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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion der Fokuslage auf einem Objekt, umfassend eine Fokussierungsoptik zur Fokussierung des Lichts einer Lichtquelle auf das Objekt. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Detektion einer Fokuslage auf einem Objekt, wobei mittels einer Fokussierungsoptik Licht einer Lichtquelle auf das Objekt abgebildet wird. Die Erfindung bezieht sich insbesondere darauf, bei der Bearbeitung eines Objekts oder Werkstücks oder bei der Markierung eines Objekts oder Werkstücks mittels Lasertechnologie den Fokus des Licht- oder Laserstrahls bezüglich des Objekts oder Werkstücks so zu positionieren, dass die vorgesehene Bearbeitung oder Markierung mit der gewünschten Qualität erreicht wird. Die Erfindung kann auch bei medizinischen Anwendungen eingesetzt werden, wo beispielsweise ein Laserstrahl als Skalpell oder zum Veröden von Gewebe eingesetzt wird und hierzu eine Justierung der Fokuslage vorgenommen werden muss.
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In der
DE 103 29 744 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion der Fokuslage eines Laserstrahls auf einem Objekt vorgeschlagen, wobei die durch den Laserstrahl auf dem Objekt erzeugte Leuchtscheibe mittels einer Kamera aufgenommen wird. Durch den Vergleich eines Merkmals der Leuchtscheibe mit gespeicherten Referenzwerten wird auf die Fokuslage geschlossen. Bei einer Abweichung wird die Fokuslage korrigiert. Zur Beobachtung der Leuchtscheibe wird vom Objekt ausgehendes Licht zwischen der Laserquelle und einer Fokussierungsoptik ausgekoppelt und auf eine Kamera abgebildet.
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In der
DE 198 52 302 A1 wird zum Bearbeiten eines Objekts mittels Laserstrahlung vorgeschlagen, vom Objekt ausgehende Lichtstrahlung unter Nutzung einer Bearbeitungsoptik aufzunehmen und mit einem Detektor auszuwerten. Insbesondere wird hierbei vom Objekt in der Bearbeitungszone reflektiertes Licht ausgewertet.
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Die Beobachtung der Leuchtscheibe oder der Bearbeitungszone auf einem Objekt durch die vorhandene Fokussierungs- bzw. Bearbeitungsoptik ist vergleichsweise kostengünstig und einfach zu realisieren. Jedoch ist die Auswertung der Leuchtscheibe oder der Bearbeitungszone im Hinblick auf die gewünschte Fokuslage relativ aufwendig. Insbesondere wird eine gewisse Verarbeitungszeit benötigt, um durch einen Vergleich mit Referenzwerten auf die konkret vorliegende Situation schließen zu können.
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Aus
DE 40 25 577 A1 ist eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen des Abstands von einem Objekt bekannt, bei der ein Messstrahl über eine fokussierende Linse auf ein Objekt fokussiert wird. Im Strahlengang des Messstrahls und der fokussierenden Linse ist ein teiltransmittierender Spiegel zur Auskopplung eines vom Objekt ausgehenden Lichtstrahls entlang eines ersten Beobachtungspfades angeordnet. In diesem ersten Beobachtungspfad ist ein weiterer teiltransmittierender Spiegel zur Auskopplung eines Lichtstrahls entlang eines zweiten Beobachtungspfades angeordnet. In jedem der beiden Beobachtungspfade sind dabei jeweils eine Blende sowie ein Sensor angeordnet, wobei der von dem Objekt ausgehende Lichtstrahl über eine in dem ersten Beobachtungspfad angeordnete zweiten Linse teils auf die Blende des ersten Beobachtungspfades, und teils auf die Blende des zweiten Beobachtungspfades fokussiert wird. Die beiden Blenden sind dabei unterschiedlich bezüglich der Fokuslagen der von der zweiten Linse in dem ersten bzw. zweiten Beobachtungspfad erzeugten Teilstrahlen angeordnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu einer einfachen, kostengünstigen und möglichst raschen Detektion der Fokuslage auf einem Objekt anzugeben.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Detektion der Fokuslage auf einem Objekt mit einer Fokussierungsoptik zur Fokussierung des Lichts einer Lichtquelle auf das Objekt gelöst, wobei im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der Fokussierungsoptik mehrere Auskoppelelemente zur jeweiligen Auskopplung eines vom Objekt ausgehenden Lichtstrahls entlang eines jeweiligen Beobachtungspfades angeordnet sind, und wobei entlang jedes Beobachtungspfades ein Fokussierungselement, eine Blende und ein Detektorelement angeordnet sind, wobei sich die jeweiligen Fokuslagen der Fokussierungselemente bezogen auf die Blenden in den Beobachtungspfaden unterscheiden.
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In einer alternativen sich in der Topologie unterscheidenden Ausgestaltung wird die gestellte Aufgabe hinsichtlich einer Vorrichtung erfindungsgemäß auch durch eine Vorrichtung zur Detektion der Fokuslage auf einem Objekt mit einer Fokussierungsoptik zur Fokussierung des Lichts einer Lichtquelle auf das Objekt gelöst, wobei im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der Fokussierungsoptik ein Auskoppelelement zur Auskopplung eines vom Objekt ausgehenden Lichtstrahls entlang eines Beobachtungspfades angeordnet ist, wobei entlang des Beobachtungspfades wenigstens ein weiteres Auskoppelelement zur jeweiligen Auskopplung eines Lichtstrahls entlang eines jeweiligen weiteren Beobachtungspfades angeordnet ist, und wobei entlang jedes Beobachtungspfades jeweils ein Fokussierungselement, eine Blende und ein Detektorelement angeordnet sind, wobei sich die jeweiligen Fokuslagen der Fokussierungselemente bezogen auf die Blenden in den jeweiligen Beobachtungspfaden unterscheiden.
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Bezüglich des Verfahrens wird die eingangs gestellte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Detektion der Fokuslage auf einem Objekt, wobei mittels einer Fokussierungsoptik Licht einer Lichtquelle auf ein Objekt abgebildet wird. Dabei ist vorgesehen, aus dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der Fokussierungsoptik parallel mehrfach vom Objekt ausgehendes Licht auszukoppeln und jeweils mit einem Detektorelement mittels eines Fokussierungselements durch eine Blende zu beobachten. Es wird der Wert einer Messgröße ermittelt, wobei die Fokuslagen der jeweiligen Fokussierungselemente bzgl. der zugeordneten Blenden unterschiedlich eingestellt werden, und wobei durch einen Vergleich der in den Beobachtungspfaden jeweils ermittelten Werte der Messgröße auf die Fokuslage der Fokussierungsoptik bezogen auf das Objekt geschlossen wird.
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Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Überlegung aus, die Fokussierungsoptik zum Fokussieren des Lichtstrahls auf das Objekt auch zum Beobachten der Fokuslage heranzuziehen. In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass das vom bestrahlten Objekt ausgehende und die Fokussierungsoptik durcheilende Licht aus Symmetriegründen dann dieselbe Strahlgeometrie hinsichtlich seiner Divergenz bzw. Konvergenz oder Parallelität, also dieselben Fokussierungseigenschaften aufweist, wie der in die Fokussierungsoptik geführte Lichtstrahl der Lichtquelle, wenn der Fokus der Lichtquelle auf dem Objekt liegt. Wandert der Fokus der Lichtquelle in das Objekt hinein oder aus dem Objekt heraus, so sind die Strahlparameter des vom Objekt ausgehenden Lichts gegenüber dem einfallenden Licht verändert. Das bezogen auf das Objekt hinter der Fokussierungsoptik beobachtete Licht weicht in seiner Divergenz bzw. Konvergenz und somit in seinen Fokussierungseigenschaften vom einfallenden Licht ab.
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Die vorbeschriebene Überlegung führt schließlich in einem dritten Schritt zu der Erkenntnis, dass eine mehrfache getrennte Beobachtung des vom Objekt ausgehenden Lichts nach Durchlaufen der Fokussierungsoptik eine Aussage über die Fokuslage auf dem Objekt erlaubt, wenn die Beobachtung eine Unterscheidung der Strahlparameter bzw. der Fokussierungseigenschaften erlaubt. Dies gelingt dadurch, dass mehrere Auskoppelelemente zu einer jeweiligen Auskopplung des vom Objekt ausgehenden Lichtstrahls entlang eines jeweiligen Beobachtungspfades nach der Fokussierungsoptik vorgesehen sind. Entlang jedes Beobachtungspfades sind ein Fokussierungselement, eine Blende und ein Detektorelement angeordnet. Die jeweiligen Fokuslagen der Fokussierungselemente bezogen auf die Blenden sind in den Beobachtungspfaden unterschiedlich eingestellt.
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In einer ersten Variante sind die zur Auskopplung vorgesehenen Auskoppelelemente im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der Fokussierungsoptik angeordnet. Gemäß der zweiten Alternative ist wenigstens ein Auskoppelelement im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der Fokussierungsoptik angeordnet. Die weiteren Auskoppelelemente sind dann entlang des Beobachtungspfades des wenigstens einen ersten Auskoppelelements positioniert.
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Zur Einstellung der unterschiedlichen Fokuslagen in den Beobachtungspfaden sind die Fokussierungselemente bei gleicher Brennweite gegenüber den Blenden mit einem unterschiedlichen Abstand positioniert oder weisen bei gleichem Abstand zu den Blenden eine unterschiedliche Brechkraft auf. Selbstverständlich können auch unterschiedliche Brennweiten und unterschiedliche Abstände gewählt sein, um in den Beobachtungspfaden die unterschiedlichen Fokuslagen zu realisieren. Wenn das vom Objekt zurücklaufende Licht in einem Beobachtungspfad mittels des Fokussierungselements in die Blende fokussiert wird, also das Strahlenbündel in diesem Beobachtungspfad am Ort der Blende seine kleinste räumliche Ausdehnung hat, empfängt das entsprechende Detektorelement ein maximales Signal. Anderenfalls wird das Signal abgeschwächt, da ein Teil des Lichts durch die Blende abgeschattet ist. Da sich die Divergenz bzw. Konvergenz des vom Objekt zurücklaufenden Lichtstrahls abhängig von der Fokuslage am Objekt ändert, verändert sich bei fester Einstellung von Blende und Fokussierungselement in einem Beobachtungspfad auch das vom Detektorelement beobachtete Signal abhängig von der Fokuslage am Objekt.
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Wird das vom Objekt zurücklaufende Licht nach der Fokussierungsoptik insofern mit mehreren Detektorelementen beobachtet, wobei sich die Fokuslagen der jeweiligen Fokussierungselemente bezogen auf die Blenden in den jeweiligen Beobachtungspfaden unterscheiden, ergibt sich zwischen den einzelnen in den Beobachtungspfaden beobachteten Signalen ein charakteristisches Verhältnis. Aus diesem charakteristischen Verhältnis lässt sich auf die tatsächliche Fokuslage der Lichtquelle auf dem Objekt schließen. Entspricht die insofern festgestellte Fokuslage nicht der gewünschten Fokuslage, so werden die Parameter der Fokussierungsoptik und/oder der Abstand zwischen der Fokussierungsoptik und dem Objekt geändert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind wenigstens drei Auskoppelelemente mit einem jeweils zugeordneten Fokussierungselement, einer Blende und einem Detektorelement umfasst. Mit den hierdurch dreifach erfassten Werten der Messgröße kann besonders einfach auf die Fokuslage bezogen auf das Objekt geschlossen werden.
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Erfindungsgemäß liegt der Fokus des Fokussierungselements in einem ersten Beobachtungspfad dann in der zugeordneten Blende, wenn die Fokussierungsoptik die Lichtquelle auf das Objekt fokussiert. Damit wird in diesem Beobachtungspfad die beobachtete Messgröße ihren maximalen Wert erreichen, wenn der Fokus der Lichtquelle auf dem Objekt liegt.
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Sind weiter bevorzugt die Fokuslagen der Fokussierungselemente bezogen auf die Blenden eines zweiten und eines dritten Beobachtungspfads gegenüber der Fokuslage im ersten Beobachtungspfad entgegengesetzt verstellt, so kann aus einem Vergleich der in den einzelnen Beobachtungspfaden ermittelten Werte der Messgröße unmittelbar auf die Position des Fokus der Lichtquelle vor, auf oder hinter dem Objekt geschlossen werden. Bezogen auf den Wert der Messgröße im ersten Beobachtungspfad ist der Wert der Messgröße im zweiten Beobachtungspfad abhängig von der Fokuslage vor oder hinter dem Objekt größer bzw. kleiner. Umgekehrt verhält es sich bei entgegengesetzter Verstellung mit dem Wert der Messgröße im dritten Beobachtungspfad. Insofern kann aus einem Vergleich eindeutig auf eine Fokuslage vor oder auf eine Fokuslage hinter dem Objekt geschlossen werden. Liegt der Fokus der Lichtquelle auf dem Objekt, wird der Wert der Messgröße im ersten Beobachtungspfad größer sein als die jeweiligen Werte der Messgröße im zweiten und dritten Beobachtungspfad.
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Für die Erfindung können grundsätzlich beliebig ausgestaltete Fokussierungselemente eingesetzt werden. Bevorzugt sind aus Kostengründen als Fokussierungselemente Linsen eingesetzt. In einer zweckmäßigen und einfachen Variante sind als Blenden Lochblenden verwendet.
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Zum Erfassen des Wertes einer Messgröße für das vom Objekt ausgehende Licht können verschiedenste Detektorelemente verwendet werden. Beispielsweise können als Detektorelemente CCD- oder CMOS-Kamerasysteme eingesetzt werden. Es genügt jedoch für die Erfindung, Detektorelemente einzusetzen, die zur Erfassung einer Intensität ausgebildet sind, und insbesondere keine räumliche oder wellenlängenselektive Auflösung bieten. Dies können beispielsweise Photodioden oder Photomultiplier sein, die gegebenenfalls auf die Wellenlänge des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts adaptiert sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen hinsichtlich des Verfahrens finden sich in den auf das Verfahren rückbezogenen Unteransprüchen. Dabei können die für die Vorrichtung und deren bevorzugte Ausgestaltungen genannten Vorteile sinngemäß auf das Verfahren übertragen werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird aus der Änderung in den mehrfach beobachteten Intensitäten auf die Richtung des Fokusversatzes bezogen auf das Objekt geschlossen.
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Die beschriebene Erfindung bietet insbesondere den Vorteil einer In-Situ-Erfassung der Fokuslage. Durch einen Vergleich der in den verschiedenen Beobachtungspfaden ermittelten Werte der Messgröße des vom Objekt zurücklaufenden Lichts kann unmittelbar auf die relative Lage des Fokus der Lichtquelle gegenüber dem Objekt geschlossen werden. Der Fokus kann unmittelbar nachjustiert werden, bis die gewünschte Fokuslage am Objekt erzielt ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 schematisch ein Markierungssystem mit einer Vorrichtung zur Detektion der Fokuslage auf einem Objekt gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante und
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2 schematisch ein Markierungssystem mit einer Vorrichtung zur Detektion der Fokuslage auf einem Objekt gemäß einer zweiten Ausführungsvariante.
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In 1 ist schematisch ein Markierungssystem 1 mit einer als Laser ausgebildeten Lichtquelle 2 und mit einem Scanner 3 zu einer gesteuerten Ablenkung des von der Lichtquelle 2 ausgesandten Lichts 5 auf ein Objekt 4 dargestellt. Das Licht 5 der Lichtquelle 2 wird mittels eines Teleskops 7 aufgeweitet und über einen ansteuerbaren Umlenkspiegel 10 des Scanners 3 mittels einer Fokussierungsoptik 12 auf einen Markierungsbereich des Objekts 4 gerichtet. Durch eine entsprechende Ansteuerung des Umlenkspiegels 10 entsteht im Markierungsbereich des Objekts 4 beispielsweise durch eine dauerhafte Materialveränderung infolge des Energieeintrags durch das fokussierte Licht 5 eine vorgegebene Markierung, wie z. B. ein Schriftzug oder dergleichen.
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Um die geforderte Qualität der Markierung zu erreichen, wird es nötig, die Fokussierungsoptik 12 auf das Objekt 4 so auszurichten, dass das Licht 5 der Lichtquelle 2 auf die Oberfläche des Objekts 4 fokussiert ist. Zur Detektion der tatsächlichen Fokuslage auf dem Objekt 4 ist eine Vorrichtung 16 umfasst, die eine mehrfache Beobachtung des vom Objekt 4 ausgehenden Lichts nach Durchlaufen der Fokussierungsoptik 12 ermöglicht.
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Die Vorrichtung 16 zur Detektion der Fokuslage auf dem Objekt 4 umfasst drei Auskoppelelemente 20, 21, 22, die im Strahlengang des Markierungssystems 1 zwischen der Lichtquelle 2 und der Fokussierungsoptik 12 angeordnet sind. Jedes der Auskoppelelemente 20, 21, 22 koppelt einen Teil des vom Objekt 4 ausgehenden Lichts entlang eines jeweiligen Beobachtungspfades 24, 25, 26 aus. Über in den jeweiligen Beobachtungspfaden 24, 25, 26 angeordneten Fokussierungselementen 27, 28, 29 wird das vom Objekt 4 ausgehende Licht durch eine jeweilige Blende 30, 31, 32 fokussiert und auf ein jeweils zugeordnetes Detektorelement 34, 35, 36 gerichtet.
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In den Beobachtungspfaden 24, 25, 26 unterscheiden sich die Fokuslagen 40, 41, 42 der jeweiligen Fokussierungselemente 27, 28, 29 bezogen auf die entsprechenden Blenden 30, 31, 32. In einem ersten Beobachtungspfad 24 ist die Fokuslage des Fokussierungselements 27 bezogen auf die Blende 30 derart justiert, dass der Fokus 40 des vom Objekt 4 zurücklaufenden Lichts dann in die Blende 30 fällt, wenn das Licht 5 mittels der Fokussierungsoptik 12 auf die Oberfläche des Objekts 4 fokussiert ist. Demgegenüber sind die Fokuslagen 41, 42 der Fokussierungselemente 28 und 29 im dann zweiten bzw. dritten Beobachtungspfad 25 bzw. 26 bzgl. der zugeordneten Blenden 31, 32 entgegengesetzt verschoben. Dies ist vorliegend in den Beobachtungspfaden 24, 25, 26 durch einen unterschiedlichen räumlichen Versatz der Fokussierungselemente 27, 28, 29 gegenüber den Blenden 30, 31, 32 vorgenommen. Es sind identische Fokussierungselemente 27, 28, 29 eingesetzt. Alternativ können auch sich in ihren Brennweiten unterscheidende Fokussierungselemente 27, 28, 29 eingesetzt sein. Dann wird es nicht erforderlich, die Fokussierungselemente 27, 28, 29 in unterschiedlichen Abständen gegenüber den Blenden 30, 31, 32 zu positionieren.
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Ein Versatz der Fokuslage am Objekt 4 in das Objekt hinein oder aus dem Objekt 4 heraus führt aufgrund der sich ändernden Divergenz bzw. Konvergenz des zurücklaufenden Lichts zu einer Erhöhung bzw. Erniedrigung der Lichtausbeute am Detektor 34 im ersten Beobachtungspfad 24. Ein Teil des Lichts wird dann von der Blende 30 abgeschattet. Der Fokus 40 wandert aus der Blende 30 heraus. Zugleich wird der Fokus 41, 42 entweder im zweiten Beobachtungspfad 25 oder im dritten Beobachtungspfad 26 zunehmend in die jeweilige Blende 31 bzw. 32 wandern. Abhängig von dem Versatz der Fokuslage am Objekt 4 gegenüber der idealen Position nimmt insofern die beobachtete Lichtausbeute im zweiten Beobachtungspfad 25 oder im dritten Beobachtungspfad 26 zu. Unter Berücksichtigung des von den Auskoppelelementen 20, 21, 22 ausgekoppelten Lichtanteils kann insofern aus einem Vergleich der ermittelten Lichtausbeuten in den drei Beobachtungspfaden 24, 25, 26 eindeutig darauf geschlossen werden, ob der Fokus der Lichtquelle 2 vor, auf oder hinter der Oberfläche des Objekts 4 liegt.
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Das in 2 dargestellte alternative Lasermarkierungssystem 1' unterscheidet sich von dem Lasermarkierungssystem 1 gemäß 1 in der Topologie der Vorrichtung 16 zur Detektion der Fokuslage auf dem Objekt 4. Im ersten Beobachtungspfad 24 des Auskoppelelements 20 sind die weiteren Auskoppelelemente 21 und 22 angeordnet. Entsprechend ergeben sich ein erster Beobachtungspfad 24 und zwei hierzu senkrechte Beobachtungspfade 25, 26. Die Detektion der Fokuslage der Lichtquelle 2 auf dem Objekt 4 erfolgt identisch zu dem Lasermarkierungssystem 1 gemäß 1.
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Schematisch ist für den ersten Beobachtungspfad 24 dargestellt, dass der Fokus 40 des Fokussierungselements 27 hinter der Blende 30 positioniert ist. Ein Teil des Lichts wird von der Blende 30 abgeschattet und gelangt nicht in das entsprechende Detektorelement 34.
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In den Lasermarkierungssystemen 1, 1' gemäß den 1 bzw. 2 wird als Messgröße die Intensität des vom Objekt 4 zurücklaufenden Lichts erfasst. Als Detektorelemente 34, 35, 36 sind jeweils Photodioden eingesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Markierungssystem
- 2
- Lichtquelle (Laser)
- 3
- Scanner
- 4
- Objekt
- 5
- Laserlicht
- 7
- Teleskop
- 10
- Umlenkspiegel
- 12
- Fokussierungsoptik
- 16
- Einrichtung zur Fokusdetektion
- 20, 21, 22
- Auskoppelelement
- 24, 25, 26
- Beobachtungspfad
- 27, 28, 29
- Fokussierungselement
- 30, 31, 32
- Blende
- 34, 35, 36
- Detektorelement
- 40, 41, 42
- Fokuslage
