DE102014104476A1

DE102014104476A1 - Vorrichtung zur Führung eines von einem Sender ausgehenden elektromagnetischen Strahls entlang einer Linie und in Umkehrung des Strahlweges zur Führung von entlang einer Linie abgestrahlten Strahlen auf einen Empfänger

Info

Publication number: DE102014104476A1
Application number: DE102014104476.2A
Authority: DE
Inventors: Otto Hofmann
Original assignee: ERNST ABBE FACHHOCHSCHULE JENA; ERNST-ABBE-FACHHOCHSCHULE JENA
Current assignee: ERNST ABBE FACHHOCHSCHULE JENA; ERNST-ABBE-FACHHOCHSCHULE JENA
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Führung eines von einem Sender (1) ausgehenden gerichteten elektromagnetischen Strahls (1.1) entlang einer Linie (3) in einer Bestrahlungsebene (5) und in Umkehrung des Strahlweges zur Führung von Strahlen, die entlang einer Linie von einem Flächenstrahler abgestrahlt werden, auf einen Empfänger. Die Strahlführung erfolgt über einen drehbaren zweiten Umlenkspiegel (20), welcher durch einen rotationssymmetrischen Trägerkörper (22) gebildet ist, an dem eine diesen umwindende zweite Spiegelfläche (23) ausgebildet ist, die durch ein ganzzahliges Vielfaches von Windungen gebildet wird.

Description

Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Führung eines elektromagnetischen Strahls entlang einer Linie ist aus der DE 691 16 944 T2 bekannt. Sie kann zur scannenden Bestrahlung von Objekten, insbesondere von sich in einer bekannten Richtung bewegenden Objekten verwendet werden.
Eine Vorrichtung zur Führung von Strahlen, die entlang einer Linie abgestrahlt werden, kann zum zeilenweisen bzw. scannenden Erfassen einer von einem Objekt kommenden Strahlung verwendet werden, um sie auf einen Empfänger zu lenken.
In verschiedenen Anwendungsbereichen der Grundstoffindustrie (z. B. bei der Bearbeitung von Pappe, Papier, Flachglasscheiben, Glasstäben, Strängen oder Glasrohren) bestehen hohe Anforderungen an die Geschwindigkeit und Präzision der Strahlführung von Laserstrahlen zur Materialbearbeitung und von Licht- und Infrarotstrahlen (IR) für Messaufgaben wie Temperatur, Schichtdicke und optische Eigenschaften.
Dies resultiert insbesondere aus den hohen Objekt- und Bearbeitungsgeschwindigkeiten sowie den großen räumlichen Ausdehnungen der mit Laser zu bearbeitenden Objekte und der mit Licht und IR zu messenden Objekte.
In weiteren Anwendungsbereichen, wie z. B. der Drahtherstellung, Blechherstellung und Blechbearbeitung, der Herstellung metallischer, nichtmetallisch organischer und anorganischer Fasern, Stäbe, Platten und Rohre, besteht z. B. die Aufgabe, die von schnell bewegten Oberflächen senkrecht ausgehende Infrarotstrahlung zur Temperaturmessung zu erfassen und diese schnell bewegten Objekte mit Laser zu trennen, zu fügen oder zu veredeln.
In der Projektions- und Beleuchtungstechnik sowie z. B. in der Büro-, Nachrichten- und Übertragungstechnik kommt es darauf an, linienförmige oder flächige Gebiete auf einem Objekt verzerrungsfrei bzw. homogen zu bestrahlen oder umgekehrt verzerrungsfrei scannend abzutasten.
Hierbei ist es immer vorteilhaft, dieses Objekt senkrecht entlang einer Linie zu scannen oder zu bestrahlen und mit möglichst geringem technischen Aufwand und Platzaufwand eine möglichst lange Linie zu realisieren.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann grundsätzlich in allen diesen Anwendungsgebieten zur scannenden Führung bzw. zur scannenden Erfassung von elektromagnetischen Strahlen verwendet werden.
Zur Führung elektromagnetischer Strahlen, z. B. eines Lichtstrahls, eines Laserstrahls, eines Infrarotstrahls oder von Strahlen anderer Wellenlängen, sind Vorrichtungen und Verfahren mit grundsätzlich unterschiedlichen Mitteln zur Strahlumlenkung bekannt.
Typische Beispiele für hierfür geeignete Mittel sind Kippspiegel (Galvanometer), rotierende Polygonspiegel, aber auch Umlenkspiegel mit schraubenförmigen Spiegelflächen.
Umlenkspiegel mit schraubenförmigen Spiegelflächen werden im Stand der Technik gelegentlich auch als Helixspiegel bezeichnet. Eine Helix ist eine Kurve, die sich mit konstanter Steigung um eine Achse oder den Mantel eines Zylinders windet.
Wie die nachfolgende Beschreibung des Standes der Technik zeigt, ist der Grundkörper solcher bereits bekannten Umlenkspiegel immer ein Zylinder und hat die Spiegelfläche eine konstante Breite.
Die Patentanmeldung DE 41 333 05 A1 offenbart einen Umlenkspiegel (dort Vorrichtung zum Führen eines Laserstrahls), bestehend aus einem zylindrischen Grundkörper (dort Trägerwalze), auf dessen Mantelfläche schraubenförmig (dort spiralförmig genannt) eine Spiegelfläche (dort reflektierende Fläche) angebracht ist, die im Wesentlichen radial aus der Manteloberfläche der Trägerwalze herausragt.
Die reflektierende Fläche dient zur Ablenkung eines im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse (dort Längsachse) der Trägerwalze einfallenden und nahe an der Manteloberfläche verlaufenden Laserstrahls. Rotiert die Trägerwalze um ihre Längsachse, wandert der Ablenkpunkt entlang der reflektierenden Fläche in Richtung der Längsachse. Der im Ablenkpunkt abgelenkte Strahl verschiebt sich dabei stets parallel zur Rotationsachse.
Im Unterschied zu einem Umlenkmittel wie einem Polygonspiegel oder einem Kippspiegel, bei dem die Strahlführung durch eine Änderung der Winkellage des Strahls im Raum bewirkt wird, bleibt hier die Winkellage des Strahls im Raum erhalten, was den stets senkrechten Strahleinfall auf ein Objekt oder die scannende Erfassung der senkrecht von einem Objekt ausgehenden Strahlung ermöglicht.
Wie in der vorgenannten DE 41 333 05 A1 angegeben, kann somit ein auf eine zu bearbeitende, bewegte Papierbahn senkrecht einfallender Laserstrahl quer zur Bewegungsrichtung der Papierbahn geführt werden, ohne dass die senkrechte Ausrichtung des Laserstrahls zur Ebene der Papierbahn aufgegeben werden muss.
Es ist für den Fachmann ableitbar und auch aus den Zeichnungen zu erkennen, dass die tatsächlich reflektierende Fläche die Trägerwalze mit genau einer Windung umschließt bzw. maximal nur eine Windung reflektierend wirken kann. Weitere eventuell angrenzende Windungsstücke werden abgeschattet. In eine Ebene projiziert stellt die reflektierende Fläche folglich exakt einen Kreisring dar.
Da die tatsächlich reflektierende Fläche genau eine Windung darstellt, sind die Mindestlänge der Trägerwalze und die Länge der Linie, entlang der der Strahl geführt werden kann (nachfolgend Bestrahlungslänge), durch den Gangwinkel und den Durchmesser der spiegelnden Fläche auf der Trägerwalze bestimmt.
Das heißt, um die Bestrahlungslänge zu vergrößern, kann entweder der Gangwinkel verringert oder der Durchmesser der Trägerwalze vergrößert werden.
Bei einem Gangwinkel der reflektierenden Fläche (dort Winkel der reflektierenden Fläche mit einer Mantellinie) von bevorzugt 45° wird über die rotierende reflektierende Fläche ein zur Rotationsachse achsparallel auftreffender Strahl exakt in eine Richtung 90° senkrecht zur Längsachse umgelenkt und in Achsrichtung fortschreitend über die Mindestlänge des Umlenkspiegels geführt. Diese Mindestlänge entspricht der Ganghöhe einer Windung.
Aus vielen weiteren Schriften des Standes der Technik sind Vorrichtungen zur Strahlführung mit einem derartigen Umlenkspiegel bekannt, wobei grundsätzlich in allen Fällen der Umlenkspiegel einen zylindrischen Grundkörper und nur eine Windung aufweist. Bei einer Ausführung mit mehr als nur einer Windung würden diese sich bei den dort gegebenen Strahlführungen gegenseitig abschatten. Dadurch ergibt sich für viele technische Anwendungen bei gegebenem Durchmesser und gegebenem optimalen Gangwinkel von 45° eine unzureichend kurze Bestrahlungs- oder Abtastlänge in Achsrichtung.
Abweichend von diesem Grundsatz ist in der Patentschrift US 7284,865 B1 eine Vorrichtung mit einem derartigen Umlenkspiegel mit drei Windungen beschrieben. Die einzelnen Windungen sind allerdings unterschiedlich dichramatisch durchlässig bzw. reflektierend und erlauben, somit einen achsparallel auftreffenden Strahl in drei Teilstrahlen mit verschiedenen Spektralbereichen zu zerlegen. Entsprechend wird jeder der drei Teilstrahlen ebenfalls nur durch eine Windung umgelenkt.
In der vorgenannten DE 691 16 944 T2 ist eine weitere Vorrichtung in einer Ausführung, dargestellt in 6, offenbart, die von diesem Grundsatz abweicht. Sie weist zwei mit ihren Rotationsachsen zueinander parallel angeordnete derartige Umlenkspiegel auf. Ein zu den Rotationsachsen der beiden Umlenkspiegel parallel auf den ersten Umlenkspiegel gerichteter Strahl wird von diesem auf den synchron laufenden zweiten Umlenkspiegel umgelenkt. Der erste Umlenkspiegel weist eine Windung mit einer Steigung von 30° und der zweite Umlenkspiegel weist beispielhaft drei Windungen mit einer Steigung von 60° auf. Bei Beibehaltung einer Strahlumlenkung von 90° kann so die Bestrahlungslänge, vergleichsweise zur Verwendung nur eines derartigen Umlenkspiegels mit einer Steigung von 45° und gleichem Durchmesser, vergrößert werden. Diese Möglichkeit stellt für die aufgezeigte Vorrichtung einen positiven Nebeneffekt dar. Die Verwendung von zwei derartigen Umlenkspiegeln dient hier primär der Kompensation von Abbildungsfehlern, die naturgemäß bei der Verwendung nur eines derartigen Umlenkspiegels entstehen, da die Spiegelflächen nicht eben sind und somit den auftreffenden Strahlquerschnitt verzerren.
Gemäß der DE 25 19 283 A1 ist vorgesehen, parallel zur Drehachse eines derartigen Umlenkspiegels einen ortsfesten Spiegel anzubringen, der den an der schraubenförmigen Spiegelfläche reflektierten Strahl ein zweites Mal auf die Spiegelfläche lenkt. Erst danach wird der Strahl in eine Richtung senkrecht zur Rotationsachse reflektiert. Der Steigungswinkel der schraubenförmigen Spiegelfläche wird kleiner als 45° zur Spiegelachse gewählt. Durch diese beiden Merkmale wird das Verhältnis von Abtastlänge bzw. Belichtungslänge zu Spiegelradius vergrößert.
Nachteilig an den Lösungen der vorgenannten US 5 153 769 A und der vorgenannten DE 25 19 283 A1 sind die mangelhafte Qualität der Reflexion als Folge des flachen Reflexionswinkels von kleiner 45° sowie die weiterhin begrenzte Abtast- bzw. Belichtungslänge.
Die DE 39 39 577 A1 beschreibt Ausführungen von Umlenkspiegeln, bei denen mehrere schraubenförmige spiegelnde Flächen innerhalb einer Windung aneinander gereiht oder um die Rotationsachse herum angeordnet sind. Diese Ausführungen haben zum Ziel, ein hochfrequentes wiederholtes Ablenken eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, mit Hilfe eines Umlenkspiegels zu erzeugen, was nicht Gegenstand und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist.
Die DE 44 07 228 A1 weist auf die Möglichkeit hin, einen Umlenkspiegel durch mehrere hintereinander angeordnete zylindrische Trägerkörper mit stufenweise ansteigendem Durchmesser zu bilden. Auf den Trägerkörperstufen befindet sich jeweils eine Windung mit einer schraubenförmig spiegelnden Fläche. Wenn mit einem solchen Umlenkspiegel die Bestrahlungslänge vergrößert werden soll, müsste der radiale Versatz des auftreffenden Strahls innerhalb von Sekundenbruchteilen schnell und exakt synchronisiert erfolgen. Dies ist für die genannten technischen Anwendungsfälle wegen der Massenträgheit und den Aggregatabmessungen technisch sehr aufwändig, nicht genau genug und zu teuer. Eine Lösung mit hintereinander liegenden gestuften Trägerkörpern mit jeweils einer Windung eignet sich praktisch nur für die Reflexion mehrerer Strahlen, von denen jeweils einer über eine der Windungen reflektiert wird.
Zusammenfassend wird festgestellt, dass bei allen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, bei denen ein von einem Sender ausgehender, gerichteter Strahl parallel zur Rotationsachse eines derartigen Umlenkspiegels auf dessen Spiegelfläche entlang einer Linie gerichtet wird, die Bestrahlungslänge der Linie, welche gleich einer Scanlänge ist, durch die Ganghöhe einer Windung begrenzt ist.
Eine vergleichbare Vorrichtung, bei der in Umkehrung des Strahlweges mit einem derartigen Umlenkspiegel von einem Flächenstrahler ausgehende, selektierte Strahlen entlang einer Linie mit einer Abtastlänge, welche gleich einer Scanlänge ist, auf einen Empfänger gerichtet werden, konnte im Stand der Technik nicht ermittelt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung mit einem derartigen Umlenkspiegel, welcher eine sich um einen Trägerkörper windende Spiegelfläche aufweist, so zu verbessern, dass eine damit erreichbare Scanlänge, oder in Umkehrung des Strahlweges Bestrahlungslänge, nicht durch die Ganghöhe einer Windung begrenzt ist.
Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung zur Führung eines von einem Sender ausgehenden elektromagnetischen Strahls entlang einer Linie gemäß den Ansprüchen 1 oder 3 und für eine Vorrichtung zur Führung von Strahlen, die entlang einer Linie abgestrahlt werden, auf einen Empfänger gemäß den Ansprüchen 2 und 4 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Führung eines von einem Sender ausgehenden elektromagnetischen Strahls entlang einer Linie mit einem den Strahl parallel versetzenden ersten Umlenkspiegel,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Führung von Strahlen, die entlang einer Linie abgestrahlt werden, auf einen Empfänger,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Führung eines von einem Sender ausgehenden elektromagnetischen Strahls entlang einer Linie mit einem den Strahl winkelversetzenden ersten Umlenkspiegel,
4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Führung von Strahlen, die entlang einer Linie abgestrahlt werden, auf einen Empfänger,
5 eine Ausführung des zweiten Umlenkspiegels mit einem zylinderförmigen Trägerkörper und nach innen ausgearbeiteter Flanke mit zweiter Spiegelfläche,
6 eine Ausführung des zweiten Umlenkspiegels mit einem konusförmigen Trägerkörper und außenliegend angesetzter Flanke mit zweiter Spiegelfläche, bestehend aus einer Vielzahl von Teilflächen,
7 eine Ausführung des zweiten Umlenkspiegels mit einem konusförmigen Trägerkörper und nach innen ausgearbeiteter Flanke mit zweiter Spiegelfläche und
8a–8c verschiedene Ausführungen einer zweiten Spiegelfläche.
Grundsätzlich umfassen alle Ausführungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einen um eine Drehachse, nachfolgend zweite Drehachse 21, drehbaren Umlenkspiegel, nachfolgend zweiter Umlenkspiegel 20, welcher durch einen zur zweiten Drehachse 21 rotationssymmetrischen Trägerkörper 22 gebildet ist, an dem eine diesen mit einem Gangwinkel, nachfolgend zweiter Gangwinkel α₂, und einer Ganghöhe, nachfolgend zweite Ganghöhe h₂, umwindende Spiegelfläche, nachfolgend zweite Spiegelfläche 23, ausgebildet ist, die einen Innenradius r_i und einen Außenradius r_a aufweist. Die zweite Spiegelfläche 23 ist durch ein ganzzahliges Vielfaches von Windungen gebildet.
Der zweite Umlenkspiegel 20 ist zwischen einem einen elektromagnetischen Strahl, nachfolgend gerichteter Strahl 1.1, aussendenden Sender 1 bzw. einem einen selektierten Strahl 4.1 empfangenden Empfänger 6 und einer Bestrahlungsebene 5 bzw. einem Flächenstrahler 4 angeordnet.
Als gerichteter Strahl 1.1 soll ein kontinuierlicher oder ein zeitlich gesteuerter Strahl verstanden werden. Er kann eine oder auch mehrere Wellenlängen aufweisen. Als ein gerichteter Strahl 1.1 sollen auch mehrere unmittelbar nebeneinander in gleicher Richtung den Sender 1 verlassende Einzelstrahlen verstanden werden, die unmittelbar nebeneinander auf die Bestrahlungsebene 5 auftreffen.
Zwischen dem zweiten Umlenkspiegel 20 und dem Sender 1 bzw. dem Empfänger 6 ist ein um eine weitere Drehachse, nachfolgend erste Drehachse 11, drehbarer weiterer Umlenkspiegel, nachfolgend erster Umlenkspiegel 10, angeordnet, welcher den von dem Sender 1 ausgesendeten, aus einer Empfangsrichtung 1.1.1 kommenden gerichteten Strahl 1.1 auf den zweiten Umlenkspiegel 20 bzw. einen vom zweiten Umlenkspiegel 20 reflektierten selektierten Strahl 4.1 auf den Empfänger 6 umlenkt. Dabei ist die Empfangsrichtung 1.1.1 die Richtung, in welcher der Sender 1 den gerichteten Strahl 1.1 aussendet, sofern nicht zum Beispiel über eine Faser der gerichtete Strahl 1.1 zum ersten Umlenkspiegel 10 geleitet wird.
Der Strahlengang zwischen dem Sender 1 und der Bestrahlungsebene 5 entspricht dem umgekehrten Strahlengang zwischen dem Flächenstrahler 4 und dem Empfänger 6.
In der einen Richtung des Strahlenganges wird vom Sender 1 kommend der gerichtete Stahl 1.1 in die Bestrahlungsebene 5 geführt, dort eine Linie 3 beschreibend, während in der anderen Richtung ein selektierter Strahl 4.1 von einer entlang der Linie 3 ausgehenden Strahlung des Flächenstrahlers 4 auf den Empfänger 6 geleitet wird.
Der Strahlengang lässt sich im Wesentlichen anhand des gerichteten Strahls 1.1 wie folgt erläutern.
Der gerichtete Strahl 1.1 wird aus einer parallelen Richtung und einem sich zeitlich ändernden orthoganalen Abstand zur zweiten Drehachse 21 bzw. einer Richtung unter einem sich zeitlich ändernden spitzen Winkel γ(n₁) zur zweiten Drehachse 21 auf die zweite Spiegelfläche 23 gerichtet und trifft dort in einem Auftreffpunkt 2 auf. Die Abstandsänderung und die Winkeländerung erfolgt mit einer ersten Drehzahl n₁, synchronisiert zur zweiten Drehzahl n₂, mit welcher der zweite Umlenkspiegel 20 rotiert. Dabei wandert der Auftreffpunkt 2 wiederholt über das ganzzahlige Vielfache von Windungen der zweiten Spiegelfläche 23, was einer Länge gleich dem ganzzahligen Vielfachen der zweiten Ganghöhe h₂ entspricht, und der gerichtete Strahl 1.1 wird von dieser in die Bestrahlungsebene 5, die Linie 3 beschreibend, reflektiert. Die Linienlänge der Linie 3 entspricht im Wesentlichen dieser Länge, die gleich der Mindestlänge l des Trägerkörpers 22 entspricht.
Die Abstandsänderung und die Winkeländerung sind alternative Möglichkeiten, um ein gegenseitiges Abschatten der hintereinander liegenden Windungen zu vermeiden.
Der durch den Sender 1 ausgesendete gerichtete Strahl 1.1 ist weitestgehend kollimiert, sodass sich der Strahlquerschnitt des gerichteten Strahles 1.1 in seiner Ausdehnung über den Strahlengang quasi kaum verändert.
Der Strahlquerschnitt eines selektierten Strahls 4.1 wird spätestens durch den als Blende wirkenden Querschnitt der Empfangsfläche des Empfänger 6 begrenzt.
Da die Vorrichtung nicht einer optischen Abbildung dient sondern lediglich einer Strahlführung, ist die Bestrahlungsebene 5 keine in ihrer Position definierte Ebene. Die Bestrahlungsebene 5 muss lediglich so zum zweiten Umlenkspiegel 20 angeordnet sein, dass der am zweiten Umlenkspiegel 20 reflektierte gerichtete Strahl 1.1 auf dieser auftrifft.
Im umgekehrten Fall wird die Strahlung von einem Flächenstrahler 4 kommend, der in einer solchen Bestrahlungsebene 5 steht, die dann eine Abstrahlebene darstellt, auf den zweiten Umlenkspiegel 20 so auftreffen, dass ein Teil davon als selektierter Strahl 4.1 auf den Empfänger 6 gelangt.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit dem Sender 1, dem ersten Umlenkspiegel 10 und dem zweiten Umlenkspiegel 20 dargestellt. In der Bestrahlungsebene 5 ist ein Bestrahlungskörper angeordnet, auf dem die Linie 3 dargestellt ist. Die Linie 3 verläuft nicht parallel zu dem auf den Auftreffpunkt 2 auftreffenden gerichteten Strahl 1.1, sondern ist um einen Winkel hierzu geneigt, der durch die Mindestlänge l und eine erste Ganghöhe h₁ bestimmt ist. Entsprechend ist die Linienlänge der Linie 3 größer als die Mindestlänge l. Vorteilhaft kann diese Neigung der Linie 3 genutzt werden, wenn die Vorrichtung zur Bearbeitung eines bewegten Bestrahlungskörpers verwendet wird. Bei einer entsprechend zur Strahlführung synchronisierten Vorschubgeschwindigkeit des Bestrahlungskörpers kann der gerichtete Strahl 1.1 die Linie 3 orthogonal zur Vorschubrichtung auf dem Bestrahlungskörper beschreiben.
Der erste Umlenkspiegel 10 stellt einen aus dem Stand der Technik bekannten Helixspiegel dar. Er weist eine erste Spiegelfläche 13 auf, die sich schraubenförmig in Richtung der ersten Drehachse 11 entlang der Umfangsfläche eines zylinderförmigen Grundkörpers mit nur einer Windung windet und einen konstanten Außendurchmesser aufweist.
Die Verwendung des Begriffes Helixspiegel für einen derartigen Umlenkspiegel im Stand der Technik ist dadurch begründet, dass ein Gewinde, welches für eine Schaubenform bestimmend ist, eine technische Anwendung einer Helix ist. Grundlegende Kenngrößen von Gewinden sind die Kenngrößen Windung, Ganghöhe und Gangwinkel, die hier auch in dem Sinne, wie sie für Gewinde verwendet werden, zur Beschreibung des ersten Umlenkspiegels 10 dienen.
Diese Kenngrößen sollen an späterer Stelle auch zur Beschreibung des zweiten Umlenkspiegels 20 verwendet werden, obwohl dessen zweite Spiegelfläche 23 sich nicht in jedem Fall um einen zylinderförmigen Trägerkörper 22 windet und deshalb nicht in jedem Fall einem Helixspiegel, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, entspricht.
Der Sender 1 ist so zum ersten Umlenkspiegel 10 angeordnet, dass er den gerichteten Strahl 1.1 in Richtung der ersten Drehachse 11 aussendet.
Der Gangwinkel, nachfolgend erster Gangwinkel α₁, der schraubenförmigen ersten Spiegelfläche 13 des ersten Umlenkspiegels 10 ist gleich 45°, sodass der auf den ersten Umlenkspiegel 10 auftreffende gerichtete Strahl 1.1 um 90° umgelenkt wird und anschließend orthogonal zur ersten Drehachse 11 verläuft, wobei der Strahl 1.1 bei Rotation des ersten Umlenkspiegels 10 um die erste Drehachse 11 unverändert orthogonal zur ersten Drehachse 11 reflektiert wird und pro Umdrehung des ersten Umlenkspiegels 10 über eine Höhe gleich der ersten Ganghöhe h₁ der ersten Spiegelfläche 13 zu sich selbst parallel versetzt wird.
Auch bei einem anderen, von 45° abweichenden ersten Gangwinkel α₁ wird der gerichtete Strahl 1.1 unverändert in eine Richtung reflektiert und pro Umdrehung des ersten Umlenkspiegels 10 über eine Höhe gleich der ersten Ganghöhe h₁ der ersten Spiegelfläche 13 zu sich selbst parallel versetzt. Eine solche Ausführung stellt technisch eine schlechtere Ausführung dar, macht jedoch ebenfalls vom Erfindungsgedanken Gebrauch.
Der zweite Umlenkspiegel 20 ist so zum ersten Umlenkspiegel 10 angeordnet, dass die erste Drehachse 11 und die zweite Drehachse 21 in einer Ebene liegen und die zweite Drehachse 21 in Richtung des am ersten Umlenkspiegel 10 reflektierten gerichteten Strahls 1.1 angeordnet ist. Bei einem ersten Gangwinkel α₁ der ersten Spiegelfläche 13 von 45° steht die zweite Drehachse 21 folglich orthogonal auf der ersten Drehachse 11.
Wie bereits erläutert, wird der zweite Umlenkspiegel 20 durch den zur zweiten Drehachse 21 rotationssymmetrischen Trägerkörper 22 gebildet, an dessen Umfangsfläche schraubenförmig in Richtung der zweiten Drehachse 21 windend die zweite Spiegelfläche 23 ausgebildet ist. Sie ist durch den zweiten Gangwinkel α₂, die zweite Ganghöhe h₂, den Innenradius r_i, den Außenradius r_a und die Anzahl der Windungen gekennzeichnet.
Die zweite Spiegelfläche 23 wird grundsätzlich durch ein ganzzahliges Vielfaches von Windungen gebildet, kann jedoch praktisch aus mechanischen Stabilitätsgründen durch etwas mehr als ein ganzzahliges Vielfaches von Windungen gebildet werden. Es kommt jedoch von der zweiten Spiegelfläche 23 immer nur genau das ganzzahlige Vielfache von Windungen zur Wirkung, was an späterer Stelle erläutert wird.
Wie in 1 zu erkennen ist, ist die zweite Spiegelfläche 23 hier auf einer an den Trägerkörper 22 außenliegend angesetzten Flanke ausgebildet, die über zwei volle Windungen hinaus in den Trägerkörper 22 übergeht. Wenigstens über die vollen Windungen ist die Flanke verspiegelt und bildet so die zweite Spiegelfläche 23. Der Trägerkörper 22 ist zylinderförmig, sodass der Innenradius r_i entlang des gesamten Trägerkörpers 22 konstant ist. Der Außenradius r_a hingegen wächst über die volle Anzahl der Windungen, hier zwei, konstant um einen Betrag gleich der ersten Ganghöhe h₁ an, sodass ein auftreffender gerichteter Strahl 1.1 immer in einem Auftreffpunkt 2 mit einem konstanten orthogonalen Abstand zum Trägerkörper 22 auf der zweiten Spiegelfläche 23 auftrifft. Der zweite Gangwinkel α₂ ist ebenfalls 45°, sodass ein in Richtung der zweiten Drehachse 21 auftreffender gerichteter Strahl 1.1 orthogonal zur zweiten Drehachse 21 reflektiert wird.
Die erste Drehachse 11, verbunden mit einem ersten Antrieb 14, dreht sich mit der ersten Drehzahl n₁ und die zweite Drehachse 21, verbunden mit einem zweiten Antrieb 24, dreht sich mit der zweiten Drehzahl n₂. Die beiden Antriebe 14, 24 und damit die beiden Drehachsen 11, 21 sind zueinander synchron ansteuerbar. Sie werden mit einem Drehzahlverhältnis angesteuert, bestimmt durch das ganzzahlige Vielfache der Windungen der zweiten Spiegelfläche 23. Gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel ergibt sich n₁:n₂ = 1:2.
Es wurde hier die Zahl 2 als Beispiel für das ganzzahlige Vielfache der Windungen verwendet, um die Darstellung übersichtlich zu halten. Vorteilhaft sind höhere Anzahlen, um eine große Linienlänge der Linie 3 zu erreichen.
In 1 ist die Reflexion des gerichteten Strahles 1.1 zu drei verschiedenen Zeitpunkten bzw. Winkelpositionen des ersten Umlenkspiegels 10 während einer Umdrehung dargestellt. Die dargestellte Position des ersten Umlenkspiegels 10 ist hier willkürlich und die dargestellte Position des zweiten Umlenkspiegels 20 entspricht der tatsächlichen Position zu diesen Zeitpunkten.
Der Strahlverlauf des gerichteten Strahls 1.1 zu einem ersten Zeitpunkt ist nach der Reflexion am ersten Umlenkspiegel 10 als Volllinie gezeichnet und mit 1.1 bezeichnet. Er trifft auf die erste Spiegelfläche 13 am zum Sender 1 abgewandten Ende des ersten Umlenkspiegels 10 auf und wird deshalb in einem maximalen Abstand zur zweiten Drehachse 21 auf den zweiten Umlenkspiegel 20 reflektiert. Aufgrund dieses größten Abstandes trifft er zu diesem ersten Zeitpunkt auf den im Strahlengang stehenden, vom ersten Umlenkspiegel 10 entferntesten Bereich der zweiten Spiegelfläche 23 auf. Die im Strahlengang davor liegenden Bereiche, was hier aufgrund der Anzahl von zwei Windungen zwei Bereiche sind, wirken nicht abschattend.
Der Strahlenverläufe des gerichteten Strahls 1.1 zu einem zweiten bzw. dritten Zeitpunkt sind nach der Reflexion am ersten Umlenkspiegel 10 als Strichlinie gezeichnet und mit 1.1' bzw. 1.1'' bezeichnet. Sie treffen auf die erste Spiegelfläche 13 in der Mitte bzw. an dem dem Sender 1 zugewandten Ende des ersten Umlenkspiegels 10 auf und werden deshalb in einem mittleren bzw. minimalen Abstand zur zweiten Drehachse 21 auf den zweiten Umlenkspiegel 20 reflektiert, womit sie auf zum ersten Umlenkspiegel 10 naheliegendere Bereiche der zweiten Spiegelfläche 23 auftreffen.
Unmittelbar nach dem dritten Zeitpunkt wird der gerichtete Strahl 1.1 wieder entsprechend dem Strahlengang wie zum ersten Zeitpunkt geführt.
Der gerichtete Strahl 1.1 wird folglich mit einer Geschwindigkeit gleich der ersten Drehzahl n₁ des ersten Umlenkspiegels 10 in eine Richtung, die Linie 3 beschreibend, geführt und dann schlagartig zurückgesetzt. Um die Linie 3 zu verlängern, wird bei gleichbleibendem zweiten Gangwinkel α₂ und eventueller Vergrößerung der ersten Ganghöhe h₁ die Anzahl der Windungen der zweiten Spiegelfläche 23 erhöht, wobei die zweite Drehzahl n₂ entsprechend angepasst wird.
Durch die Synchronisation der beiden Drehzahlen n₁, n₂ ist sichergestellt, dass vorteilhaft die volle Anzahl, das heißt das ganzzahlige Vielfache der Windungen, optisch zur Wirkung kommt.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung dargestellt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zum ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle des Senders 1 der Empfänger 6 steht und in der Bestrahlungsebene 5, die hier als Abstrahlebene wirkt, ein Flächenstrahler 4 angeordnet ist. Wie dargestellt, werden Teile der vom Flächenstrahler 4 entlang der Linie 3 ausgesandten Strahlung zeitlich gesteuert, in Abhängigkeit von den Drehzahlen n₁, n₂, auf den Empfänger 6 gelenkt.
In 2 ist auch der Strahlengang von drei selektierten Strahlen 4.1, 4.1' und 4.1'', die zusammengeführt als selektierter Strahl 4.1 auf den Empfänger 6 auftreffen, dargestellt. Auch hier ist die dargestellte Position des ersten Umlenkspiegels 10 willkürlich und die dargestellte Position des zweiten Umlenkspiegels 20 entspricht der tatsächlichen Position zu diesen Zeitpunkten.
Das zeitlich gesteuerte Detektieren von selektierten Strahlen 4.1 kann auch als ein optisches Abtasten des Flächenstrahlers 4 entlang der Linie 3 verstanden werden. Wird der Flächenstrahler 4 in einer zur Linie 3 senkrechten Vorschubrichtung (die erwähnte geringfügige Winkellage der Linie 3 soll hier vernachlässigt werden) bewegt, wird der Flächenstrahler 4 flächig abgetastet. Über die Anzahl der Windungen des zweiten Umlenkspiegels 20 und seine Dimensionierung kann eine Linie 3 abgetastet werden, die in ihrer Linienlänge an die Gegebenheiten des Flächenstrahlers 4 angepasst wird. Sehr von Vorteil ist, dass jeweils Teile der Strahlung durch den Empfänger 6 als selektierte Strahlen 4.1 detektiert werden, die vom Flächenstrahler 4 in einer gleichen Richtung, vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche des Flächenstrahlers 4, abgestrahlt werden. Handelt es sich um IR-Strahlen die zur Temperaturmessung dienen, so wird damit der Einfluss störender seitlicher Reflexion unterbunden sowie der Einfluss der Schichtdicke der spektralen und der winkelabhängigen Emission des Flächenstrahlers 4 minimiert.
Handelt es sich um sichtbares Licht, z. B. zur Schichtdickenmessung entlang einer Linie, so wird mithilfe der in 1 dargestellten Vorrichtung ein gerichteter Strahl 1.1 in Richtung der Linie 3 gesendet und gleichzeitig mithilfe einer Vorrichtung gemäß 2 dieser gerichtete Strahl 1.1, z. B. nach einer Reflexion an der Oberseite und Unterseite einer Glasscheibe, auf dem gleichen, aber umgekehrten Strahlweg zu dem Empfänger 6 geführt. Hierbei ist es von Vorteil, wenn der auf die Linie 3 umgelenkte gerichtete Strahl 1.1 unter einem definierten Winkel nahe 90° oder senkrecht auftrifft, sodass der gerichtete Strahl 1.1 senkrecht oder unter einem definierten gleichbleibenden Winkel reflektiert wird und durch den Empfänger 6 als selektierter Strahl 4.1 detektiert wird.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung dargestellt. Dieses dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zum ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen in der Ausführung des ersten Umlenkspiegels 10.
Der erste Umlenkspiegel 10 ist hier durch einen Polygonspiegel mit einer Vielzahl von Spiegelelementen 12 gebildet und ist zu dem zweiten Umlenkspiegel 20 so angeordnet, dass die Drehachse des Polygonspiegels, welche die erste Drehachse 11 darstellt, senkrecht auf einer Ebene, nachfolgend x-y-Ebene, steht, die durch die Empfangsrichtung 1.1.1 und die zweite Drehachse 21 aufgespannt ist.
Der zweite Umlenkspiegel 20 ist abgesehen vom Außenradius r_a, der hier konstant ist, gleich einem solchen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt. Dass sich die in Richtung des Strahlenganges hintereinander liegenden Windungen nicht gegenseitig abschatten, wird hier dadurch erreicht, dass der gerichtete Strahl 1.1 vom ersten Umlenkspiegel 10 kommend unter einem mit der zweiten Drehachse 21 einschließenden spitzen Winkel jeweils in einem Auftreffpunkt 2 auf der zweiten Spiegelfläche 23 auftrifft, der bevorzugt nur so groß ist, dass keine Abschattung entsteht. In Abhängigkeit von der zweiten Ganghöhe h₂ und dem ganzzahligen Vielfachen von Windungen wird der Polygonspiegel mit seiner Vielzahl von Spiegelelementen 12 so dimensioniert und relativ zum zweiten Umlenkspiegel 20 angeordnet, dass bei einer ersten Drehzahl n₁ des ersten Umlenkspiegels 10 gleich eins durch die Vielzahl der Spiegelelemente 12 und einer zweiten Drehzahl n₂ des zweiten Umlenkspiegels 20 gleich dem ganzzahligen Vielfachen der Windungen der gerichtete Strahl 1.1 unter einem sich zeitlich ändernden Winkel γ(n₁) zur zweiten Drehachse 21 und in einem konstanten senkrechten Abstand b zur zweiten Drehachse 21 auf die zweite Spiegelfläche 23 auftrifft und in der Bestrahlungsebene 5 die Linie 3 beschreibt.
Zur Dimensionierung des Polygonspiegels gehört die Festlegung der Vielzahl von Spiegelelementen 12 sowie seines Innendurchmessers, an dem die Spiegelelemente 12 anliegen.
Die relative Position von Polygonspiegel und zweitem Umlenkspiegel 20 kann z. B. durch einen senkrechten Abstand c zwischen der ersten und der zweiten Drehachse 11, 21 und einem senkrechten Abstand d zwischen der ersten Drehachse 11 und einem zum Polygonspiegel am nächsten liegenden Auftreffpunkt 2'' beschrieben werden.
Während der gerichtete Strahl 1.1 auf nur ein Spiegelelement 12 auftrifft, rotiert der zweite Umlenkspiegel 20 so oft um seine zweite Drehachse 21, wie er ganzzahlige Windungen aufweist. In 3 ist der Strahlengang zu drei Zeitpunkten in eine Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eingezeichnet.
Die dargestellte Position, die Dimension und die Anzahl der Spiegelelemente 12 des Polygonspiegels, als erster Umlenkspiegel 10, sind hier willkürlich gewählt. Die dargestellte Position des zweiten Umlenkspiegels 20 entspricht der tatsächlichen Position zu diesen Zeitpunkten.
Der Strahlverlauf des gerichteten Strahls 1.1 zu einem ersten Zeitpunkt ist nach der Reflexion am ersten Umlenkspiegel 10, genauer an einem Spiegelelement 12 des Polygonspiegels, als Volllinie gezeichnet und mit 1.1 bezeichnet. Er trifft zum Zeitpunkt des Eintretens eines der Spiegelelemente 12 in den Strahlengang auf dieses auf und trifft unter dem kleinsten Winkel γ, den der gerichtete Strahl 1.1 mit der zweiten Drehachse 21 einschließen kann, auf den im Strahlengang stehenden, vom ersten Umlenkspiegel 10 entferntesten Bereich der zweiten Spiegelfläche 23 im Auftreffpunkt 2 auf. Die im Strahlengang davor liegenden Bereiche, was hier aufgrund der Anzahl von zwei Windungen zwei Bereiche sind, wirken nicht abschattend.
Die Strahlverläufe des gerichteten Strahls 1.1 zu einem zweiten bzw. dritten Zeitpunkt sind nach der Reflexion am ersten Umlenkspiegel 10 als Strichlinie gezeichnet und mit 1.1' bzw. 1.1'' bezeichnet. Sie treffen mittig bzw. unmittelbar vor dem Eindrehen eines angrenzenden Spiegelelementes 12 auf das sich im Strahlgang befindende Spiegelelement 12 auf und werden deshalb mit einem mittleren Winkel γ' bzw. dem größten Winkel γ'' den der gerichtete Strahl 1.1 mit der zweiten Drehachse 21 einschließen kann, auf den zweiten Umlenkspiegel 20 in die Auftreffpunkte 2' bzw. 2'' reflektiert, womit sie auf zum ersten Umlenkspiegel 10 naheliegendere Bereiche der zweiten Spiegelfläche 23 auftreffen.
Unmittelbar nach dem dritten Zeitpunkt wird der gerichtete Strahl 1.1 wieder entsprechend dem Strahlengang wie zum ersten Zeitpunkt geführt.
Der gerichtete Strahl 1.1 wird folglich mit einer Geschwindigkeit gleich der Anzahl der Spiegelelemente 12 mal der ersten Drehzahl n₁ des ersten Umlenkspiegels 10 in eine Richtung, die Linie 3 beschreibend, geführt und dann schlagartig zurückgesetzt. Um die Linie 3 zu verlängern, wird bei gleichbleibendem zweiten Gangwinkel α₂ die Anzahl der Windungen der zweiten Spiegelfläche 23 erhöht, wobei die zweite Drehzahl n₂ entsprechend angepasst wird.
Durch die Synchronisation der beiden Drehzahlen n₁, n₂ ist sichergestellt, dass vorteilhaft die volle Anzahl der Windungen optisch zur Wirkung kommt.
Mit der hier beschriebenen Vorrichtung kann die Linie 3 im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel in einer größeren Winkellage zu einer senkrecht auf der x-y-Ebene stehenden x-z-Ebene geneigt werden. Bei gleichen Geschwindigkeiten, mit denen eine Linie 3 mit einer Vorrichtung gemäß dem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben wird, kann hier ein in der Bestrahlungsebene 5 angeordnetes Bestrahlungsobjekt mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit bewegt werden, wobei die Linie 3 dann eine orthogonal zur Vorschubrichtung verlaufende Spur erzeugt.
In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung dargestellt. Dieses vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom dritten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle des Senders 1 der Empfänger 6 steht und in der Bestrahlungsebene 5, die hier als Abstrahlebene wirkt, ein Flächenstrahler 4 angeordnet ist. Wie dargestellt, werden Teile der vom Flächenstrahler 4 entlang der Linie 3 ausgesandten Strahlung zeitlich gesteuert, in Abhängigkeit von den Drehzahlen n₁, n₂, auf den Empfänger 6 gelenkt.
In 4 ist auch der Strahlgang von drei selektierten Strahlen 4.1, 4.1' und 4.1'', die als selektierter Strahl 4.1 auf den Empfänger 6 auftreffen, dargestellt. Auch hier ist die dargestellte Position des ersten Umlenkspiegels 10 willkürlich und die dargestellte Position des zweiten Umlenkspiegels 20 entspricht der tatsächlichen Position zu diesen Zeitpunkten.
Das zeitlich gesteuerte Detektieren von selektierten Strahlen 4.1 kann auch als ein optisches Abtasten des Flächenstrahlers 4 entlang der Linie 3 verstanden werden. Über die Anzahl der Windungen des zweiten Umlenkspiegels 20 und seine Dimensionierung kann eine Linie 3 abgetastet werden, die in ihrer Linienlänge an die Gegebenheiten des Flächenstrahlers 4 angepasst wird.
Die Vorteile der Vorrichtung bezogen auf eine Abtastung eines Flächenstrahlers 4 wurden anhand des dritten Ausführungsbeispiels bereits erläutert.
Nachfolgend sollen vorteilhafte Ausführungen des zweiten Umlenkspiegels 20 beschrieben werden. Sie sind auch auf den ersten Umlenkspiegel 10 anwendbar, wenn dieser gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist.
In allen 1 bis 4 ist die zweite Spiegelfläche 23 auf einer an den zylindrischen Trägerkörper 22 außenliegend angesetzten Flanke ausgebildet. Dabei ist der Innenradius r_i, gleich dem Radius des Trägerkörpers 22, konstant. Der Außenradius r_a ist entweder konstant, gemäß den Ausführungsbeispielen 3 und 4, oder ansteigend, gemäß den Ausführungsbeispielen 1 und 2.
In 5 ist ein zu dem zweiten Umlenkspiegel 20 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel optisch gleich wirkender zweiter Umlenkspiegel 20 gezeigt, bei dem die zweite Spiegelfläche 23 auf einer an einem zylinderförmigen Trägerkörper 22 nach innen ausgearbeiteten Flanke ausgebildet ist. Entsprechend kann er gleich wirkend zu einem zweiten Umlenkspiegel 20 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (in den Fig. nicht dargestellt) mit einem sich ändernden Innenradius r_i ausgeführt sein.
In den Fällen, in denen der zweite Umlenkspiegel 20 einen sich ändernden Außenradius r_a aufweist, kann anstelle eines zylindrischen Trägerkörpers 22 ein konusförmiger Trägerkörper 22 verwendet werden. Das kann für die Herstellkosten, die Gebrauchseigenschaften, die mechanische Stabilität und die Herstellung der zweiten Spiegelfläche 23, die dann über ihre gesamte Länge eine konstante Breite aufweist, von Vorteil sein.
In den 6 und 7 sind derartige Umlenkspiegel 20 mit einem konusförmigen Trägerkörper 22 gezeigt, zum einen mit der zweiten Spiegelfläche 23 auf einer außenliegenden aufgesetzten Flanke und zum anderen mit einer Teilfläche 23.1 der zweiten Spiegelfläche 23 (siehe 6) bzw. der zweiten Spiegelfläche 23 auf einer nach innen ausgearbeiteten Flanke. Die Spiegelfläche 23 hat hier eine konstante Breite, wobei sich der Innenradius r_i und der Außenradius r_a in Abhängigkeit vom Konuswinkel β ändern.
Vorteilhaft hinsichtlich der Reflexion sind die schraubenförmige erste Spiegelfläche 13 und die zweite Spiegelfläche 23 mit ihren Gangwinkeln α₁α₂ radial senkrecht zur jeweiligen Drehachse 11, 21 ausgebildet. Sie können aber auch in der Achsrichtung abgeflacht oder überkragend ausgeführt sein. Die schraubenförmige erste Spiegelfläche 13 und die zweite Spiegelfläche 23 können über die Windung durchgängig ausgebildet sein oder in einzelne z. B. plane Teilspiegelflächen untergliedert sein. Sie können in der Radiusrichtung geradlinig, konvex oder konkav ausgeformt sein.
Zusätzlich können bei einer Ausführung des ersten Umlenkspiegels 10 als Polygonspiegel die Spiegelelemente 12 in ihrer Achsabmessung, also in der z-Richtung gemäß 3, neben der geradlinigen Ausbildung auch konvex oder konkav ausgeformt sein.
In den 8a–8c sind verschiedene Ausführungen beispielhaft anhand einer zweiten Spiegelfläche 23 dargestellt, wobei ein gerichteter Strahl 1.1 im Auftreffpunkt 2 auf der zweiten Spiegelfläche 23 umgelenkt wird. Der gerichtete Strahl 1.1 besteht in Realität aus einem Strahlbündel mit einem geometrischen und energetischen Querschnitt, z. B. einer axialsymmetrischen Gauß-Verteilung der Intensität. An einem zweiten Umlenkspiegel 20 mit einer kontinuierlich durchgehenden zweiten Spiegelfläche 23 trifft der gerichtete Strahl 1.1 auf eine leicht in sich verkrümmte, also nicht plane Fläche. Dies verändert sowohl sein geometrisches wie auch energetisches Querschnittsprofil.
Die vorgenannten Ausführungsformen der Spiegelflächen 13, 23 haben zum Ziel, den Strahlquerschnitt zu beeinflussen, z. B. kann eine Verformung nach einer ersten Strahlumlenkung an der ersten Spiegelfläche 13 durch eine zweite Spiegelfläche 23 korrigiert werden oder durch in Radiusrichtung konkave/konvexe Form der zweiten Spiegelfläche 23 kann der gerichtete Strahl 1.1 zwecks Materialbearbeitung fokussiert werden oder zur Schonung der zweiten Spiegelfläche 23 vor zu starker lokaler Erwärmung kann der gerichtete Strahl 1.1 mittels der ersten Spiegelfläche 13 divergent geformt werden.
8a zeigt beispielhaft den zweiten Umlenkspiegel 20, bei dem sich ein Materialband mit zunehmender Dicke um den zylindrischen Trägerkörper 22 windet. Seine Flanke bildet die zweite Spiegelfläche 23.
In dieser Ausführung erhebt sich die Flanke in radialer Richtung senkrecht, dargestellt durch eine senkrechte Schraffur, über den Zylindermantel des Trägerkörpers 22. Ein in der x-y-Ebene in x-Richtung (1) verlaufender gerichteter Strahl 1.1 wird im Auftreffpunkt 2 in die z-Richtung, in der x-y-Ebene (1) verbleibend, umgelenkt. Allerdings wird durch den parallelen Versatz des einfallenden gerichteten Strahls 1.1 in y-Richtung über die Dauer einer Umdrehung des ersten Umlenkspiegels 10 auch der reflektierte Strahl 4.1 um einen gleichen Betrag in y-Richtung versetzt. Bei einem zweiten Gangwinkel α₂ von 45° erfolgt eine optimale rechtwinklige Reflexion, allerdings ist der Strahlquerschnitt leicht deformiert. Ist der auftreffende Strahlquerschnitt bereits deformiert, z. B. durch die vorherige Reflexion an der schraubenförmigen ersten Spiegelfläche 13, wird er durch Reflexion an der zweiten Spiegelfläche 23 korrigiert.
Der in 8b beispielhaft gezeigte zweite Umlenkspiegel 20 unterscheidet sich zu dem in 8a gezeigten Umlenkspiegel 20 dadurch, dass die Flanke des Materialbandes in radialer Richtung nicht senkrecht, sondern in x-Richtung gemäß 1 geneigt (fliehend) oder in negative x-Richtung geneigt (überkragend) ausgeführt ist. Dies wird in 8b durch eine schräge Schraffur dargestellt. Ein in der x-y-Ebene in x-Richtung verlaufender gerichteter Strahl 1.1 verläuft nach Reflexion im Auftreffpunkt 2 und bei einem Gangwinkel von 45° in der y-z-Ebene, und zwar bei fliehender Flanke mit positiver y-Komponente und bei überkragender Flanke mit negativer y-Komponente und jeweils anderer Deformation des Strahlquerschnitts. Ist der auftreffende Strahlquerschnitt bereits deformiert, so kann er durch Reflexion an der Flanke korrigiert werden.
Der in 8c beispielhaft gezeigte zweite Umlenkspiegel 20 unterscheidet sich zu dem in 8a gezeigten zweiten Umlenkspiegel 20 dadurch, dass die Flanke und damit die zweite Spiegelfläche 23 in eine Vielzahl von gleichen planen Teilflächen 23.1 untergliedert ist. Diese Teilflächen 23.1 können als Folge ihrer Herstellungstechnologie z. B. aus einer Reihe von kreisförmigen oder trapezförmigen Plan-Schliffen bestehen, die poliert und/oder beschichtet sind.
Bezugszeichenliste

1: Sender
1.1: gerichteter Strahl
1.1.1: Empfangsrichtung
2: Auftreffpunkt
3: Linie
4: Flächenstrahler
4.1: selektierter Strahl
5: Bestrahlungsebene
6: Empfänger
10: erster Umlenkspiegel
11: erste Drehachse
12: Spiegelelement
13: erste Spiegelfläche
14: erster Antrieb
20: zweiter Umlenkspiegel
21: zweite Drehachse
22: Trägerkörper
23: zweite Spiegelfläche
23.1: Teilfläche der zweiten Spiegelfläche
24: zweiter Antrieb
r_i: Innenradius (der zweiten Spiegelfläche 23)
r_a: Außenradius (der zweiten Spiegelfläche 23)
α₁: erster Gangwinkel (der ersten Spiegelfläche 13)
α₂: zweiter Gangwinkel (der zweiten Spiegelfläche 23)
β: Konuswinkel (des Trägerkörpers 22)
h₁: erste Ganghöhe (der ersten Spiegelfläche 13)
h₂: zweite Ganghöhe (der zweiten Spiegelfläche 23)
γ(n₁): Winkel
n₁: erste Drehzahl
n₂: zweite Drehzahl
b: Abstand zwischen zweiter Drehachse 21 und Auftreffpunkt 2
l: Mindestlänge des Trägerkörpers 22
c: Abstand zwischen der ersten und der zweiten Drehachse 11, 21
d: Abstand zwischen erster Drehachse 11 und dem Auftreffpunkt 2''

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69116944 T2 [0001, 0023]
DE 4133305 A1 [0013, 0016]
US 7284865 B1 [0022]
DE 2519283 A1 [0024, 0025]
US 5153769 A [0025]
DE 3939577 A1 [0026]
DE 4407228 A1 [0027]

Claims

Vorrichtung zur Führung eines gerichteten elektromagnetischen Strahls (1.1) entlang einer Linie (3) in einer Bestrahlungsebene (5) mit einem Sender (1) zum Aussenden des gerichteten Strahls (1.1), einem um eine erste Drehachse (11) drehbaren ersten Umlenkspiegel (10), welcher eine schraubenförmige erste Spiegelfläche (13) mit einer Windung und einer ersten Ganghöhe (h₁) aufweist, und einem um eine zweite Drehachse (21) drehbaren zweiten Umlenkspiegel (20), welcher durch einen zur zweiten Drehachse (21) rotationssymmetrischen Trägerkörper (22) gebildet ist, an dem eine diesen mit einem zweiten Gangwinkel (α₂) und einer zweiten Ganghöhe (h₂) umwindende zweite Spiegelfläche (23) ausgebildet ist, die einen Innenradius (r_i) und einen Außenradius (r_a) aufweist, wobei die erste Drehachse (11) und die zweite Drehachse (21) in einer Ebene liegen und zueinander synchron ansteuerbar sind und der erste Umlenkspiegel (10) und der zweite Umlenkspiegel (20) in einem Strahlengang zwischen dem Sender (1) und der Bestrahlungsebene (5) angeordnet sind, sodass der gerichtete Strahl (1.1) von dem ersten Umlenkspiegel (10) aus einer Empfangsrichtung (1.1.1) parallel zur ersten Drehachse (11) empfangen und zum zweiten Umlenkspiegel (20) weitergeleitet wird, welcher diesen in die Bestrahlungsebene (5) richtet, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehachse (11) zur zweiten Drehachse (21) orthogonal angeordnet ist, die zweite Spiegelfläche (23) durch ein ganzzahliges Vielfaches von Windungen gebildet ist, wobei sich der Außenradius (r_a) über die Windungen um einen Betrag gleich der ersten Ganghöhe (h₁) ansteigend ändert, sodass bei jeweils einer Umdrehung des ersten Umlenkspiegels (10) der gerichtete Strahl (1.1) parallel zur zweiten Drehachse (21) in Richtung der ersten Drehachse (11) um den Betrag gleich der ersten Ganghöhe (h₁), gleich der Änderung des Außenradius (r_a), versetzt wird und bei gleichzeitiger Umdrehung des zweiten Umlenkspiegels (20), entsprechend dem ganzzahligen Vielfachen, der gerichtete Strahl (1.1) in der Bestrahlungsebene (5) die Linie (3) beschreibt.
Vorrichtung zur Führung von selektierten Strahlen (4.1), die von einem Flächenstrahler (4) entlang einer Linie (3) abgestrahlt werden, auf einen Empfänger (6) mit einem ersten und einem zweiten Umlenkspiegel (10, 20), die gleich dem Anspruch 1 ausgeführt und zueinander angeordnet sind, wobei anstelle der Bestrahlungsebene (5) der Flächenstrahler (4) und anstelle des Senders (1) der Empfänger (6) angeordnet sind und die selektierten Strahlen (4.1) in einem umgekehrten Strahlengang zu dem Strahlengang des gerichteten Strahls (1.1) gemäß der Vorrichtung nach Anspruch 1 geführt werden.
Vorrichtung zur Führung eines gerichteten elektromagnetischen Strahls (1.1) entlang einer Linie (3) in einer Bestrahlungsebene (5) mit einem Sender (1) zum Aussenden des gerichteten Strahls (1.1), einem um eine erste Drehachse (11) drehbaren ersten Umlenkspiegel (10) und einem um eine zweite Drehachse (21) drehbaren zweiten Umlenkspiegel (20), welcher durch einen zur zweiten Drehachse (21) rotationssymmetrischen Trägerkörper (22) gebildet ist, an dem eine diesen mit einem zweiten Gangwinkel (α₂) und einer zweiten Ganghöhe (h₂) umwindende zweite Spiegelfläche (23) ausgebildet ist, wobei die erste Drehachse (11) und die zweite Drehachse (21) zueinander synchron ansteuerbar sind und der erste Umlenkspiegel (10) und der zweite Umlenkspiegel (20) in einem Strahlengang zwischen dem Sender (1) und der Bestrahlungsebene (5) angeordnet sind, sodass der wenigstens eine gerichtete Strahl (1.1) von dem ersten Umlenkspiegel (10) aus einer Empfangsrichtung (1.1.1) empfangen und zum zweiten Umlenkspiegel (20) weitergeleitet wird, welcher diesen in die Bestrahlungsebene (5) richtet, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umlenkspiegel (10) durch einen Polygonspiegel mit einer Vielzahl von Spiegelelementen (12) gebildet ist, die erste Drehachse (11) senkrecht auf einer Ebene steht, die durch die Empfangsrichtung (1.1.1) und die zweite Drehachse (21) aufgespannt ist, und die zweite Spiegelfläche (23) durch ein ganzzahliges Vielfaches von Windungen gebildet ist, sodass bei einer ersten Drehzahl (n₁) des ersten Umlenkspiegels (10), gleich eins, durch die Vielzahl der Spiegelelemente (12) und einer zweiten Drehzahl (n₂) des zweiten Umlenkspiegels (20), gleich dem ganzzahligen Vielfachen der Windungen, der gerichtete Strahl (1.1) unter einem sich zeitlich ändernden Winkel (γ(n₁)) zur zweiten Drehachse (21) und in einem konstanten senkrechten Abstand (b) zur zweiten Drehachse (21) auf die zweite Spiegelfläche (23) auftrifft und in der Bestrahlungsebene (5) die Linie (3) beschreibt.
Vorrichtung zur Führung von selektierten Strahlen (4.1), die von einem Flächenstrahler (4) entlang einer Linie (3) abgestrahlt werden, auf einen Empfänger (6) mit einem ersten und einem zweiten Umlenkspiegel (10, 20), die gleich dem Anspruch 3 ausgeführt und zueinander angeordnet sind, wobei anstelle der Bestrahlungsebene (5) der Flächenstrahler (4) und anstelle dem Sender (1) der Empfänger (6) angeordnet sind und die selektierten Strahlen (4.1) in einem umgekehrten Strahlengang zu dem Strahlengang des gerichteten Strahls (1.1) gemäß der Vorrichtung nach Anspruch 3 geführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (22) konusförmig ist und die zweite Spiegelfläche (23) auf einer nach innen ausgearbeiteten zweiten Spiegelfläche (23) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (22) zylinderförmig ist und die zweite Spiegelfläche (23) auf einer nach innen ausgearbeiteten zweiten Spiegelfläche (23) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gangwinkel (α₂) gleich 45° ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spiegelfläche (23) radial orthogonal zur zweiten Drehachse (21) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spiegelfläche (23) aus einer Vielzahl von aneinandergesetzten planen Teilflächen (23.1) gebildet ist.