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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialbearbeitung mit Laserstrahlen, insbesondere auf Strahlführungseinheiten für das Laserbohren und -schneiden und auf Materialbearbeitungsvorrichtungen mit derartigen Strahlführungseinheiten.
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Die Verwendung von Laserstrahlen zum Bohren, insbesondere zum Trepanieren und Wendelbohren, ist überall dort von Bedeutung, wo sehr präzise Bohrungen ab einem Durchmesser von wenigen Mikrometern bis in den Millimeterbereich hochproduktiv, kostengünstig und reproduzierbar gefertigt werden sollen. Bedeutend ist sie weiterhin für das Schneiden von dünnen Blechen und Substraten. Ein überragender Vorteil ist die Möglichkeit, Bohrungen und Schnitte mit sich weitendem Querschnitt zu fertigen. Der Hauptanwendungsbereich liegt im Bohren und Schneiden von verschiedenen Substratmaterialien und Blechen bis etwa 1 mm Dicke. Die Wandungssteilheit der Bohrungen und Schnitte kann dabei definiert eingestellt werden. Typisch werden Schnitte mit senkrechten Kanten und senkrechte oder sich weitende Bohrungen gefordert, wie sie z. B. in der Uhrenindustrie oder für Einspritz- und Spinndüsen angewendet werden.
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Für die Mikrobearbeitung mit Laserstrahlen ist eine Reihe von Strahlführungswerkzeugen bekannt, die zur Herstellung der beschriebenen Strukturen verwendet werden. Es handelt sich dabei entweder um
- • Systeme von refraktiven optischen Elementen wie Linsen, Keilen und Prismen, die motorisch in Rotation versetzt und vorher oder während der Rotation gegeneinander und zur Rotationsachse verkippt werden; oder um
- • Scannersysteme, die optische Spiegel motorisch verkippen und so den erforderlichen Strahlversatz und die gewünschte Schrägstellung des Laserstrahls ermöglichen; oder um
- • Spiegelsysteme, die motorisch in Rotation versetzt und vorher oder während der Rotation gegeneinander verdreht oder verkippt werden.
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Allen betrachteten System gemein ist, dass der Laserstrahl bezüglich seiner Achse versetzt und verkippt wird. Auf das Werkstück bezogen ergibt sich ein zur Werkstückoberfläche verkippter Strahl, der sich entlang des gewünschten Bohrungsdurchmessers oder der gewünschten Schnittbreite auf einer Kreisbahn dreht, wobei die Drehung eine tatsächliche Rotation des Strahlprofils oder eine Kreisschiebung sein kann. Die größte Verbreitung haben derzeit Scannersysteme.
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Ein Vorteil rotierender Systeme gegenüber Scannersystemen ist, dass sie einmal in Schwung gebracht werden müssen und dann abgesehen von lagerungsbedingten Verlusten keine weitere Energiezufuhr erforderlich ist. Dadurch werden Anregungen aufgrund dynamischer Kräfte und Antriebsverluste minimal. Ein Nachteil ist, dass für die Verstellung der rotierenden optischen Elemente rotierende Mechanismen und/oder Antriebe erforderlich sind, die konstruktiv recht aufwendig sein können.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 049 460 A1 ist beispielsweise ein um die optische Achse rotierendes Strahlführungssystem mit einer planparallelen optischen Platte und einer optischen Keilplatte bekannt. Die planparallele Platte kann gegen die optische Achse verkippt werden und so den Strahlversatz beeinflussen. Die Keilplatte besteht aus zwei gegeneinander tangential zu einer sphärischen Fläche schwenkbaren Komponenten, mit deren Hilfe der Austrittswinkel des Strahls unabhängig von seinem Versatz gesteuert werden kann.
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Bei herkömmlichen rotierenden Strahlführungssystemen bereiten jedoch bei hohen Drehzahlen die auftretenden Fliehkräfte und unausgeglichene Masseverteilungen Schwierigkeiten. Problematisch ist dabei insbesondere die mechanische Ausgestaltung der für die Einstellung der Stahlparameter erforderlichen Verkippung des Planglases und der Schwenkung der Keilplattenkomponenten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine rotierende Strahlführungseinheit zu schaffen, bei der Strahlversatz und -neigung in einfacher Weise einstellbar sind. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Materialbearbeitungsvorrichtung mit einer rotierenden Strahlführungseinheit zu schaffen.
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Dies wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 16 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, für den Strahlversatz eine planparallele Platte vorzusehen, die um eine Achse drehbar ist, die sowohl mit der optischen Achse als auch mit der Normale der Planflächen einen spitzen Winkel bildet. Durch eine Drehung der planparallelen Platte um die gekippte Achse kann so der Neigungswinkel der Planflächen zur optischen Achse variiert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Strahlneigung zudem durch ein Risley-Prisma eingestellt, bei dem zwei Keilprismen um die optische Achse gegeneinander verdrehbar gelagert sind. Auf diese Weise können sowohl der Strahlversatz als auch die Strahlneigung ausschließlich durch Drehbewegungen eingestellt werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine optische Strahlführungseinheit zur Verfügung gestellt, die um eine optische Achse rotierend antreibbar ist. Die Strahlführungseinheit umfasst eine planparallele optische Platte mit einer Oberflächennormale, deren Neigung zur optischen Achse einstellbar ist, und eine verstellbare optische Keilplatte. Die Strahlführungseinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele Platte in der Strahlführungseinheit um eine Drehachse drehbar gelagert ist, die gegenüber der optischen Achse und gegenüber der Oberflächennormale einen spitzen Winkel einschließt, so dass die Neigung der planparallele Platte zur optischen Achse durch eine Drehung der planparallelen Platte um die Drehachse einstellbar ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Materialbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks durch Laserstrahlen zur Verfügung gestellt. Die Materialbearbeitungsvorrichtung umfasst eine Strahlführungseinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und einen Antrieb, der dazu eingerichtet ist, die Strahlführungseinheit um ihre optische Achse rotierend anzutreiben.
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Vorteilhafterweise ist der spitze Winkel, den die Drehachse gegenüber der optischen Achse einschließt, gleich dem spitzen Winkel, den die Drehachse gegenüber der Oberflächennormale einschließt. Auf diese Weise gibt es genau eine Drehstellung der planparallelen Platte, bei der die Oberflächennormale genau parallel ist zur optischen Achse. In dieser Stellung wird der Laserstrahl durch die planparallele Platte nicht versetzt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die verstellbare optische Keilplatte ein Risley-Prisma. Bei Verwendung eines Risley-Prismas kann auch die Neigung des Ausgangsstrahls durch reine Drehbewegungen um die optische Achse, d. h. um die Hauptrotationsachse der Strahlführungseinheit eingestellt werden.
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Vorzugsweise umfasst die Strahlführungseinheit auch eine Fokussierungseinheit, die dazu eingerichtet ist, einen durch die Strahlführungseinheit geführten Laserstrahl auf eine Werkstückoberfläche zu fokussieren. Die Fokussierungseinheit befindet sich vorzugsweise in Strahlrichtung vor der planparallelen Platte und der verstellbaren Keilplatte, kann aber auch an jeder anderen geeigneten Stelle im Strahlengang angeordnet werden. Die Fokussierungseinheit kann mit der Strahlführungseinheit mit rotiert werden oder stationär sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Strahlführungseinheit einen ersten Antrieb, der dazu eingerichtet ist, die planparallele Platte um die Drehachse zu verstellen. Die Strahlführungseinheit kann auch zumindest einen zweiten Antrieb umfassen, der dazu eingerichtet ist, die verstellbare optische Keilplatte zu verstellen. Die erste und/oder zweite Antriebseinheit kann über eine Steuereinheit angesteuert werden, um die Strahlparameter auf vorbestimmte Werte zu regeln. Die erste und/oder die zweite Antriebseinheit können aber auch eine manuelle Einstellung der Strahlparameter ermöglichen.
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Die verstellbare optische Keilplatte kann zumindest ein Prisma umfassen, das in der Strahlführungseinheit um die optische Achse drehbar gelagert ist. Dieses Prisma kann insbesondere durch den zweiten Antrieb verstellt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erste und/oder der zweite Antrieb ringförmig um die optische Achse angeordnet, wodurch sich eine besonders gleichförmige Masseverteilung ergibt, die auch bei hohen Drehzahlen für einen gleichmäßigen Rundlauf der Strahlführungseinheit sorgt. Der erste und/oder der zweite Antrieb können als Elektromotor, insbesondere als DC-Motor, oder als Ultraschallmotor ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind der erste und/oder der zweite Antrieb in die Strahlführungseinheit integriert und zusammen mit dieser um die optische Achse rotierend antreibbar.
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Vorzugsweise enthält der erste und/oder der zweite Antrieb ein Rückkopplungssystem, das eine aktuelle Stellung der planparallelen Platte und/oder der verstellbaren optischen Keilplatte anzeigt. Die Signale des Rückkopplungssystems können berührungslos, vorzugsweise mittels induktiver Kopplung oder mittels Funksignalen, über eine berührungslose Signalübertragungseinrichtung an eine Auswerteeinheit übertragen werden. Vorteilhafterweise kann auch die Antriebsenergie berührungslos, vorzugsweise mittels induktiver Kopplung, durch eine berührungslose Energieübertragungseinrichtung an den ersten und/oder den zweiten Antrieb übertragen werden.
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Vorteilhafterweise umfasst die Strahlführungseinheit des Weiteren eine erste Verzögerungsplatte, die dazu eingerichtet ist, einen linear polarisierten Eingangsstrahl in einen zirkular polarisierten Strahl zu verwandeln, und eine zweite Verzögerungsplatte, die dazu eingerichtet ist, den zirkular polarisierten Strahl in einen linear polarisierten Ausgangsstrahl zu verwandeln, wobei die zweite Verzögerungsplatte in die Strahlführungseinheit integriert ist und mit dieser um die optische Achse (2) rotierend antreibbar ist. Auf diese Weise wird einerseits sichergestellt, dass Reflexionsverluste in der Strahlführungseinheit nicht von ihrem Rotationswinkel abhängen, und andererseits, dass die Polarisationsrichtung des Ausgangsstrahls mit rotiert und so eine gleichförmige Materialbearbeitung gewährleist wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Materialbearbeitungsvorrichtung zudem eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Versatz und einen Neigungswinkel eines Laserstrahls, der durch die Strahlführungseinheit geführt wird, durch Ansteuerung des ersten Antriebs und des zweiten Antriebs zu steuern.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen beschrieben, in denen ähnliche Elemente durch ähnliche Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Im Einzelnen zeigt
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1 eine optische Strahlführungseinheit in ihrer Grundstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 die optische Strahlführungseinheit aus 1 in ausgelenkter Stellung mit versetztem und gekipptem Strahl,
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3 eine optische Strahlführungseinheit mit DC-Motoren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
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4 eine optische Strahlführungseinheit mit Ultraschallmotoren gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine optische Strahlführungseinheit, die auch als Drehkeil-Trepanieroptik bezeichnet werden kann, in ihrer Grundstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Strahlführungseinheit beinhaltet optische und mechanische Elemente.
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Die optischen Elemente umfassen eine Fokussieroptik 7, mit deren Hilfe ein kollimierter Laserstrahl 1 auf einen hinter der Strahlführungseinheit liegenden Punkt 6 fokussiert werden kann, eine gegenüber der optischen Achse 2 neigbare planparallele Platte 5.1 und eine verstellbare optische Keilplatte, die aus zwei gegeneinander verdrehbaren Keilprismen 5.2 und 5.3 gebildet wird. Mit Hilfe der neigbaren planparallelen Platte 5.1 kann der Laserstrahl 1 um einen definierten Betrag gegenüber der optischen Achse 2 versetzt werden. Zugleich kann der Laserstrahl 1 mittels der verstellbaren optischen Keilplatte um einen definierten Winkel gegen die optische Achse verkippt werden.
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Die mechanischen Elemente umfassen ein Gehäuse 3 und Drehlager 4.1–3 für die planparallele Platte 5.1 und die Keilprismen 5.2 und 5.3. Die Drehlager für die Keilprismen 5.2 und 5.3 sind vorzugsweise koaxial zur optischen Achse 2, so dass die Drehachse der Keilprismen mit der optischen Achse zusammenfällt. Das Drehlager 4.1 für die planparallele Platte 5.1 ist jedoch gegenüber der optischen Achse verkippt, so dass die Drehachse 8 der planparallele Platte 5.1 einen spitzen Winkel zur optischen Achse 2 einnimmt. Zugleich ist die planparallele Platte in ihrem Drehlager ebenfalls verkippt, so dass durch Drehung der planparallelen Platte in ihrem Drehlager der Winkel zwischen der Oberflächennormale der planparallelen Platte und der optischen Achse variiert werden kann. Die Drehbewegung der planparallelen Platte in ihrem Drehlager wird vorzugsweise durch einen geeigneten Drehaktor erreicht (nicht dargestellt).
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Wenn der Winkel zwischen Drehachse 8 und optischen Achse 2 gleich ist dem Winkel zwischen Drehachse 8 und der Oberflächennormale, dann gibt es genau eine Stellung, bei der die Oberflächennormale parallel ist zur optischen Achse. Diese sog. Grundstellung ist in 1 dargestellt. Wird die planparallele Platte aus der Grundstellung heraus in ihrem Drehlager verdreht, so nimmt der Winkel zwischen der Oberflächennormale und der optischen Achse kontinuierlich zu. Bei einer Verdrehung von 180° ist der maximale Neigungswinkel erreicht, der dem Doppelten des Winkels zwischen der optischen Achse 2 und der Drehachse 8 entspricht. Durch das Verdrehen der planparallelen Platte 5.1 in der Lagerebene 4.1 erfolgt ein Schrägstellen der Planflächen zur Strahlachse und damit eine paralleler Strahlversatz. Die planparallele Platte 5.1 besteht vorzugsweise aus hoch brechendem Material, um einen hinreichenden Strahlversatz bei praktikabler Dicke der Platte zu ermöglichen.
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Der Winkel, mit dem das Drehlager gegen die optische Achse verkippt ist, kann je nach Ausführungsform ca. 5° bis 15° betragen, beispielsweise 10°. Andere Werte sind abhängig von den Abmessungen der planparallelen Platte und den geforderten Werten für den Strahlversatz ebenfalls möglich. Der Neigungswinkel der planparallelen Platte kann dann zwischen 0° (Oberflächennormale parallel zur optischen Achse) und dem Doppelten des Kippwinkels, mit dem das Drehlager gegen die optische Achse verkippt ist, eingestellt werden. Bei einem Kippwinkel von 10° lässt sich der Neigungswinkel der planparallelen Platte demnach zwischen 0° und 20° einstellen.
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Die verstellbare optische Keilplatte wird aus zwei Keilprismen 5.2 und 5.3 gebildet, die gegeneinander um die optische Achse verdrehbar sind. Die Drehbewegung der Keilprismen in ihren jeweiligen Drehlagern erfolgt vorzugsweise durch geeignete Aktoren (nicht dargestellt). Die Achsen der beiden Lager 4.2 und 4.3 fallen mit der optischen Achse 2 zusammen. Je nach Stellung der beiden Keilprismen zueinander kann der Laserstrahl 1 um einen definierten Winkel von der optischen Achse abgelenkt werden. Eine derartige Konfiguration ist im Stand der Technik als Risley-Prisma bekannt.
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Als weitere optische Elemente dienen λ/n-Plättchen, die rotierend oder stehend in verschiedenen Positionen des Strahlengangs angeordnet werden können, um die Strahlqualität und Polarisation im Fokus zu beeinflussen bzw. auf die Bearbeitungsaufgabe anzupassen. Vorteilhafterweise ist z. B. im Eingangsstrahl eine stehende λ/4-Platte angeordnet, die einen linear polarisierten Eingangsstrahl zirkular polarisiert, und in der drehenden Einheit eine weitere λ/4-Platte, die den zirkular polarisierten Strahl wiederum linear polarisiert, wobei die Polarisationsrichtung mit rotiert und deshalb immer eine konstante Orientierung zur Bohrungswand aufweist.
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2 zeigt die optische Strahlführungseinheit aus 1 in ausgelenkter Stellung mit versetztem und gekipptem Strahl. Die planparallele Platte ist gegenüber der in 1 gezeigten Stellung in ihrer Lagerfläche verdreht, wodurch sich eine Schrägstellung ihre Planflächen zur Strahlachse und ein paralleler Strahlversatz ergeben. Zugleich sind die beiden Keilprismen gegeneinander so verdreht, dass zwei nicht-parallele Grenzflächen entstehen und der Strahl entsprechend abgelenkt wird.
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Die gesamte Strahlführungseinheit ist um ihre optische Achse herum drehbar gelagert und motorisch antreibbar (in den Figuren durch Pfeile angedeutet). Die optische Achse ist dabei zugleich die Hauptrotationsachse der Strahlführungseinheit. Bei Rotation der Strahlführungseinheit führt der Fokussierungspunkt 6 des Laserstrahls eine Kreisbahn mit definiertem Radius und definiertem Einfallwinkel auf der Werkstückoberfläche aus. Durch ein geeignetes Positionierungssystem (nicht gezeigt) können die rotierende Strahlführungseinheit und/oder das Werkstück relativ zueinander positioniert oder bewegt werden, um Bohrungen mit definiertem Radius und Öffnungswinkel bzw. Schnitte mit definierter Breite und definiertem Schnittwinkel vorzunehmen.
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Die Einstellung der Bohrungs-/Schnittparameter geschieht durch eine übergeordnete Steuerung und/oder Regelungseinrichtung. Als Stellgrößen dienen vorwiegend die aktorisch einstellbaren Orientierungen der optischen Elemente sowie die Drehzahl der Strahlführungseinheit. Es ist zudem denkbar, auch die λ/4-Platten motorisch zu orientieren.
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Zur Überwachung der Strahljustage und für eine Prozessregelung können optional Photodioden/-arrays und/oder Kameras in die Strahlformungseinheit integriert sein. Beobachtet werden können damit der Prozess oder verschiedene Strahlebenen, die über Strahlteiler und halbdurchlässige Fenster ausgekoppelt und auf die Detektoren projiziert werden.
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Die Justage des Eingangsstrahls zur Optik kann durch externe, motorisch oder manuell betriebene Zusatzachsen erfolgen. Insbesondere die Fokussierung kann motorisch erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Lagerung der Einheit aerostatisch, z. B. durch Sinterluftlager, oder aerodynamisch, z. B. als Spiralrillenluftlager ausgestaltet sein (nicht dargestellt).
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Die Stellbewegungen für die optischen Elemente können über entsprechende Mechanismen vom stehenden auf das rotierende System übertragen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die optischen Elemente durch mitdrehende Aktoren angetrieben.
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3 zeigt eine optische Strahlführungseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der DC-Motoren als Aktoren für die optischen Elemente zum Einsatz kommen. Der DC-Motoren 9.1 für die planparallele Platte und die Motoren 9.2 und 9.3 für die Keilprismen sind in die Strahlführungseinheit integriert und werden mit dieser mit rotiert.
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4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Ultraschallmotoren 10.1–3 als Aktoren für die optischen Elemente zum Einsatz kommen. Die Ultraschallmotoren sind ringförmig um die entsprechenden Elemente angeordnet, wodurch sich eine besonders gleichförmige Masseverteilung ergibt. Die Ultraschallmotoren sind ebenfalls in die Strahlführungseinheit integriert und werden mit dieser rotiert.
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Neben den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen können auch andere Aktoren für die optischen Elemente oder Kombinationen aus verschiedenen Aktoren verwendet werden. Besonders vorteilhaft sind dabei ringförmig um die jeweiligen Elemente bzw. die Hauptrotationsachse herum angeordnete Aktoren, da sich diese leicht in die Strahlführungseinheit integrieren lassen und eine gleichförmige Masseverteilung ermöglichen. Neben den oben genannten Ultraschallmotoren sind dabei auch Elektromotoren mit geeignet geformten Rotoren, insbesondere Schrittmotoren oder Synchronmotoren denkbar.
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Die Signal- und Energieübertragung an die mit rotierenden Aktoren kann in jeder geeigneten Weise erfolgen, beispielsweise mit Hilfe von Schleifkontakten, drahtlos per Induktion, über eine kapazitive Kopplung oder per Funk. In gleicher Weise kann umgekehrt auch eine Signalübertragung an das stehende System erfolgen, um z. B. Rückkopplungssignale bzgl. der Stellung der Aktoren oder der beweglichen Elemente oder Informationen über den Strahl zu übermitteln.
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Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Strahlführungseinheit zur Verfügung, die um eine optische Achse rotierend antreibbar ist und bei der sowohl der Strahlversatz als auch die Strahlneigung ausschließlich durch Drehbewegungen eingestellt werden kann. In der Strahlführungseinheit ist zur Einstellung des Strahlversatzes eine planparallele Platte vorgesehen, die um eine Achse drehbar ist, die sowohl mit der optischen Achse als auch mit den Normalen der Planflächen einen spitzen Winkel bildet. Durch eine Drehung der planparallelen Platte um die gekippte Achse kann der Neigungswinkel der Planflächen zur optischen Achse variiert werden. Zur Einstellung der Strahlneigung sind zwei Keilprismen vorgesehen, die um die optische Achse gegeneinander verdrehbar gelagert sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010049460 A1 [0006]
