DE102013105205A1

DE102013105205A1 - Abbildungsoptik für Laserstrahlen

Info

Publication number: DE102013105205A1
Application number: DE201310105205
Authority: DE
Inventors: Marco Pretorius
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2033-05-23
Also published as: DE102013105205B4

Abstract

Es werden Abbildungsoptiken (10) beschrieben, welche beispielsweise zur Bearbeitung eines Werkstücks (17) mittels von einer Laseranordnung (16) ausgehenden Laserstrahlen einsetzbar ist. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Abbildungsoptik (10) zwei Konkavspiegel (11, 15) und zwei Konvexspiegel (12, 14).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Abbildungsoptiken für Laserstrahlen, insbesondere für eine Vielzahl von Laserstrahlen hoher Leistung, sowie Herstellungsverfahren für derartige Abbildungsoptiken.
Beispielweise bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlen kann es erforderlich sein, eine Anordnung von Laserlichtquellen, beispielsweise eine Zeile von Hochleistungslaserdioden, in eine konjugierte Ebene abzubilden, in welcher sich dann ein zu bearbeitendes Werkstück befindet. Derartige Vorrichtungen zur Bearbeitung von Werkstücken werden beispielsweise bei der Herstellung von Solarmodulen und anderen Halbleiterbauelementen verwendet. Dabei ist es wünschenswert, dass die Abbildung zumindest nahezu beugungsbegrenzt erfolgt, wobei strenge Anforderungen an die Korrektur einer Verzeichnung, an eine Telezentrie und an eine Aufweitung von Strahlquerschnitten an optischen Flächen der Abbildungsoptik im Verhältnis zum Arbeitsabstand und zur gesamten Baugröße der Abbildungsoptik bestehen. Eine derartige Aufweitung ist insbesondere erforderlich, da bei derartigen Anwendungen häufig hohe Laserleistungen, typischerweise im Bereich von 5–10 kW, vorliegen, und durch die Aufweitung sichergestellt werden sollte, dass ein Schwellenwert einer Leistungsdichte, welche zu Zerstörungen der Abbildungsoptik führen würde, auch bei leichten Fehlstellen von Beschichtungen von Oberflächen der Abbildungsoptik oder geringfügiger Verschmutzung von Oberflächen der Abbildungsoptik nicht überschritten wird. Da bei derartigen Anwendungen Linsen aufgrund von Volumenabsorption im Glas kritisch sind, werden allgemein Spiegeloptiken eingesetzt. Die Abbildung sollte möglichst verzeichnungsfrei sein (beispielsweise sollten Abweichungen maximal im Bereich von ca. 1 µm liegen), und Strahlbündel sollten sowohl objekt- als auch bildseitig möglichst telezentrisch verlaufen. Abweichungen von der Telezentrie sollten < 10 mrad und bevorzugt < 5 mrad sein.
Bei derartigen Anwendungen ist es zudem wünschenswert, einen großen Arbeitsabstand sowohl auf Objekt- als auch auf Bildseite, d.h. beispielsweise sowohl auf Seiten der Laserlichtquellen als auch auf Seite des Werkstücks, bei vergleichsweise kompakten Außenmaßen der Abbildungsoptik einzuhalten. Die Bildebene der Abbildungsoptik sollte gegenüber der Objektebene, in welcher sich beispielsweise die Laserlichtquellen befinden, möglichst keine Kippung aufweisen, wobei ein paralleler Versatz akzeptabel ist.
Schließlich ist eine nahezu beugungsbegrenzte Abbildungsgüte wünschenswert, damit es möglichst zu keiner unerwünschten Verbreiterung der Strahlprofile und damit zu einer Verringerung der bildseitigen Energiedichte kommt, welche für manche Anwendungen in der Werkstückbearbeitung entscheidend ist.
Bei einer typischen Abstrahlcharakteristik von in derartigen Anwendungen verwendeten Laserdioden ist für eine möglichst vollständige Übertragung der abgestrahlten Leistung zudem eine numerische Apertur von mindestens 0,12 wünschenswert.
Eine Kombination der oben genannten Anforderungen ist mit herkömmlichen Abbildungsoptiken nicht zu erreichen.
Eine bekannte Abbildungsoptik ist beispielsweise das Offner-Relaysystem, wie es in der US 3,748,015 beschrieben ist und welches aus zwei konzentrischen sphärischen Spiegeln besteht. Ein derartiges System ist objekt- und bildseitig telezentrisch, und Bildfehler dritter Ordnung sind korrigiert, jedoch begrenzt ein Astigmatismus fünfter und höherer Ordnung eine nutzbare numerische Apertur für eine annähernd beugungsbegrenzte Abbildung eines ausgedehnten Bildfeldes bei Einhaltung gewünschter Außenabmessungen auf Werte bis maximal ca. 0,08. Für einen gestreckten Aufbau mit geradlinigem Strahlengang sind zwei weitere plane Umlenkspiegel erforderlich, was dazu führt, dass ein Arbeitsabstand kleiner wird als eine Baugröße des Systems.
Eine geringfügige Erhöhung der für beugungsbegrenzte Abbildung nutzbaren numerischen Apertur auf ca. 0,10 ist beispielsweise mit rotationsasphärischen Spiegeln möglich. Einer weiteren Erhöhung der numerischen Apertur bei derartigen Anordnungen steht jedoch der bei großen zu übertragenden Feldbreiten, wie sie z.B. zum Abbilden einer Zeile von Laserdioden erforderlich ist, auftretende Astigmatismusfehler im Wege.
Weiterbildungen derartiger Systeme mit mehr als zwei Spiegeln, welche auch für höhere numerischen Aperturen als 0,10 zur näherungsweise beugungsbegrenzten Abbildung geeignet sind, sind beispielsweise aus der US 5,708,502 bekannt. Auch bei diesen Systemen ist jedoch der erreichbare Arbeitsabstand im Verhältnis zur Baugröße der Abbildungsoptik relativ gering, und die vergleichsweise große Anzahl reflektierender Flächen ruft relativ hohe Transmissionsverluste hervor.
Zudem sind auch rein refraktiv aufgebaute Abbildungsoptiken bekannt, welche bei entsprechender Linsenzahl numerische Aperturen von 0,12 oder größer beugungsbegrenzt abbilden können und dabei beidseitig telezentrische Strahlengänge aufweisen können. Diese können so ausgelegt sein, dass sie aus zwei spiegelsymmetrisch zueinander aufgebauten Hälften bestehen, wobei in diesem Fall auch eine Verzeichnung näherungsweise perfekt korrigiert sein kann. Nachteilig an derartigen refraktiven Systemen ist generell, dass im Glas der Linsen und an zahlreichen Glas-Luft-Grenzflächen höhere Transmissionsverluste auftreten und dass auch hier der Arbeitsabstand klein gegenüber einer Systembaulänge ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Abbildungsoptiken für Laserstrahlen bereitzustellen, welche die oben beschriebenen Nachteile herkömmlicher Systeme möglichst weitgehend überwinden und die oben beschriebenen Anforderungen möglichst weitgehend erfüllen. Bevorzugt sollen solche System eine kompakte Bauweise aufweisen.
Diesbezüglich wird eine Abbildungsoptik nach Anspruch 1, eine Abbildungsoptik nach Anspruch 10 sowie ein Verfahren nach Anspruch 16 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Abbildungsoptik für Laserstrahlen bereitgestellt, umfassend:
einen ersten Konkavspiegel zum Empfangen von Laserlicht aus einer Objektebene,
einen ersten Konvexspiegel zum Empfangen von von dem ersten Konkavspiegel reflektiertem Laserlicht,
einen zweiten Konvexspiegel zum Empfangen von von dem ersten Konvexspiegel reflektiertem Laserlicht, und
einen zweiten Konkavspiegel zum Empfangen von von dem zweiten Konvexspiegel reflektiertem Laserlicht und zum Abstrahlen des Laserlichts in eine Bildebene.
Mit einer derartigen Anordnung lässt sich eine hohe numerische Apertur von mindestens 0,12 bei geringer Verzeichnung und nahezu beugungsbegrenzter Abbildung erreichen, wobei insbesondere eine kompakte Anordnung, bei welcher ein Arbeitsabstand groß gegenüber einer Baulänge der Abbildungsoptik insbesondere in Richtung des Arbeitsabstandes ist, erreichbar ist.
Die Abbildungsoptik kann eine zwischen dem ersten Konvexspiegel und dem zweiten Konvexspiegel angeordnete mechanisch zugängliche Aperturblende umfassen.
Bei der Abbildungsoptik kann ein optisch genutzter Bereich des ersten Konkavspiegels nominell kongruent zu einem optisch genutzten Bereich des zweiten Konkavspiegels ausgebildet sein, und ein optisch genutzter Bereich des zweiten Konvexspiegels kann nominell kongruent zu einem optisch genutzten Bereich des ersten Konvexspiegels ausgebildet sein. Dies kann die Herstellung erleichtern.
Ein durch den ersten Konkavspiegel und den ersten Konvexspiegel ausgebildetes erstes Halbsystem kann punktsymmetrisch zu einem durch den zweiten Konvexspiegel und den zweiten Konkavspiegel ausgebildeten zweiten Halbsystem angeordnet sein.
Der erste Konkavspiegel, der erste Konvexspiegel, der zweite Konvexspiegel und/oder der zweite Konkavspiegel oder optisch genutzte Bereiche hiervon können durch außeraxiale Ausschnitte von Rotationsasphärenflächen gebildet sein.
Scheitelradien an Scheitelpunkten des ersten Konkavspiegels des ersten Konvexspiegels (12), des zweiten Konvexspiegels und des zweiten Konkavspiegels können betragsmäßig näherungsweise gleich sein, sich beispielsweise um maximal 5%, insbesondere um maximal 2% unterscheiden.
Der erste Konkavspiegel, der erste Konvexspiegel, der zweite Konvexspiegel und/oder der zweite Konkavspiegel können pupillennah angeordnet sein, wobei ein Spiegel dann pupillennah angeordnet ist, wenn für eine Spiegelfläche des Spiegels gilt: D2/D1 ≤ 2, wobei D2 der Durchmesser eines minimalen Kreises ist, der Schnittpunkte aller von sämtlichen Objektpunkten ausgehenden Strahlen mit einer Scheitelebene der Spiegelfläche im Mittelpunkt der Spiegelfläche umschreibt, und D1 der Durchmesser eines minimalen Kreises ist, der die Schnittpunkte aller von einem beliebigen fest gewählten Objektpunkt ausgehenden Strahlen mit der Scheitelebene im Mittelpunkt der Spiegelfläche umschreibt. Hierdurch kann eine günstige Leistungsdichte auf den Spiegeln erreicht werden.
Ein erster Kompaktheitsindex K1 der Abbildungsoptik kann kleiner 0,6 und bevorzugt kleiner 0,4 sein, wobei K1 durch K1: = S/L definiert ist,
wobei L der kleinste Abstand von einem beliebigen Punkt in der Objektebene oder Bildebene zu einem beliebigen Punkt eines minimalen Quaders, der den ersten Konkavspiegel, den ersten Konvexspiegel, den zweiten Konvexspiegel und den zweiten Konkavspiegel (und falls vorhanden die mechanisch zugängliche Aperturblende) umschließt, ist, und S der Abstand der zwei senkrecht zu einer optischen Systemachse stehenden Flächen des minimalen Quaders ist. Eine derartige Abbildungsoptik weist im Verhältnis zum Arbeitsabstand eine kompakte Bauform auf.
Ein zweiter Kompaktheitsindex K2 der Abbildungsoptik kann kleiner 3 und bevorzugt kleiner 2,5 sein, wobei K2 als K2: = S/D definiert ist, wobei D ein Durchmesser eines minimalen Bündelquerschnitts, den ein von einem Punkt der Objektebene ausgehendes Strahlbündel an einer optischen Wirkfläche der Abbildungsoptik bildet, ist, und S der Abstand der beiden senkrecht zu einer optischen Systemachse stehenden Flächen eines minimalen Quaders, der den ersten Konkavspiegel, den ersten Konvexspiegel, den zweiten Konvexspiegel und den zweiten Konkavspiegel umschließt und welcher zwei senkrecht zu einer optischen Systemachse stehende Flächen aufweist, ist. Eine derartige Abbildungsoptik weist im Verhältnis zu einer Leistungsdichte auf den optischen Wirkflächen kompakte Bauform auf.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Abbildungsoptik für Laserstrahlen bereitgestellt, umfassend:
einen ersten Planspiegel zum Empfangen von Laserlicht aus einer Objektebene,
einen ersten Konkavspiegel mit einer ersten Freiformfläche zum Empfangen von von dem ersten Planspiegel reflektiertem Laserlicht,
einen Konvexspiegel zum Empfangen von von dem ersten Konkavspiegel reflektiertem Laserlicht,
einen zweiten Konkavspiegel mit einer zweiten Freiformfläche zum Empfangen von von dem Konvexspiegel reflektiertem Laserlicht, und
einen zweiten Planspiegel zum Reflektieren von von dem zweiten Konkavspiegel reflektiertem Laserlicht in eine Bildebene.
Auch mit dieser Abbildungsoptik gemäß dem zweiten Aspekt lässt sich eine hohe numerische Apertur von mindestens 0,12 bei gleichzeitig guten Abbildungseigenschaften, welche die eingangs beschriebenen Anforderungen zumindest weitgehend erfüllen, erreichen.
Der Konvexspiegel kann eine Rotationsasphäre sein.
Der erste Konkavspiegel und der zweite Konkavspiegel liegen bei einem Ausführungsbeispiel nicht auf einer gemeinsamen Rotationsasphäre oder Rotationssphäre.
Die erste Freiformfläche kann durch ein erstes Polynom in Abhängigkeit von einer ersten Raumrichtung und einer zweiten Raumrichtung beschreibbar sein, und die zweite Freiformfläche kann durch ein zweites Polynom in Abhängigkeit von der ersten Raumrichtung und der zweiten Raumrichtung beschreibbar ist, wobei die Koeffizienten des ersten Polynoms und des zweiten Polynoms nominell betragsmäßig gleich sind, wobei Koeffizienten, welche ungeraden Potenzen der zweiten Raumrichtung zugeordnet sind, sich zwischen dem ersten Polynom und dem zweiten Polynom im Vorzeichen unterscheiden, und wobei Koeffizienten, welche geraden Potenzen der zweiten Raumrichtung zugeordnet sind, im ersten Polynom und im zweiten Polynom das gleiche Vorzeichen aufweisen.
Ein zweiter Kompaktheitsindex K2 der Abbildungsoptik kann kleiner 3, bevorzugt kleiner 2,5 sein, wobei K2 als K2: = S/D definiert ist, wobei D ein Durchmesser eines minimalen Bündelquerschnitts, den ein von einem Punkt der Objektebene ausgehendes Strahlbündel an einer optischen Wirkfläche der Abbildungsoptik bildet, ist, und S der Abstand der beiden senkrecht zu einer optischen Systemachse stehenden Flächen eines minimalen Quaders, der den ersten Konkavspiegel, den Konvexspiegel, den zweiten Konkavspiegel und den ersten und zweiten Planspiegel umschließt und welcher zwei senkrecht zu einer optischen Systemachse stehende Flächen aufweist, ist.
Zudem wird eine Vorrichtung zur Werkstückbearbeitung bereitgestellt, umfassend: eine Abbildungsoptik nach dem ersten oder zweiten Aspekt, und eine Laseranordnung mit einer Vielzahl von in einer Zeile angeordneten Laserlichtquellen, wobei die Abbildungsoptik angeordnet ist, Laserlicht von den Laserlichtquellen auf ein Werkstück abzubilden.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Abbildungsoptik gemäß dem ersten Aspekt bereitsgestellt, umfassend:
Herstellen des ersten Konkavspiegels und des zweiten Konkavspiegels aus einer gemeinsamen rotationsasphärischen Grundform, und/oder
Herstellen des ersten Konvexspiegels und des zweiten Konvexspiegels aus einer gemeinsamen rotationsasphärischen Grundform.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer Abbildungsoptik gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine Schnittansicht der Abbildungsoptik aus 1,
3 eine Modulationsübertragungsfunktion einer spezifischen Implementierung des Ausführungsbeispiels der 1,
4 und 5 Diagramme mit Kurven, welche Abbildungsfehler einer spezifischen Implementierung des Ausführungsbeispiels der 1 zeigen,
6 und 7 Diagramme, welche genutzte Bereiche von Rotationsflächen für Spiegel des Ausführungsbeispiels der 1 zeigen,
8 eine Schnittansicht einer Abbildungsoptik gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
9 eine Modulationsübertragungsfunktion einer spezifischen Implementierung des Ausführungsbeispiels der 8,
10 und 11 Diagramme mit Kurven, welche Abbildungsfehler einer spezifischen Implementierung des Ausführungsbeispiels der 8 zeigen, und
12–15 Diagramme zur Veranschaulichung der Implementierung von Spiegeln des Ausführungsbeispiels der 8.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Es ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele nur zur Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Auf der anderen Seite ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen oder Elementen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale oder Elemente zur Implementierung der Erfindung notwendig sind. Vielmehr können bei anderen Ausführungsbeispielen Merkmale oder Elemente weggelassen werden, alternative Merkmale oder Elemente bereitgestellt werden oder zusätzliche Merkmale oder Elemente implementiert sein.
In 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Abbildungsoptik, auch als Relay-Optik bezeichnet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. 2 zeigt ein meridonales Schnittbild der Abbildungsoptik der 1, wobei in 2 zusätzlich ein Maßstab 20 angegeben ist, um eine mögliche Größe einer Implementierung zu veranschaulichen. Der Maßstab 20 ist jedoch nur als Beispiel zu verstehen, und Ausführungsbeispiele der Erfindung können je nach gewünschter Anwendung in verschiedenen Größen implementiert sein, sind also nicht auf den dargestellten Maßstab begrenzt.
Die Abbildungsoptik der 1 und 2 dient dazu, von einer in einer Objektebene angeordneten Laseranordnung 16 ausgehendes Laserlicht auf einen Teil eines Werkstück 17, welcher sich in einer Bildebene befindet, abzubilden. Die Laseranordnung 16 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Laserlichtquellen, beispielsweise Laserdioden, auf, welche in einer Linie angeordnet sind. In 1 sind als Beispiel Lichtbündel für fünf derartiger Laserlichtquellen dargestellt, welche im Folgenden auch zur Darstellung von Abbildungseigenschaften eines Implementierungsbeispiels dienen. Ein Abstand der äußersten Laserlichtquellen der Linie kann dabei beispielsweise in einem Bereich von 200–300 mm, beispielsweise bei ungefähr 260 mm, liegen, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Auch kann eine andere Anzahl von Laserlichtquellen vorgesehen sein, typischerweise z.B mehr als 100 Laserdioden.
Das Werkstück 17 kann in einer Bewegungsrichtung senkrecht zu der Abbildung der Linie bewegt werden, und durch das selektive Ein- und Ausschalten einzelner Laserlichtquellen kann das Werkstück 17 ortsaufgelöst bearbeitet werden. Es ist jedoch zu bemerken, dass Abbildungsoptiken gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung auch für andere Zwecke eingesetzt werden können als die dargestellte Bearbeitung des Werkstücks 17, insbesondere allgemein in Fällen, in welchen von ein oder mehreren Lichtquellen wie Laserlichtquellen ausgehendes Licht in eine Bildebene abzubilden ist.
Die Abbildungsoptik 10 des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 umfasst zwei Halbsysteme, welche jeweils aus zwei Spiegeln bestehen, sowie eine zwischen den Halbsystemen angeordnete Aperturblende 13. Das erste Halbsystem umfasst dabei einen ersten Spiegel 11 und einen zweiten Spiegel 12, und das zweite Halbsystem umfasst einen dritten Spiegel 14 und einen vierten Spiegel 15. Die Aperturblende 13, welche eine mechanisch zugängliche Aperturblende sein kann, dient bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dazu, unerwünschtes Falschlicht zu unterdrücken und eine definierte Eintrittspupille für beispielsweise von der Laseranordnung 16 einzukoppelndes Licht zu erzeugen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das erste Halbsystem und das zweite Halbsystem punktsymmetrisch zueinander angeordnet, wobei ein Symmetriepunkt beispielsweise innerhalb der Aperturblende 13 liegen kann. Die Spiegel 11–15 oder zumindest optisch genutzte Bereiche hiervon sind dabei bevorzugt paarweise nominell identisch zueinander ausgestaltet (nominell bedeutet in diesem Fall bis auf Fertigungstoleranzen oder andere unbeabsichtigte Abweichungen), wobei der erste Spiegel 11 nominell identisch zu dem vierten Spiegel 15 ausgestaltet sein kann und der zweite Spiegel 12 nominell identisch zu dem dritten Spiegel 14 ausgestaltet sein kann. Durch diesen bevorzugten Aufbau ist die Verzeichnung der gesamten Abbildungsoptik intrinsisch nahezu perfekt korrigiert, und zudem ist ein Herstellaufwand für paarweise identische Spiegel gegenüber einem allgemeinen Fall mit vier unterschiedlichen Spiegeln verringert. Es ist jedoch zu bemerken, dass bei anderen Ausführungsbeispielen die Spiegel nicht notwendigerweise paarweise identisch ausgestaltet sein müssen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Spiegel 11 und 15, wie insbesondere in 2 ersichtlich, eine konkave Grundform auf, während die Spiegel 12 und 14 eine konvexe Grundform aufweisen, wobei sich die Begriffe „konvex“ und „konkav“ hier auf die dem Strahlengang zugewandte Seite der Spiegel beziehen. Verglichen mit dem eingangs erwähnten herkömmlichen Offner-Relaysystem wird gleichsam der Konvexspiegel des herkömmlichen Systems in die zwei Spiegel 12, 14 „aufgespaltet“, und zwischen diesen wird die Aperturblende 13 angeordnet. Hierdurch kann ein gestreckter Aufbau ohne weitere Umlenkspiegel erreicht werden. Die zwei Spiegel 12, 14 können dabei die halbe Brechkraft wie der entsprechende Konvexspiegel des herkömmlichen Systems aufweisen.
Jedes Halbsystem, d.h. die Spiegel 11, 12 auf der einen Seite und die Spiegel 14, 15 auf der anderen Seite, ist bevorzugt so ausgebildet, dass es auf der einen Abbildungsseite auf eine endliche Entfernung abbildet (im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 zur Seite der Laseranordnung 16 bzw. des Werkstücks 17 hin), während sie auf der anderen Abbildungsseite nach unendlich abbildet, also einen zumindest näherungsweise kollimierten Strahlengang erzeugt (zu der Aperturblende 13 hin, insbesondere in 2 ersichtlich). Dies hat den Vorteil, dass die Justage der Spiegel erleichtert wird, da beide Halbsysteme unabhängig voneinander justiert und geprüft werden können, insbesondere die Prüfung jedes Halbsystems durch den Unendlichstrahlengang auf der einen Abbildungsseite stark vereinfacht wird (hierzu können beispielsweise typische hochgenaue Messgeräte wie z.B. Autokollimationsfernrohre zum Einsatz kommen).
Sowohl der erste und vierte Spiegel 11, 15 (im Folgenden als Spiegeltyp 1 bezeichnet) als auch der zweite und dritte Spiegel 12, 14 (im Folgenden als Spiegeltyp 2 bezeichnet) können durch außeraxiale Ausschnitte von Rotationsasphären gebildet sein und können eine Form aufweisen, welche es ermöglicht, jeweils mindestens zwei Spiegel, d.h. zwei Spiegel vom Spiegeltyp 1 oder zwei Spiegel vom Spiegeltyp 2, nicht überlappend auf einem entsprechenden rotationssymmetrischen Spiegelsubstrat zu platzieren. Dadurch ist es möglich, zwei identische Spiegelflächen, beispielsweise zur Realisierung der Spiegel 11 und 15 oder zur Realisierung der Spiegel 12 und 14, aus einem rotationssymmetrischen Grundbauteil herzustellen, was den Herstellungsaufwand weiter verringert. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Spiegel jedoch auch separat zueinander gefertigt werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Scheitelradien bzw. Grundkrümmungen am Scheitelpunkt für die Spiegel des Spiegeltyps 1 und des Spiegeltyps 2 betragsmäßig zumindest näherungsweise gleich, d.h. alle vier Spiegel 11, 12, 14, 15 des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 weisen bei einer derartigen Implementierung in ihrem jeweiligen Scheitelpunkt betragsmäßig zumindest näherungsweise die gleiche Krümmung auf. Beispielsweise ist bevorzugt die Abweichung der Beträge der Krümmungsradien weniger als 5%, noch bevorzugter weniger als 2%. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel ist die Bildfeldkrümmung in jedem Halbsystem separat korrigiert, was die Prüfung der einzelnen Halbsysteme erleichtert. Dies führt auch zu einem ebenen Bildfeld für die Gesamtanordnung.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind alle vier Spiegel 11, 12, 14 und 15 pupillennah angeordnet. Dies dient dazu, von einem Objektpunkt, beispielsweise einer Laserlichtquelle der Laseranordnung 16, abgestrahlte Eingangsleistung auf eine möglichst große Spiegelfläche zu verteilen, sodass ausreichend Sicherheitsabstand zu einem Schwellenwert für die Leistungsdichte, welche zu einer Zerstörung oder Beeinträchtigung des jeweiligen Spiegels führt, besteht und dennoch eine vergleichsweise kompakte Bauform der Abbildungsoptik 10 eingehalten wird. Im Kontext der vorliegenden Anmeldung bedeutet pupillennah, dass die folgende Bedingung erfüllt ist: D2/D1 < 3, bevorzugt D2/D1 < 2,5.
Dabei ist D2 der Durchmesser des minimalen, d.h. kleinstmöglichen, Kreises, der die Schnittpunkte aller von sämtlichen Objektpunkten (beispielsweise sämtlichen Laserlichtquellen der Laseranordnung 16) ausgehenden Strahlen mit der Spiegelfläche des jeweiligen Spiegels im Mittelpunkt (Schwerpunkt) der Spiegelfläche umschreibt. D1 ist der Durchmesser des minimalen Kreises, der die Schnittpunkte aller von einem beliebigen, aber fest gewählten Objektpunkt O (beispielsweise von einer der Laserlichtquellen der Laseranordnung 16) ausgehenden Strahlen mit der Scheitelebene der Spiegelfläche im Mittelpunkt (Schwerpunkt) der Spiegelfläche umschreibt.
Die obige Bedingung ist bevorzugt für jeden Spiegel, d.h. für jeden der Spiegel 11, 12, 14, 15, erfüllt. Bei Erfüllung der oben angegebenen Bedingung für D2 und D1 ist bei entsprechenden Ausführungsbeispielen sichergestellt, dass es bei Hell- bzw. Dunkelschaltung einer Teilauswahl von Laserlichtquellen der Laseranordnung 16 (d.h. nur manche der Laserlichtquellen strahlen Licht ab) zu keinen stark lokalisierten Bestrahlungsstärkevariationen und dadurch verursachten Temperaturgradienten kommt, welche zu lokalen Verformungen der Spiegelfläche führen könnten.
Allgemein sind bei bevorzugten Ausführungsbeispielen zur Erreichung einer zumindest näherungsweise beugungsbegrenzten Korrektur und der Telezentrie alle vier Spiegel 11, 12, 14, 15 asphärisch ausgebildet, wobei die asphärische Abweichung von einer Scheitelkugel bzw. einer bestangepassten Kugelfläche derart gewählt ist, dass die beschriebenen bevorzugten Eigenschaften erreicht werden. Ein konkretes Beispiel für derartige Spiegelflächen wird später gegeben.
Durch die dargestellte Bauweise mit vier Spiegeln 11, 12, 14, 15 kann eine verglichen mit dem Arbeitsabstand kompakte Baulänge erreicht werden, was für viele Anwendungen wünschenswert sein kann. Das Verhältnis von Baugröße zu Arbeitsabstand kann durch einen ersten Kompaktheitsindex K1 gemäß K1: = S/L beschrieben werden. Dabei ist L der frei zugängliche Arbeitsabstand der Abbildungsoptik. Dieser kann definiert werden als der kleinste Abstand von einem beliebigen Objektpunkt zu einem beliebigen Punkt eines minimalen Quaders, welcher zwei gegenüberliegende senkrecht zu einer Systemachse stehende Flächen aufweist und der alle optischen Komponenten der Abbildungsoptik (in diesem Fall die Spiegel 11, 12, 14, 15 sowie die Aperturblende 13) umschließt. Ein derartiger Quader ist in 2 gepunktet angedeutet und mit dem Bezugszeichen 21 versehen, mit 22 ist die optische Systemachse bezeichnet. Der entsprechende Arbeitsabstand L zu dem dargestellten Objektpunkt ist ebenfalls in 2 eingezeichnet. Falls bei einem System objektseitiger und bildseitiger Arbeitsabstand unterschiedlich sind (bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der 1 und 2 sind diese Arbeitsabstände gleich), ist zur Berechnung von K1 der kleinere der beiden Werte heranzuziehen.
Die Größe S ist die Baulänge der Optik in Richtung der optischen Systemachse. Diese kann definiert werden als der Abstand der beiden senkrecht zur optischen Systemachse stehende Flächen des kleinstmöglichen Quaders, der alle optischen Komponenten (ohne Objekt- und Bildfläche) vollständig umschließt, also wiederum beispielsweise des in 2 angedeuteten Quaders 21. Die entsprechende Länge S ist in 2 ebenfalls eingezeichnet. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung gilt bevorzugt K1 < 0,6, noch bevorzugter K1 < 0,5 und am bevorzugtesten K1 < 0,4.
Die Kompaktheit einer Abbildungsoptik kann zudem durch einen zweiten Kompaktheitsindex K2 charakterisiert werden, welcher eine Strahlaufweitung im Verhältnis zu einer Baulänge des Systems beschreibt, d.h. K2: = S/D.
S ist wie oben für K1 erläutert definiert. D ist ein Durchmesser eines minimalen Bündelquerschnittes, den ein von einem Objektpunkt, beispielsweise einer Laserlichtquelle der Laseranordnung 16, ausgehendes Strahlbündel an irgendeiner optischen Wirkfläche (z.B. Spiegel) des Systems bildet. Als Bündelquerschnittsdurchmesser kann dabei ein Durchmesser eines minimalen Kreises, der die Schnittpunkte aller von einem beliebigen Objektpunkt O ausgehenden Strahlen mit der Scheitelebene der optischen Wirkfläche im Mittelpunkt (Schwerpunkt) der Fläche umschreibt, definiert werden. Somit dient der Durchmesser D als Maß für die Aufweitung des Strahlbündels.
Ausführungsbeispiele der Erfindung weisen bevorzugt einen Kompaktheitsindex von K2 < 5, noch bevorzugter K2 < 3 und am bevorzugtesten K2 < 1 auf.
Im Folgenden wird eine mögliche Implementierung des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 anhand von konkreten Zahlenwerten erläutert. Diese konkreten Zahlenwerte sind jedoch nur als ein Beispiel für eine mögliche Implementierung des Ausführungsbeispiels zu verstehen, und das Implementierungsbeispiel kann auch mit anderen Zahlenwerten realisiert werden. Zudem ist zu beachten, dass es für optische Oberflächen eine Vielzahl möglicher mathematischer Darstellungen gibt, so dass das gleiche Implementierungsbeispiel auch mit anderen Darstellungen beschrieben werden kann.
Bei diesem konkreten Implementierungsbeispiel weist das Objektfeld eine Breite von 260 mm auf, was beispielsweise einem Abstand zwischen den beiden äußersten Laserlichtquellen der Laseranordnung 16 entsprechen kann. Das Implementierungsbeispiel weist einen Arbeitsabstand von L = 577 mm, eine Baugröße S = 246 mm und somit eine Gesamtbaulänge vom Objekt zum Bild von 1400 mm auf. Der erste Kompaktheitsindex K1 beträgt somit K1 = 0,426. Eine maximale Abweichung von der Telezentrie beträgt ca. 7 mrad, und die Verzeichnung des Systems bleibt überall unter 1 µm. Die in den 1 und 2 eingezeichneten fünf Feldbündel können beispielsweise fünf ausgewählte Objektpunkte F1 bis F5 mit folgenden Koordinaten bezeichnen: F1: x = –130mm; y = 210mm F2: x = –65mm; y = 210mm F3: x = 0mm; y = 210mm F4: x = 65mm; y = 210mm F5: x= 130mm; y = 210mm
Das Implementierungsbeispiel weist eine Öffnung (numerische Apertur) von 0,12 auf, welche durch die Aperturblende 13 zwischen den beiden Halbsystemen definiert ist. Die kleinsten Bündelquerschnitte treten an den beiden konvexen Spiegelflächen, d.h. den Spiegeln 12 und 14, auf und weisen einen Durchmesser von D = 120 mm auf. Der Kompaktheitsindex K2 des Systems beträgt somit K2 = 2,05. Die vier Spiegel 11, 12, 14 und 15 sind asphärische Spiegel, deren Oberfläche durch die folgende Polynomdarstellung beschrieben werden kann, welche eine herkömmliche Darstellung ist, welche insbesondere in dem verbreiteten Optikdesignprogramm Code V^® der Firma Synopsis^® verwendet wird:
Dabei ist z die Senkung der Spiegeloberfläche parallel zu der z-Achse, c_bfs die Krümmung der bestangepassten Kugelfläche, r = √ x² + y² der radiale Abstand vom Mittelpunkt einer axialsymmetrischen Asphäre, r_n der Normalisierungsradius, u = r/r_n, a_m der mte Q^bfs-Koeffizient und Q_m ^bfs das mte Q^bfs-Polynom, wie es in dem oben genannten Optikdesignprogramm verwendet wird. Die Konstruktionsdaten des Implementierungsbeispiels, insbesondere Koeffizienten zum Bestimmen der Spiegelfläche, ergeben sich in der Darstellung des oben genannten Optikdesignprogramms wie folgt:
Bei diesem Implementierungsbeispiel beträgt die Abweichung zwischen den Krümmungsradien der Spiegel maximal ca. 1,8%. Der oben definierte Wert D2/D1 liegt bei dem Implementierungsbeispiel an dem Spiegel 11 z.B. bei 2,44 und an dem Spiegel 12 z.B. bei 1,73.
In 3 ist die Modulationsübertragungsfunktion des Implementierungsbeispiels für Feldpunkte entlang der kompletten Diodenzeile für eine Laserwellenlänge von 980 nm dargestellt, wobei die obersten beiden Kurven die Beugungsbegrenzung für den Objektpunkt F1 in y- und x-Richtung zeigen und die übrigen Kurven die Modulationsübertragungsfunktion für die Objektpunkte F1–F5 jeweils in y-Richtung (durchgezogen) und in x-Richtung (gestrichelt) zeigen, bei der Beugungsbegrenzung zeigt die gepunktete Linie die Übertragungsfunktion in y-Richtung und die gepunktete Linie die Übertragungsfunktion in x-Richtung. Wie zu sehen ist liegen die Werte relativ nah an den Kurven für die Beugungsbegrenzung.
4 zeigt Queraberrationen des Implementierungsbeispiels in Millimetern in y-Richtung (Y-FAN) und in x-Richtung (X-FAN), und 5 zeigt entsprechende Wellenaberrationen in Einheiten der Laserwellenlänge, welche in diesem Fall wiederum 980 nm betrug. Dabei sind die Aberrationen für Abbildungen der oben definierten Objektpunkte F5 bis F1 von oben nach unten dargestellt, wie in den 4 und 5 bezeichnet. Die Ausgabe entspricht wiederum der Ausgabe des oben beschriebenen Optikdesignprogramms Code V.^®, welches dem Fachmann geläufig ist.
Wie aus den 3, 4 und 5 ersichtlich ist die Abbildung annähernd beugungsbegrenzt.
Die 6 und 7 zeigen optisch genutzte Flächenbereiche auf rotationssymmetrischen Trägerflächen für das Implementierungsbeispiel, wobei 6 die Bereiche für die Spiegel 11 bzw. 15 darstellt, während 7 auf die Spiegel 12 und 14 anwendbar ist. In 6 zeigt eine Linie 60 einen Grundkörper einer Rotationsasphäre, wobei 62 das Rotationszentrum bezeichnet. Mit 61 sind die Einhüllende der in 1 eingezeichneten Strahlenbündel bezeichnet, und mit 63 ein Kreis mit Durchmesser D2 entsprechend der obigen Definition. Hieraus wird ersichtlich, dass wie bereits erläutert bei dem Implementierungsbeispiel aus einem einzigen Grundkörper 60 zwei Spiegel, beispielsweise die Spiegel 11 und 15, hergestellt werden können, in diesem Fall ggf. sogar drei Spiegel. 7 zeigt die entsprechende Situation für die Spiegel 12 und 14, wobei mit 70 der Umriss des rotationssymmetrischen asphärischen Grundkörpers mit Rotationszentrum 72 und mit 71 die Einhüllenden der Bündelquerschnitte bezeichnet sind. Mit 73 ist ein Kreis mit Durchmesser D2 bezeichnet. Auch hier kann aus einem rotationssymmetrischen Spiegelsubstrat ein Paar von Spiegeln, beispielsweise die Spiegel 12 und 14, hergestellt werden, was die Herstellung vereinfacht.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die 8–13 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung diskutiert. Das Ausführungsbeispiel der 8 stellt eine Weiterentwicklung der eingangs erwähnten Offner-Abbildungsoptik dar.
8 zeigt eine Querschnittsansicht (meridionaler Schnitt) entsprechend der Darstellung der 2. Ausgehend von einem Objektpunkt 86 wird ein Lichtstrahl über einen ersten planen Umlenkspiegel 81 auf einen ersten Konkavspiegel 82 mit einer ersten Freiformfläche als Spiegelfläche gelenkt. Von dem ersten Konkavspiegel 82 gelangt das Licht zu einem Konvexspiegel 84, von dort zu einem zweiten Konkavspiegel 83 mit einer zweiten Freiformfläche als Spiegelfläche und schließlich über einen zweiten planen Umlenkspiegel 85 zu einer Bildebene 87. Verglichen mit einer herkömmlichen Offner-Abbildungsoptik wie eingangs beschrieben wurde der einzige Konkavspiegel der herkömmlichen Offner-Abbildungsoptik in zwei Konkavspiegel 82, 83 mit Freiformflächen aufgeteilt, was größere Designfreiheit ermöglicht. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die Konkavspiegel 82 und 83 einander entsprechend oder ähnlich ausgebildet, stellen jedoch Freiformflächen dar, welche sich beispielsweise nicht als Teile einer einzigen Asphäre oder Sphäre darstellen lassen, d.h. nicht durch eine einzige Asphäre oder Sphäre ersetzt werden können. In anderen Worten liegen der erste Konkavspiegel (82) und der zweite Konkavspiegel (83) nicht auf einer gemeinsamen Rotationsasphäre oder Rotationssphäre. Die Freiformflächen können dabei derart ausgestaltet sein, dass wiederum gewünschte Eigenschaften wie eingangs beschrieben zumindest teilweise erreicht werden.
Mit 88 ist ein beispielhafter Maßstab bezeichnet, wobei die Abbildungsoptik 80 der 8 auch anders dimensioniert sein kann.
Im Folgenden soll wiederum ein konkretes Implementierungsbeispiel für die Abbildungsoptik 80 der 8, welches beispielsweise dem Maßstab 88 entspricht, angegeben werden. Wiederum ist zu betonen, dass dies lediglich zur Veranschaulichung dient und nicht als einschränkend auszulegen ist.
Bei dem Implementierungsbeispiel weist das Objektfeld wiederum wie bei dem Implementierungsbeispiel der 1 und 2 eine Breite von 260 mm auf. Das Implementierungsbeispiel der Abbildungsoptik 80 weist einen Arbeitsabstand L (in dem Fall entsprechend dem kürzesten auftretenden Abschnitt eines Objektpunktes vom planen Umlenkspiegel 81) von L = 300 mm und eine Baugröße S entlang der primären Achse der Abbildung von S = 485 mm und somit eine Gesamtbaulänge vom Objekt zum Bild von 1085 mm auf. Der Kompaktheitsindex K1 beträgt somit K1 = 1,61, was weniger bevorzugt ist als derjenige des Implementierungsbeispiels des Ausführungsbeispiels der 1 und 2. Die Baugröße in der Querdimension senkrecht zu der primären Achse beträgt ca. 590 mm.
Das System weist eine Öffnung (numerische Apertur) von 0,12 auf, die durch eine Aperturblende auf dem Konvexspiegel definiert ist.
Als repräsentative Strahlengänge wurden wiederum 5 Objektpunkte F1–F5 mit den folgenden Koordinaten ausgewählt: F1: x = 130mm; y = –200mm F2: x = 65mm; y = –200mm F3: x = 0mm; y = –200mm F4: x = –65mm; y = –200mm F5: x= –130mm; y = –200mm
Die x-Koordinaten repräsentieren dabei einzelne Punkte entlang beispielsweise einer Laseranordnung wie der Laseranordnung 16, wobei ein Versatz entlang des y-Koordinate sicherstellt, dass die Strahlbündel innerhalb der Spiegeloptik ausreichend getrennt verlaufen, so dass es zu keinen Selbstabschattungen kommt.
Die kleinsten Bündelquerschnitte bei dem Implementierungsbeispiel der Abbildungsoptik 80 treten an der konvexen Spiegelfläche des Spiegels 84 auf, welche mit dem Ort der Aperturblende zusammenfällt, und weisen einen Durchmesser von D = 168 mm auf. Der zweite Kompaktheitsindex K2 des Implementierungsbeispiels beträgt somit K2 = 2,89.
Ein maximaler Telezentriefehler dieses Implementierungsbeispiels beträgt nur ca. 2 mrad, und eine Verzeichnung bleibt im gesamten Feld in jeder Richtung deutlich unter 1 µm.
Die Freiformflächen der Konkavspiegel 82, 83 können durch folgende Polynomdarstellungen beschrieben werden:
Hierbei bezeichnen x, y und z die kartesischen Koordinaten eines auf der Spiegelfläche liegenden Punktes in einem lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem, R bezeichnet einen Radius und k einen zusätzlichen Parameter. C_m,n sind die Koeffizienten der Polynomdarstellung.
Der Spiegel 84 wird als rotationssymmetrische Asphäre mit der gleichen Gleichung wie die Spiegel des Implementierungsbeispiels des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 beschrieben, welche oben bereits erläutert wurden. Die optischen Grunddaten und die Koeffizienten der Flächenformen werden untenstehend wiederum im Format des herkömmlichen Optikdesignprogramms Code V^® von Synopsis^® dargestellt:
Dabei entspricht die Fläche 2 dem Planspiegel 81, die Fläche 3 dem Konkavspiegel 82, die angegebenen Asphärenkoeffizienten dem Spiegel 84, die Fläche 5 dem Konkavspiegel 83 und die Fläche 6 dem Planspiegel 85. Die Koeffizienten der Polynomentwicklung der Spiegel 82 und 83 sind jeweils mit den Potenzen der zugehörigen Entwicklungsterme gekennzeichnet, beispielsweise bedeutet „X2Y3“ den Koeffizienten C_2,3 der oben angegebenen Gleichung für die Freiformflächen.
Wie zu sehen ist, weisen bis auf manche Vorzeichen die Spiegel 82 und 83 bei dem hier verwendeten Implementierungsbeispiel die gleichen Koeffizienten auf. Insbesondere sind bei manchen Ausführungsbeispielen, wie z.B. bei dem dargestellten Implementierungsbeispiel, nur Koeffizienten zu geraden Potenzen einer ersten Raumrichtung (in diesem Fall x, d.h. Koeffizienten zu x², x⁴ etc.) von Null verschieden, was sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere daraus ergibt, dass das abzubildende Feld und somit auch die Spiegelflächen spiegelsymmetrisch zur Meridionalebene, welche der yz-Ebene entspricht, angeordnet ist. Zudem unterscheiden sich bei manchen Ausführungsbeispielen, z.B. bei dem dargestellten Implementierungsbeispiel, die Vorzeichen derjenigen Koeffizienten zwischen den Spiegeln 82 und 83, welche ungeraden Potenzen einer zweiten Raumrichtung (in diesem Fall y, d.h. Koeffizienten zu y, y³, y⁵ etc.) senkrecht zur ersten Raumrichtung zugeordnet sind, während Koeffizienten zu den geraden Potenzen der zweiten Raumrichtung das gleiche Vorzeichen aufweisen. Bei anderen Implementierungen können auch unterschiedliche Koeffizienten gewählt werden. Beispielsweise kann von den oben erwähnten Symmetrien der Koeffizienten abgewichen werden, was jedoch zu schlechter herstellbaren Flächen führen kann, da z.B. unter Umständen mehr Polynomterme zur Beschreibung benötigt werden.
9 zeigt die Modulationsübertragungsfunktion des oben dargestellten Implementierungsbeispiels der Abbildungsoptik 80, wobei die Darstellung derjenigen der 3 entspricht. Die oberen beiden Kurven stellen wiederum die Modulationsübertragungsfunktion bei Beugungsbegrenzung für den Objektpunkt F1 in y- und x-Richtung dar, die übrigen Linien die Modulationsübertragungsfunktionen für die Objektpunkte F1 bis F5 jeweils in y- und x-Richtung wie oben angegeben. Wie ersichtlich ist, ist die Abbildung fast beugungsbegrenzt.
10 zeigt Diagramme, welche Queraberrationen des Implementierungsbeispiels der Abbildungsoptik 80 zeigen, und 11 zeigt entsprechende Diagramme für Wellenaberrationen. Die Darstellungen der 10 und 11 entsprechen den Darstellungen der 4 und 5, welche sich auf das Implementierungsbeispiel der Abbildungsoptik 10 beziehen. Auch bei den 10 und 11 wurde eine Wellenlänge von 980 nm zugrunde gelegt. Wie ersichtlich ist, treten allenfalls äußerst geringe Aberrationen auf. Insbesondere ist zu sehen, dass die Abbildung im Wesentlichen beugungsbegrenzt ist.
Die 12–15 zeigen Bündelquerschnitte der von einzelnen Laserlichtquellen an den Positionen F1–F5 ausgehenden Strahlbündeln auf Spiegelflächen. Dabei zeigt 12 die Lage von Strahlbündeln 121 auf einer Spiegelfläche 120, welche beispielsweise dem Planspiegel 81 oder dem Planspiegel 85 entspricht. Mit 122 ist ein Kreis mit Durchmesser D2 bezeichnet.
13 zeigt eine entsprechende Darstellung für den ersten Konkavspiegel 82, wobei mit 31 ein Umriss einer Freiformfläche um einen Mittelpunkt 133 und mit 132 Einhüllende der Strahlbündel bezeichnet sind. Für die Realisierung des Spiegels 82 muss nur der optisch genutzte Bereich, d.h. der Bereich, welcher durch die Einhüllenden 132 bezeichnet ist, bereitgestellt werden. Mit 134 ist ein Kreis mit Durchmesser D2 bezeichnet.
14 zeigt eine entsprechende Darstellung für den Konvexspiegel 84, welcher gleichzeitig der Aperturblende entspricht. Hier sind die Einhüllenden der Strahlbündel 140 im Wesentlichen identisch mit dem rotationssymmetrischen asphärischen Konvexspiegel 84 mit Mittelpunkt 141 und im Wesentlichen identisch zu einem Kreis mit Radius D2.
In 15 ist schließlich die Situation für den zweiten Konkavpiegel 83 dargestellt, wobei die Einhüllenden der Strahlenbündel 152 einen optisch genutzten Bereich einer Freiformfläche 151 angeben. Die Freiformfläche 151 kann dabei der Freiformfläche 131 entsprechen, wobei der wie in 15 dargestellte andere genutzte Bereich den veränderten Vorzeichen der Koeffizienten entspricht. Mit 153 ist ein Mittelpunkt der Freiformfläche 151 bezeichnet. Mit 154 ist ein Kreis mit Durchmesser D2 bezeichnet. Wiederum muss für die Implementierung des Spiegels 83 nur der tatsächlich optisch genutzte Bereich bereitgestellt werden. Wie aus 13 und 15 ersichtlich, können bei manchen Ausführungsbeispielen die Spiegel 82 und 83 aus einem gleichen Freiformgrundkörper hergestellt werden.
Gegenüber einer herkömmlichen Offner-Abbildungsordnung wie in der eingangs erwähnten US 3,748,015 beschrieben ergibt sich durch die Verwendung zweier Freiformflächen für die Konkavspiegel 82, 83 eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Abbildung, beispielsweise hinsichtlich numerischer Apertur, Modulationsübertragungsfunktion oder Aberrationen. Zudem l
Die dargestellten Ausführungsbeispiele, insbesondere die konkreten Implementierungsbeispiele der Abbildungsoptiken 10 und 80, sind wie bereits erläutert lediglich als Beispiel und zur Veranschaulichung von Implementierungsmöglichkeiten zu verstehen und sind nicht als einschränkend auszulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3748015 [0007, 0090]
US 5708502 [0009]

Claims

Abbildungsoptik (10) für Laserstrahlen, umfassend: einen ersten Konkavspiegel (11) zum Empfangen von Laserlicht aus einer Objektebene, einen ersten Konvexspiegel (12) zum Empfangen von von dem ersten Konkavspiegel (11) reflektiertem Laserlicht, einen zweiten Konvexspiegel (14) zum Empfangen von von dem ersten Konvexspiegel (12) reflektiertem Laserlicht, und einen zweiten Konkavspiegel (15) zum Empfangen von von dem zweiten Konvexspiegel (14) reflektiertem Laserlicht und zum Abstrahlen des Laserlichts in eine Bildebene.
Abbildungsoptik (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend eine zwischen dem ersten Konvexspiegel (12) und dem zweiten Konvexspiegel (14) angeordnete mechanisch zugängliche Aperturblende (13).
Abbildungsoptik (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein optisch genutzter Bereich des ersten Konkavspiegels (11) nominell kongruent zu einem optisch genutzten Bereich des zweiten Konkavspiegels (15) ausgebildet ist, und wobei ein optisch genutzter Bereich des zweiten Konvexspiegels (14) nominell kongruent zu einem optisch genutzten Bereich des ersten Konvexspiegels (12) ausgebildet ist.
Abbildungsoptik (10) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei ein durch den ersten Konkavspiegel (11) und den ersten Konvexspiegel (12) ausgebildetes erstes Halbsystem punktsymmetrisch zu einem durch den zweiten Konvexspiegel (14) und den zweiten Konkavspiegel (15) ausgebildeten zweiten Halbsystem angeordnet sind.
Abbildungsoptik (10) nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der erste Konkavspiegel (11), der erste Konvexspiegel (12), der zweite Konvexspiegel (14) und/oder der zweite Konkavspiegel (15) oder optisch genutzte Bereiche hiervon durch außeraxiale Ausschnitte von Rotationsasphärenflächen gebildet sind.
Abbildungsoptik (10) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei Scheitelradien an Scheitelpunkten des ersten Konkavspiegels (11), des ersten Konvexspiegels (12), des zweiten Konvexspiegels (14) und des zweiten Konkavspiegels (15) betragsmäßig näherungsweise gleich sind.
Abbildungsoptik (10) nach einem der Ansprüche 1–6, wobei der erste Konkavspiegel (11), der erste Konvexspiegel (12), der zweite Konvexspiegel (14) und/oder der zweite Konkavspiegel (15) pupillennah angeordnet ist, wobei ein Spiegel dann pupillennah angeordnet ist, wenn für eine Spiegelfläche des Spiegels gilt: D2/D1 ≤ 2, wobei D2 der Durchmesser eines minimalen Kreises (63, 73), der Schnittpunkte aller von sämtlichen Objektpunkten ausgehenden Strahlen mit einer Scheitelebene der Spiegelfläche im Mittelpunkt der Spiegelfläche umschreibt, und D1 der Durchmesser eines minimalen Kreises ist, der die Schnittpunkte aller von einem beliebigen fest gewählten Objektpunkt ausgehenden Strahlen mit der Scheitelebene im Mittelpunkt der Spiegelfläche umschreibt.
Abbildungsoptik (10) nach einem der Ansprüche 1–7, wobei ein erster Kompaktheitsindex K1 der Abbildungsoptik (10) kleiner 0,6 ist, wobei K1 durch K1: = S/L definiert ist, wobei L der kleinste Abstand von einem beliebigen Punkt in der Objektebene oder Bildebene zu einem beliebigen Punkt eines minimalen Quaders (21), der den ersten Konkavspiegel (11), den ersten Konvexspiegel (12), den zweiten Konvexspiegel (14) und den zweiten Konkavspiegel (15) umschließt, ist, und S der Abstand der zwei senkrecht zu einer optischen Systemachse (22) stehenden Flächen des minimalen Quaders (21) ist.
Abbildungsoptik (10) nach einem der Ansprüche 1–8, wobei ein zweiter Kompaktheitsindex K2 der Abbildungsoptik (10) kleiner 3 ist, wobei K2 als K2: = S/D definiert ist, wobei D ein Durchmesser eines minimalen Bündelquerschnitts, den ein von einem Punkt der Objektebene ausgehendes Strahlbündel an einer optischen Wirkfläche der Abbildungsoptik (10) bildet, ist, und S der Abstand der beiden senkrecht zu einer optischen Systemachse stehenden Flächen eines minimalen Quaders (21), der den ersten Konkavspiegel (11), den ersten Konvexspiegel (12), den zweiten Konvexspiegel (14) und den zweiten Konkavspiegel (15) umschließt und welcher zwei senkrecht zu einer optischen Systemachse (22) stehende Flächen aufweist, ist.
Abbildungsoptik (80) für Laserstrahlen, umfassend: einen ersten Planspiegel (81) zum Empfangen von Laserlicht aus einer Objektebene (86), einen ersten Konkavspiegel (82) mit einer ersten Freiformfläche zum Empfangen von von dem ersten Planspiegel (81) reflektiertem Laserlicht, einen Konvexspiegel (84) zum Empfangen von von dem ersten Konkavspiegel (82) reflektiertem Laserlicht, einen zweiten Konkavspiegel (83) mit einer zweiten Freiformfläche zum Empfangen von von dem Konvexspiegel (84) reflektiertem Laserlicht, und einen zweiten Planspiegel (85) zum Reflektieren von von dem zweiten Konkavspiegel (83) reflektiertem Laserlicht in eine Bildebene.
Abbildungsoptik (80) nach Anspruch 10, wobei der Konvexspiegel (84) eine Rotationsasphäre ist.
Abbildungsoptik (80) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der erste Konkavspiegel (82) und der zweite Konkavspiegel (83) nicht auf einer gemeinsamen Rotationsasphäre oder Rotationssphäre liegen.
Abbildungsoptik (80) nach einem der Ansprüche 10–12, wobei die erste Freiformfläche (82) durch ein erstes Polynom in Abhängigkeit von einer ersten Raumrichtung und einer zweiten Raumrichtung beschreibbar ist, wobei die zweite Freiformfläche (83) durch ein zweites Polynom in Abhängigkeit von der ersten Raumrichtung und der zweiten Raumrichtung beschreibbar ist, und wobei nur diejenigen Koeffizienten des ersten Polynoms und des zweiten Polynoms nominell betragsmäßig gleich sind, wobei Koeffizienten, welche ungeraden Potenzen der zweiten Raumrichtung zugeordnet sind, sich zwischen dem ersten Polynom und dem zweiten Polynom im Vorzeichen unterscheiden, und wobei Koeffizienten, welche geraden Potenzen der zweiten Raumrichtung zugeordnet sind, im ersten Polynom und im zweiten Polynom das gleiche Vorzeichen aufweisen.
Abbildungsoptik (80) nach einem der Ansprüche 10–13, wobei ein zweiter Kompaktheitsindex K2 kleiner 3 ist, wobei K2 als K2: = S/D definiert ist, wobei D ein Durchmesser eines minimalen Bündelquerschnitts, den ein von einem Punkt der Objektebene ausgehendes Strahlbündel an einer optischen Wirkfläche der Abbildungsoptik (10) bildet, ist, und S der Abstand der beiden senkrecht zu einer optischen Systemachse stehenden Flächen eines minimalen Quaders, der den ersten Konkavspiegel (82), den Konvexspiegel (84), den zweiten Konkavspiegel (83) und den ersten und zweiten Planspiegel (81, 85) umschließt und welcher zwei senkrecht zu einer optischen Systemachse stehende Flächen aufweist, ist.
Vorrichtung zur Werkstückbearbeitung, umfassend: eine Abbildungsoptik (10, 80) nach einem der Ansprüche 1–14, und eine Laseranordnung (16) mit einer Vielzahl von in einer Zeile angeordneten Laserlichtquellen, wobei die Abbildungsoptik (10, 80) angeordnet ist, Laserlicht von den Laserlichtquellen auf ein Werkstück (17) abzubilden.
Verfahren zur Herstellung einer Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 1–9, umfassend: Herstellen des ersten Konkavspiegels (11) und des zweiten Konkavspiegels (15) aus einer gemeinsamen rotationsasphärischen Grundform, und/oder Herstellen des ersten Konvexspiegels (12) und des zweiten Konvexspiegels (14) aus einer gemeinsamen rotationsasphärischen Grundform.