zweiten System-Bereich 18 des Brechungssystem 25 trifft. Der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5, das auf den zweiten System-Bereich 18 trifft, wird wieder auf den ersten Brennpunkt 16 abgelenkt und trifft dort (oder nahe dazu) wieder auf die erste Spiegelfläche 30a des drehbaren Spiegels 30. Die Nebenstrahlen des Strahlenbündels 5 werden korrespondierend abgelenkt (abgebildet). Somit kann eine Divergenz der Strahlen des Strahlenbündels 5 durch die wiederholte, umgekehrte, Abbildung durch das Brechungssystem 25 verstärkt oder verringert oder unverändert sein.
Die 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der das optische System 15 der telezentrischen Anordnung 31 als ein Reflexionssystem 20 mit einem Parabolspiegel 20 ausgebildet ist, und die ähnlich wie in 1 gezeigt einen drehbaren Spiegel 30 mit einer ersten Spiegelfläche 30a als Strahlablenkvorrichtung 30, sowie einen ersten 35 und einen zweiten 40 Strahl-Faltspiegel als die Strahlfaltvorrichtung 34 aufweist. Der Parabolspiegel 20 hat einen ersten Brennpunkt 16 und einen ersten System-Bereich 17 und einen zweiten System-Bereich 18, wobei der erste Brennpunkt 16 eine endliche Entfernung zu dem Parabolspiegel 20 hat. Der Parabolspiegel 20 hat die Eigenschaft, dass ein Strahl, der durch den (oder durch einen Punkt nahe bei dem) ersten Brennpunkt 16 auf den Parabolspiegel 20 trifft, in eine Richtung reflektiert wird, die im Wesentlichen unabhängig ist von dem Einfallwinkel (und der Einfallposition) des Strahls auf den Parabolspiegel 20, so dass solche Strahlen im Wesentlichen parallel zueinander und im Abstand zueinander in eine konstante Richtung abgelenkt werden. Der Parabolspiegel 20 hat hier eine Form bzw. Reflexionsfläche, die im Wesentlichen durch eine Paraboloidgleichung beschrieben ist. Mit Bezug auf die 2 und 3 kann der Parabolspiegel 20 eine paraboloide Form (bzw. Reflexionsfläche) aufweisen, z. B. kann er eine Rotationsparaboloid-Fläche aufweisen. Es ist eine Abbildungseigenschaft des Parabolspiegels 20, dass Strahlen, die durch den ersten Brennpunkt 16 auf den Parabolspiegel 20 treffen, in einer Richtung abgelenkt werden, die unabhängig ist von dem Einfallwinkel und der Einfallposition auf den Parabolspiegel 20, und Strahlen, die nicht durch den ersten Brennpunkt 16 auf den Parabolspiegel 20 treffen, in einem Winkel zu Strahlen, die durch den ersten Brennpunkt 16 auf den Parabolspiegel 20 treffen, abgelenkt werden. Die geometrischen Dimensionen der Komponenten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 (z. B. des Parabolspiegels 20, d. h. zum Beispiel der Rotationswinkel, den ein (Rotations-)Parabolspiegel 20 gemäß der Erfindung aufspannt), können gemäß den gewünschten Eigenschaften der Divergenzänderungsvorrichtung 1 so gewählt sein, dass sie im Wesentlichen den minimal erforderlichen Dimensionen entsprechen.
Die telezentrische Anordnung 31 der Divergenzänderungsvorrichtung 1, die in den 2 und 3 dargestellt ist, weist eine Strahlablenkvorrichtung 30 auf, die als ein drehbarer Spiegel 30 mit einer ersten Spiegelfläche 30a ausgebildet ist, und eine Strahlfaltvorrichtung 34, die als eine erster 35 und einen zweiter 40 Strahlfalt-Spiegel ausgebildet ist. Gemäß den 2 und 3 trifft ein Strahlenbündel 5 von der Strahlenquelle 10 auf die erste Spiegelfläche 30a des drehbaren Spiegels 30 und wird von dieser auf den ersten System-Bereich 17 des Parabolspiegels 20 abgelenkt, wobei der drehbare Spiegel 30 (bzw. die erste Spiegelfläche 30a davon) im ersten Brennpunkt 16 oder Nahe (z. B. benachbart) bei dem ersten Brennpunkt 16 angeordnet sein kann. In Abhängigkeit des Drehwinkels der ersten Spiegelfläche 30a des drehbaren Spiegels 30 trifft das Strahlenbündel 5 unter verschiedenen Einfallswinkeln (und damit auch an verschiedenen Einfallsorten) auf den ersten System-Bereich 17 des Parabolspiegels 20. Ein Strahl, der durch den ersten Brennpunkt 16 auf den Parabolspiegel 20 trifft (Hauptstrahl), wird durch den ersten System-Bereich 17 des Parabolspiegels 20 reflektiert in eine Richtung, die konstant und unabhängig ist von dem Einfallswinkel bzw. dem Einfallsort des Strahls, und ein Strahl, der nicht (z. B. direkt) durch den ersten Brennpunkt 16 läuft, wird in einem Winkel relativ zu dem Hauptstrahl 6 abgelenkt. Ein Strahlenbündel 5 ausgehend von der Strahlenquelle 10 wird also von dem ersten System-Bereich 17 des Parabolspiegel 20 so reflektiert, dass es den Parabolspiegel 20 mit einer Divergenz verlässt, die hier geringer ist als die Divergenz die das Strahlenbündel 5 hat, bevor es auf den ersten System-Bereich 17 des Parabolspiegel 20 trifft, wobei die Divergenz in anderen Ausführungsformen jedoch auch größer sein kann als die Divergenz vor der Abbildung. Im Falle eines konvergierenden Strahlenbündels 5 kann ein Fokuspunkt 5a vorhanden sein an dem Punkt, an dem Strahlen des Strahlenbündels 5, die mit einem Winkel zu dem Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5 reflektiert wurden, schneiden, oder es kann ein virtueller Fokuspunkt 5b vorhanden sein an einem Punkt, an dem sich die Strahlen ohne eine weitere Beeinflussung des Strahlenbündels 5 schneiden wurden. Aufgrund der unterschiedlichen Krümmungen, die der Parabolspiegel 20 z. B. entlang seiner Reflexionsfläche, aufweisen kann, kann die Divergenz des Strahlenbündels 5, das mittels des Parabolspiegels 20 reflektiert ist, abhängig sein von dem Auftreffpunkt des Strahlenbündels 5 auf den Parabolspiegel 20. Im Falle eines Strahlenbündels 5, das von dem Parabolspiegel 20 als ein konvergierendes Strahlenbündel 5 abgebildet wird, kann sich eine (z. B. virtuelle) gekrümmte Fokusfläche 15a/b ergeben, auf der sich (virtuelle) Fokuspunkte 5a des reflektierten Strahlenbündels 5 befinden können. Eine virtuelle Fokusfläche 15b ist in der 2 qualitativ und schematisch mit einer Strich-Linie angezeigt, wobei die Fokusfläche auch anders ausgebildet sein kann, z. B. kann die Fokusfläche 15b eine andere als die dargestellte Krümmung aufweisen. Durch eine Drehung des drehbaren Spiegels 30 (und folglich der ersten Spiegelfläche 30a) kann gemäß der Erfindung ein Strahlverlauf in der Divergenzänderungsvorrichtung 1 gewählt werden, der der Wahl eines (z. B. virtuellen) Fokuspunktes 5a/b in der (z. B. virtuellen) Fokusfläche 15a/b entsprechen kann.
Es ist ein erster Strahlfalt-Spiegel 35 bereitgestellt, der so eingerichtet und angeordnet ist, dass das an dem Parabolspiegel 20 reflektierte Strahlenbündel 5 auf den ersten Strahlfalt-Spiegel 35 einfällt und so abgelenkt wird, dass es in einem Winkel zu dem einfallenden Strahlenbündel 5 ausfällt. Zum Beispiel kann der erste Strahlfalt-Spiegel 35 so angeordnet sein, dass ein Hauptstrahl des Strahlenbündels 5, der mittels des Parabolspiegels 20 auf den zweiten Brennpunkt des Parabolspiegels 20 abgelenkt wird und auf den ersten Strahlfalt-Spiegel 35 einfällt, in einem Winkel von im Wesentlichen etwa 90° zu dem einfallenden Hauptstrahl 6 abgelenkt wird und z. B. alle Nebenstrahlen des Strahlenbündels 5 entsprechend gemäß ihrem jeweiligen Einfallswinkel umgelenkt werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Strahlfalt-Spiegel 40 bereitgestellt, der so eingerichtet und angeordnet ist, dass das mittels des ersten Strahlfalt-Spiegels 35 umgelenkte Strahlenbündel 5 auf den zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 einfällt und mittels des zweiten Strahlfalt-Spiegels 40 abgelenkt wird. Zum Beispiel kann der zweite Strahlfalt-Spiegels 40 so angeordnet und eingerichtet sein, dass der von dem zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 ausfallende Hauptstrahl 6 eines Strahlenbündels 5 parallel ist zu dem Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5, das auf den ersten Strahl-Faltspiegel 35 trifft, und so dass der von dem zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 ausfallende Strahl wieder auf den Parabolspiegel 20 trifft, z. B. auf den zweiten System-Bereich 18 davon.
Das von dem zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 umgelenkte Strahlenbündel 5, das auf den zweiten System-Bereich 18 des Parabolspiegels 20 einfällt, wird wiederum durch den Parabolspiegels 20 abgebildet, nämlich durch den zweiten System-Bereich 18 davon. Das Strahlenbündel 5 wird so abgebildet, dass der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5, das von dem zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 auf dem Parabolspiegel 20 einfällt, durch den zweiten System-Bereich 18 des Parabolspiegels 20 auf den ersten Brennpunkt 16 des Parabolspiegels 20 abgebildet wird. Die Nebenstrahlen des Strahlenbündels 5, die nicht parallel zu dem Hauptstrahl 6 sind, werden in einem Winkel zu dem auf den ersten Brennpunkt 16 abgebildeten Hauptstrahl abgebildet, wodurch eine Divergenz des Strahlenbündels 5 geändert sein kann.
Das Strahlenbündel 5, das von dem zweiten System-Bereich 18 des Parabolspiegel 20 reflektiert wird, und dessen Hauptstrahl auf den ersten Brennpunkt 16 abgebildet wird, fällt wieder auf die erste Spiegelfläche 30a des drehbaren Spiegels 30 ein und wird von dieser abgelenkt, so dass er die Divergenzänderungsvorrichtung 1 verlassen kann (siehe z. B. 3), wobei der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5 von der ersten Spiegelfläche 30a des drehbaren Spiegel 30 aus abgelenkt wird, so dass er auf einer (gedachten) Geraden liegt, die unabhängig ist von dem Drehwinkel des drehbaren Drehspiegels 30.
Bei der Verwendung eines Parabolspiegels 20 als dem optischen System 15 kann die Divergenzänderungsvorrichtung 1 im Wesentlichen ohne Beeinflussung durch chromatische Fehler und Dispersion betrieben werden, da das Strahlenbündel 5 nicht transmissiv durch ein Material geführt wird. Des weiteren können in der Divergenzänderungsvorrichtung 1 nicht-lineare optische Einflüsse vermieden sein, und die Bildfeldkrümmung (z. B. die Eigenschaften der (virtuellen) Fokusfläche 15a/b) können im Wesentlichen ausschließlich durch die geometrischen Eigenschaften und die Reflexionseigenschaften des Parabolspiegels 20 beeinflusst sein, wodurch eine präzise Divergenzänderung und der Betrieb in Verbindung mit gepulsten Hochleistungsstrahlquellen ermöglicht sein können.
Mit Bezug auf 4 kann das optische System 15 einen Parabolspiegel 20 mit mehreren Reflexionsflächen 21, 22 aufweisen, z. B. mit einer ersten Reflexionsfläche 21 als dem ersten System-Bereich 17 und einer zweiten Reflexionsfläche 22 als dem zweiten System-Bereich 18. Die erste 21 und/oder die zweite 22 Reflexionsfläche können durch unterschiedliche Paraboloidfunktionen definiert sein, d. h. sie können durch Funktionen mit unterschiedlichen Paraboloidparametern und/oder unterschiedlichen Exponenten definiert sein. Der Exponent kann zum Beispiel im Wesentlichen den Wert zwei annehmen oder zum Beispiel einen Wert im Bereich von etwa 1,8 bis etwa 2,2 annehmen. Die erste Reflexionsfläche 21 kann einen Erste-Reflexionsfläche-Brennpunkt haben und die zweite Reflexionsfläche 22 kann einen Zweite-Reflexionsfläche-Brennpunkt haben. Die erste 21 und die zweite 22 Reflexionsfläche können so angeordnet sein, dass ihre Scheitelpunkte in einem Punkt liegen oder an unterschiedlichen Punkten angeordnet sind. Wie es in der 4 gezeigt ist, können die erste 21 und die zweite 22 Reflexionsfläche so angeordnet sein, dass ihre jeweiligen Brennpunkte, d. h. der Erste-Reflexionsfläche-Brennpunkt und der Zweite-Reflexionsfläche-Brennpunkt, zusammenfallen und gemeinsam den ersten Brennpunkt 16 des optischen Systems 15 bilden. Die Komponenten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 sind gemäß 4 so angeordnet, dass das Strahlenbündel 5 von der ersten Spiegelfläche 30 des drehbaren Spiegels 30 auf die ersten Reflexionsfläche 21 (d. h. den ersten System-Bereich 17) trifft und dass das Strahlenbündel 5 nach einer Ablenkung durch den ersten 35 und zweiten 40 Strahlfalt-Spiegel auf die zweite Reflexionsfläche 22 (d. h. den zweiten System-Bereich 18) trifft. Wie es in der 4 dargestellt ist, kann z. B. durch eine unterschiedliche Wahl von Parametern und/oder Exponenten der beiden Funktionen, die die erste Reflexionsfläche 21 und die zweite Reflexionsfläche 22 definieren, zusätzlich zu einer Divergenzänderung eine Aufweitung (Vergrößerung) oder Reduktion (Verringerung) des Durchmessers des Strahlenbündels 5 erreicht werden. Wird zum Beispiel für den Parabelparameter der Funktion, die die erste Reflexionsfläche 21 definiert (der Parabelparameter ist z. B. eine Konstante, die mit einer variable, die im Wesentlichen mit 2 potenziert wird und Teil einer Funktion ist, die ein Paraboloid beschreibt, multipliziert wird), ein größerer Wert als für den Parabelparameter der Funktion, die die zweite Reflexionsfläche 22 definiert, gewählt, kann eine Aufweitung des Durchmessers des Strahlenbündels 5, das von der Strahlenquelle 10 ausgeht, erreicht werden. Wird zum Beispiel für den Parabelparameter der Funktion, die die erste Reflexionsfläche 21 definiert, ein kleiner Wert als für den Parabelparameter der Funktion, die die zweite Reflexionsfläche 22 definiert, gewählt, kann eine Reduzierung des Durchmessers des Strahlenbündels 5, das von der Strahlenquelle 10 ausgeht, erreicht werden. Zur effizienteren Strahlaufweitung und Divergenzänderung kann der erste Strahlfalt-Spiegel 35 eine andere Größe als der zweite Strahlfalt-Spiegel 40 haben, z. B. kann der zweite Strahlfalt-Spiegel 40 eine größere Spiegelfläche als der erste Strahlfalt-Spiegel 35 haben oder umgekehrt. Natürlich kann die selbe Divergenzänderungsvorrichtung 1, die wie oben beschrieben eingerichtet ist, sowohl eine Aufweitung als auch eine Reduktion des Durchmessers eines Strahlenbündels 5 ermöglichen, indem das Strahlenbündel 5 durch die Strahlablenkvorrichtung 30 entweder zuerst auf die erste Reflexionsfläche 21 gelenkt wird oder zuerst auf die zweite Reflexionsfläche 22 gelenkt wird (wobei der weitere Strahlengang des Strahlenbündels 5 dann umgekehrt zu dem oben beschriebenen ist). Gemäß der Erfindung kann also zusätzlich zu der Divergenzänderungsfunktionalität eine Strahlaufweitfunktionalität bzw. eine Strahlreduktionsfunktionalität (bezogen auf eine Querschnittsfläche des Strahlenbündels 5) mit einem festen Verhältnis der Querschnittsänderung des Strahlenbündels 5 bereitgestellt sein.
Obwohl anhand der 4 nur ein optisches System 15, das als reflektives System mit Parabolspiegel 20 ausgebildet ist, mit einem ersten 17 und einen zweiten System-Bereich 18 mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften beschrieben ist, kann auch ein optischen System 15, das als ein transmittives Brechungssystem 25 ausgebildet ist, einen ersten und einen zweiten System-Bereich 17, 18 aufweisen, die unterschiedliche optische Eigenschaften haben. Zum Beispiel kann das Brechungssystem 25 ein erstes Linsesystem und ein zweites Linsesystem (z. B. jeweils mit einer oder mehreren Linsen) aufweisen, die den ersten Systembereich 17 bzw. den zweiten Systembereich 18 bilden können und einen Erstes-Linsesystem-Brennpunkt beziehungsweise einen Zweites-Linsesystem-Brennpunkt haben können. Das erste Linsesystem kann andere optische Eigenschaften haben als das zweite Linsesystem oder das erste und das zweite Linsesystem können die gleichen optischen Eigenschaften haben. Der Erstes-Linsesystem-Brennpunkt kann mit dem Zweites-Linsesystem-Brennpunkt zusammenfallen, so dass sie gemeinsam den ersten Brennpunkt 16 des optischen Systems 15 bilden.
Die 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Divergenzänderungsvorrichtung 1. Gemäß der 5 ist die Strahlablenkeinrichtung 30 als drehbarer Doppelspiegel 30 ausgebildet. Der drehbare Doppelspiegel 30 weist eine erste, zum Beispiel im Wesentlichen ebene, Spiegelfläche 30a und eine zweite, zum Beispiel im Wesentlichen ebene, Spiegelfläche 30b auf, wobei eine Flächennormale der ersten Spiegelfläche 30a eine Komponente hat, die im Wesentlichen entgegengesetzt ist zu einer Komponente einer Flächennormale der zweiten Spiegelfläche 30b. Zum Beispiel kann die erste Spiegelfläche 30a parallel zu der zweiten Spiegelfläche 30b angeordnet sein. Das optische System ist als ein transmissives Brechungssystem 25 ausgebildet, wobei der erste System-Bereich 17 und der zweite System-Bereich 18 räumlich voneinander entfernt angeordnet sind, und wobei ein Brennpunkt des ersten System-Bereichs 17 und ein Brennpunkt des zweiten System-Bereichs 18 zusammenfallen und sie gemeinsam den ersten Brennpunkt 16 des optischen Systems 15 bilden. Gemäß der 5 ist der erste Brennpunkt 16 des optischen Systems 15 zwischen dem ersten System-Bereich 17 und dem zweiten System-Bereich 18 ausgebildet und der drehbare Doppelspiegel 30 ist so angeordnet, dass sowohl die erste Spiegelfläche 30a als auch gleichzeitig die zweite Spiegelfläche 30b im oder nahe bei dem ersten Brennpunkt 16 und zwischen dem ersten System-Bereich 17 und dem zweiten System-Bereich 18 angeordnet sind. Die Strahlfaltvorrichtung 34 weist einen ersten Strahlfalt-Spiegel 35, einen zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 und einen Strahlfalt-Zwischenspiegel 41 auf (kann aber auch weitere Strahlfalt-Zwischenspiegel 41 aufweisen). Gemäß 5 ist die Divergenzänderungsvorrichtung 1 so eingerichtet, dass der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5, das von der Strahlenquelle 10 ausgeht, im oder nahe bei dem ersten Brennpunkt 16 des optischen Systems 15 auf die erste Spiegelfläche 30a des Doppelspiegels 30 trifft und die Nebenstrahlen auf die erste Spiegelfläche 30a treffen. Das Strahlenbündel 5 ist mittels des drehbaren Doppelspiegels 30 (bzw. der ersten Spiegelfläche 30a davon) dem ersten System-Bereich 17 gemäß einem Drehwinkel des Doppelspiegels 30 in einem unterschiedlichen Winkel (und an einer unterschiedlichen Position) zuführbar, wobei das Strahlenbündel 5 von dem ersten System-Bereich 17 telezentrisch wie oben beschrieben mit einer Divergenzänderung abgebildet wird. Das von dem ersten System-Bereich 17 abgebildete Strahlenbündel 5 trifft auf den ersten Strahlfalt-Spiegel 35 und wird von diesem auf den Strahlfalt-Zwischenspiegel 41 abgelenkt. Der Strahlfalt-Zwischenspiegel 41 lenkt das Strahlenbündel 5 auf den zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 ab. Der Strahlfalt-Zwischenspiegel 41 kann die gleichen (optischen) Eigenschaften wie der oben beschriebene erste 35 oder zweite 40 Strahlfalt-Spiegel haben. Über den zweiten Strahlfalt-Spiegel 40 wird das Strahlenbündel 5 auf den zweiten System-Bereich 18 des optischen Systems 15 abgelenkt und von dem zweiten System-Bereich 18 wie oben beschrieben so abgebildet, dass der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5 in oder nahe bei dem ersten Brennpunkt 16 auf die zweite Spiegelfläche 30b des drehbaren Doppelspiegels 30 trifft, und die Nebenstrahlen (zum Beispiel teilweise) auch auf die zweite Spiegelfläche 30b treffen. Von der zweiten Spiegelfläche 30b wird das Strahlenbündel 5 so abgelenkt, dass der Hauptstrahl 6 des Strahlenbündels 5 eine im Wesentlichen konstante Lage hat, die unabhängig von dem Drehwinkel des drehbaren Doppelspiegels 30 ist. Wie in der 5 dargestellt sind das von der Strahlenquelle 10 auf die erste Spiegelfläche 30a treffende Strahlenbündel 5 und das von dem zweiten System-Bereich 18 auf die zweite Spiegelfläche 30b treffende Strahlenbündel 5 räumlich getrennt. Bei entsprechender Anordnung des Doppelspiegels 30, bzw. der ersten Spiegelfläche 30a und der zweiten Spiegelfläche 30b, können die Strahlenbündel 5 kollinear zueinander sein (z. B. wenn die erste und die zweite Spiegelfläche 30a, 30b parallel zueinander und mit gleichem Abstand vom ersten Brennpunkt 16 angeordnet sind (nicht gezeigt)). In der 5 ist ein Fokuspunkt 5a gezeigt, der zwischen dem ersten Strahlfalt-Spiegel 35 und dem Strahlfalt-Zwischenspiegel 41 ausgebildet ist. Wie oben beschrieben kann ein Fokuspunkt 5a auch an anderer Stelle auftreten oder es kann auch kein punktförmiger Fokuspunkt 5a innerhalb der Divergenzänderungsvorrichtung 1 auftreten, z. B. wenn der erste und/oder zweite Strahlfalt-Spiegel 35, 40 und/oder der Strahlfalt-Zwischenspiegel 41 mit zylindrischer Abbildungseigenschaft bereitgestellt sind oder zusätzlich Linsen mit zylindrischer Brechkraft bereitgestellt sind. Obwohl die Komponenten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 in der 5 als in einer Ebene liegend dargestellt sind, können die Komponenten drei-dimensional räumlich versetzt zueinander angeordnet sein. Beispielsweise können der erste und/oder zweite Strahlfalt-Spiegel 35, 40 und/oder der Strahlfalt-Zwischenspiegel 41 oberhalb oder unterhalb der Ebene der 5 angeordnet sein, so dass zum Beispiel das von der zweiten Spiegelfläche 30b abgelenkte Strahlenbündel 5 „über” oder „unter” einem Strahlfalt-Spiegel (bzw. Strahlfalt-Zwischenspiegel oder einer anderen Komponente der Divergenzänderungsvorrichtung 1) vorbeigeführt werden kann, wenn die Spiegel der Strahlfaltvorrichtung 34 entsprechend räumlich aufeinander sowie auf das optische System 15 ausgerichtet sind (nicht gezeigt).
Gemäß der Erfindung sind Divergenzänderungsvorrichtungen 1 mit zwei System-Bereichen 17, 18 mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften nicht auf Ausführungen mit einem drehbaren Spiegel 30 oder einem drehbaren Doppelspiegel 30 als der Strahlablenkvorrichtung 30 und/oder einem ersten 35 und einem zweiten 40 Strahl-Faltspiegel als der Strahlfaltvorrichtung 34 beschränkt, sondern können auch andere Strahlablenkvorrichtungen 30 oder Strahlfaltvorrichtungen 34 aufweisen.
Gemäß der Erfindung kann ein optisches System 15 und eine Strahlablenkvorrichtung 30 für eine zweimalige Abbildung eines Strahlenbündels 5 verwendet werden. Dadurch ist die erfindungsgemäße Divergenzänderungsvorrichtung 1 im Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des verlassenden Strahlbündels unanfällig für Drifteffekte der Strahlablenkvorrichtung 30 und hat eine geringere Fehleranfälligkeit, da die Strahlablenkvorrichtung 30 das einzige mechanisch beanspruchte Bauteil sein kann.
Gemäß der Erfindung ist aufgrund der Faltung des optischen Aufbaus nur eine Strahlablenkvorrichtung 30 notwendig zum Ändern der Divergenz (z. B. zum Fokussieren) eines Strahlenbündels 5, wodurch Drifteffekte, thermische Effekte, Abweichungen und Toleranzen minimiert sein können und eine Divergenz mit hoher Präzision und hoher Richtungsstabilität der Strahlausbreitung sowie mit hoher Geschwindigkeit eingestellt werden kann. Gemäß der Erfindung ist auch nur ein optisches System 15 notwendig, wodurch Herstellungskosten der Divergenzänderungsvorrichtung 1 verringert sein können. Zum Beispiel kann durch die Benutzung eines drehbaren Spiegels 30 (oder Doppelspiegels 30) als der Strahlablenkvorrichtung 34 eine sehr hohe Geschwindigkeit beim Einstellen der Divergenz erzielbar sein, da nur eine geringe Masse des drehbaren Spiegels 30 bewegt werden muss und die Hauptstrahlen gemäß der Erfindung immer in über einen Punkt in Nähe der Mitte des Spiegels laufen, wodurch dessen Flächengröße und Trägheitsmoment minimiert werden kann. Durch die zweimalige Abbildung des Strahlenbündels 5 an nur einem optischen System 15 können systematische Abweichungen und Fehler, die in dem optischen System 15 auftreten können, kompensiert sein durch die zweimalige Abbildung. Ein weiterer Vorteil der Divergenzänderungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, dass die Divergenzänderungsvorrichtung aufgrund des Aufbaus mit einer Strahlablenkvorrichtung 30 und einem optischen System 15 effektiv Gas-dicht ausgeführt sein kann (z. B. kann die Divergenzänderungsvorrichtung dazu ein Gas-dichtes 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. Ebenso kann eine störende Interaktion des Strahlenbündels 5 mit einer Komponente der Divergenzänderungsvorrichtung 1 verhindert bzw. verringert sein, wenn kein tatsächlicher Fokuspunkt 5a in der Divergenzänderungsvorrichtung 1 auftritt sondern z. B. nur ein virtueller Fokuspunkt 5b oder eine Fokuslinie. Zusätzlich erlaubt der Aufbau der erfindungsgemäßen Divergenzänderungsvorrichtung 1 eine effiziente Kühlung, da aufgrund des einfachen Aufbaus die Komponenten (z. B. Reflexionssystem 20) der Divergenzänderungsvorrichtung 1 gut mit einer Kühleinrichtung erreichbar sein können.
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 einer oder zwei Strahlablenkvorrichtungen bereitgestellt sein, die das Strahlenbündel 5 jeweils in voneinander unabhängigen Raumrichtungen ablenken können. Dadurch kann mittels der Divergenzänderungsvorrichtung 1 die Divergenz eines Strahlenbündels 5 einstellbar sein, während mittels des 2D-Scanner-Systems die Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 5 zusätzlich einstellbar ist. Dadurch können z. B. auch eventuelle Abweichungen der Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 5 mittels des 2D-Scanner-Systems ausgeglichen werden (zum Beispiel anhand in einer Steuereinrichtung gespeicherter Korrekturtabellen). Dementsprechend kann die Divergenzänderungsvorrichtung 1 im Strahlengang vor dem 2D-Scanner-System angeordnet sein, so dass das Strahlenbündel in Abhängigkeit der 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 eine Steuereinrichtung bereitgestellt sein, die sowohl mit dem 2D-Scanner-System als auch mit der Divergenzänderungsvorrichtung 1 (bzw. mit der Strahlablenkvorrichtung 30 davon) verbunden sein kann, um diese zu steuern.
Die Steuereinrichtung kann die erste Strahlablenkvorrichtung 30 (bzw. die von dieser realisierte Divergenzänderung) gemäß einem Ziel-Divergenzänderungswert steuert. 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, 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 errechnet werden anhand eines Algorithmus und in der Steuereinrichtung gespeicherter Daten. Gleichzeitig kann die Steuereinrichtung so eingerichtet sein, dass sie das 2D-Scanner-System 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 dem 2D-Scanner-System ausfällt, entsprechen. Der Ziel-Strahllage-und-Richtung-Wert kann der Steuereinrichtung bereitgestellt werden z. B. durch eine Benutzereingabe, oder von einem anderen Steuergerät, Computer, Prozessleitrechner oder ähnlichem. Das bedeutet, die Steuereinrichtung 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.
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, so dass der Fokuspunkt z. B. immer direkt auf der Werkstückoberfläche ausgebildet ist und 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, mit einem vorbestimmten Querschnitt auf 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 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 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 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 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.

Claims

Divergenzänderungsvorrichtung (1) zur variabel einstellbaren Änderung der Divergenz eines elektro-magnetischen Strahlenbündels (5), welches beschrieben ist durch einen Hauptstrahl (6) und einen solchen optional aufweist, sowie eine Mehrzahl von Nebenstrahlen, aufweisend eine Strahlenquelle (10) zum Bereitstellen des Strahlenbündels (5) mit zumindest der Mehrzahl von Nebenstrahlen, eine telezentrische Anordnung (31) mit einem optischen System (15), das einen ersten Brennpunkt (16), einen ersten System-Bereich (17) und einen zweiten System-Bereich (18) hat, und mit einer Strahlablenkvorrichtung (30), die in oder nahe benachbart zu dem ersten Brennpunkt (16) angeordnet ist und die so angeordnet und eingerichtet ist, dass das Strahlenbündel (5) von der Strahlenquelle (10) auf die Strahlablenkvorrichtung (30) trifft, wobei der Hauptstrahl (6) in dem ersten Brennpunkt (16) oder nahe bei dem ersten Brennpunkt (16) auf die Strahlablenkvorrichtung (30) trifft, und dass sie das von der Strahlenquelle (10) kommende Strahlenbündel (5) dem ersten System-Bereich (17) des optischen Systems (15) mit unterschiedlichen Einfallswinkeln zuführen kann, wobei das optische System (15) derart ausgebildet ist, dass das Strahlenbündel (5) von dem ersten System-Bereich (17) so abgebildet wird, dass der Hauptstrahl (6) des dem ersten System-Bereich (17) zugeführten Strahlenbündels (5) von dem ersten System-Bereich (17) in eine Richtung abgelenkt wird, die unabhängig von dem Einfallswinkel ist, und so dass die Mehrzahl von Nebenstrahlen des Strahlenbündels (5) mit einem, im Vergleich zu vor der Abbildung, anderen sowie von dem Einfallswinkel abhängigen Divergenzwinkel bezüglich des Hauptstrahls (6) abgebildet wird, und eine Strahlfaltvorrichtung (34), die so ausgebildet ist, dass sie das von dem ersten System-Bereich (17) des optischen Systems (15) abgebildete Strahlenbündel (5) auf den zweiten System-Bereich (18) des optischen Systems (15) ablenkt, wobei das Strahlenbündel (5) von dem zweiten System-Bereich (18) des optischen Systems (15) so abgebildet wird, dass das Strahlenbündel (5) wieder auf die Strahlablenkvorrichtung (30) trifft, wobei der Hauptstrahl (6) in dem ersten Brennpunkt (16) oder nahe bei dem ersten Brennpunkt (16) wieder auf die Strahlablenkvorrichtung (30) trifft und wobei die Mehrzahl von Nebenstrahlen wieder auf die Strahlablenkvorrichtung (30) trifft, wobei das wieder auftreffende Strahlenbündel (5) von der Strahlablenkvorrichtung (30) so abgelenkt wird, dass dessen Hauptstrahl (6) ortsfest ist sowie nicht-kollinear und/oder räumlich getrennt ist von dem Hauptstrahl (6) des Strahlenbündels (5), das von der Strahlenquelle (10) auf die Strahlablenkvorrichtung (30) trifft.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der Nebenstrahlen des Strahlenbündels (5), das von dem ersten System-Bereich (17) abgebildet wird, mit einem im Vergleich zu vor der Abbildung kleineren Divergenzwinkel bezüglich des Hauptstrahls (6) abgebildet wird.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische System (15) als transmissives Brechungssystem (25) ausgebildet ist.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische System (15) als Reflexionssystem (20) ausgebildet ist.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste System-Bereich (17) einen Erster-System-Bereich-Brennpunkt hat und der zweite System-Bereich (18) einen Zweiter-System-Bereich-Brennpunkt hat, und wobei der erste System-Bereich (17) und der zweite System-Bereich (18) räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, wobei der Erster-System-Bereich-Brennpunkt und der Zweiter-System-Bereich-Brennpunkt räumlich zusammenfallen und gemeinsam den ersten Brennpunkt (16) des optischen Systems (15) bilden.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste System-Bereich (17) und der zweite System-Bereich (18) unter integraler Ausbildung des optischen Systems (15) integral miteinander gebildet sind.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß den Ansprüchen 4 und 5 oder 4 und 6, wobei der erste System-Bereich (17) des Reflexionssystem (25) als eine erste paraboloide Reflexionsfläche (21) ausgebildet ist und der zweite System-Bereich (18) des Reflexionssystems (25) als eine zweite paraboloide Reflexionsfläche (22) ausgebildet ist.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlablenkvorrichtung (30) einen drehbaren Spiegel (30) mit einer ersten Spiegelfläche (30a) aufweist, wobei das Strahlenbündel (5) mittels der ersten Spiegelfläche (30a) dem ersten System-Bereich (17) zuführbar ist, und wobei das Strahlenbündel (5) von dem zweiten System-Bereich (18) wieder auf die erste Spiegelfläche (30a) abgebildet wird.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, insofern auf die Ansprüche 3 und 5 bezogen, wobei der erste (17) und der zweite (18) System-Bereich so eingerichtet und angeordnet sind, dass der erste Brennpunkt (16) zwischen dem ersten System-Bereich (17) und dem zweiten System-Bereich (18) angeordnet ist, wobei die Strahlablenkvorrichtung (30) einen drehbaren Doppelspiegel (30) mit einer ersten Spiegelfläche (30a) und einer zweiten Spiegelfläche (30b) aufweist, wobei sowohl die erste Spiegelfläche (30a) als auch die zweite Spiegelfläche (30b) in oder nahe benachbart zu dem ersten Brennpunkt (16) angeordnet sind, wobei das Strahlenbündel (5) mittels der ersten Spiegelfläche (30a) dem ersten System-Bereich (17) zuführbar ist, wobei das Strahlenbündel (5) von dem zweiten System-Bereich (18) auf die zweite Spiegelfläche (30b) abgebildet wird, und wobei eine Flächennormale der ersten Spiegelfläche (30a) in oder nahe benachbart zu dem ersten Brennpunkt (16) eine Komponente hat, die gegensätzlich ist zu einer Komponente einer Flächennormale der zweiten Spiegelfläche (30b) an einer Position in oder nahe benachbart zu dem ersten Brennpunkt (16).
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei durch das Strahlenbündel (5), das über die Strahlablenkvorrichtung (30), den ersten System-Bereich (17) des optischen Systems (15), die Strahlfaltvorrichtung (34), den zweiten System-Bereich (18) des optischen Systems (15) und wieder über die Strahlablenkvorrichtung (30) läuft, 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 kompensiert wird, so dass die Ausbildung eines punktförmigen Fokuspunktes (5a/b) zwischen den zumindest zwei optischen Elementen vermieden ist.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 10, wobei ein optisches Element mit einer zylindrischen Abbildungseigenschaft eine Zylinderlinse ist.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das von dem ersten System-Bereich (17) des optischen Systems (15) abgebildete Strahlenbündel (5) konvergierend abgebildet wird und einen, optional virtuellen, Fokuspunkt (5a/b) bildet, wobei der Fokuspunkt (5a/b) in Abhängigkeit des Einfallswinkels des Strahlenbündels (5) auf den ersten System-Bereich (17) des optischen Systems (15) an unterschiedlichen Positionen in einer, optional virtuellen, Fokusfläche (15a/b) liegt, und wobei die Fokusfläche (15a/b) eine gekrümmte Fokusfläche (15) ist oder eine ebene Fokusfläche (15a/b) ist, die so ausgebildet ist, dass der Hauptstrahl (6) des von dem ersten System-Bereich (17) abgebildeten Strahlenbündes (5) nicht in der Normalenrichtung der ebenen Fokusfläche (15a/b) auf die ebene Fokusfläche (15a/b) trifft.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Steuereinrichtung (50), die eingerichtet ist, um die Strahlablenkvorrichtung (30) so zu steuern, dass von ihr der Einfallswinkel und/oder die Einfallsposition des Strahlenbündels (5) auf den ersten System-Bereich (17) des optischen Systems (15) in gezielter und wählbarer Weise einstellbar ist.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlfaltvorrichtung (34) einen ersten Strahl-Faltspiegel (35) und einen zweiten Strahl-Faltspiegel (40) aufweist, wobei der erste (35) und der zweite (40) Strahl-Faltspiegel derart angeordnet und ausgebildet sind, dass das Strahlenbündel (5), das dem optischen System (15) mittels der Strahlablenkvorrichtung (30) zugeführt wird und von dem ersten System-Bereich (17) des optischen Systems abgebildet wird, auf den ersten Strahl-Faltspiegel (35) trifft, von dem ersten Strahlfalt-Spiegel (35), optional über zumindest einen Strahlfalt-Zwischenspiegel (41), auf den zweiten Strahlfalt-Spiegel (40) abgelenkt wird, und von dem zweiten Strahlfalt-Spiegel (40) auf den zweiten System-Bereich (18) abgelenkt wird.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, insofern auf die Ansprüche 10 und 14 bezogen, wobei der erste Strahlfalt-Spiegel (35) mit einer zylindrischen Abbildungseigenschaft bereitgestellt ist und der zweite Strahlfalt-Spiegel (40) mit einer zylindrischen Abbildungseigenschaft bereitgestellt ist, so dass der erste (35) und der zweite (40) Strahlfalt-Spiegel optional zwei der zumindest zwei optischen Elemente sind.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, insofern auf Anspruch 14 bezogen, wobei die Strahlfaltvorrichtung (34) und/oder der erste Strahlfalt-Spiegel (35) und/oder der zweite Strahlfalt-Spiegel (40) und/oder der zumindest eine Strahlfalt-Zwischenspiegel (41) relativ zu dem optischen System (15) ortsfest und drehfest sind.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlenquelle (10) und/oder die Strahlablenkvorrichtung (30) und/oder das optische System (15) und/oder die Strahlfaltvorrichtung (34) zur Verwendung mit einem Hochleistungs-Laser zur Materialbearbeitung ausgebildet sind.
Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlablenkvorrichtung (30) als Drehspiegel (30) ausgebildet ist.
Strahllage-und-Divergenz-Änderungsvorrichtung aufweisend eine Divergenzänderungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, 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 die Divergenzänderung mittels der Divergenzänderungsvorrichtung (1) in gezielter sowie wählbarer Art und Weise gemäß einer Steuerinformation einzustellen.