DE102016113978B4

DE102016113978B4 - Vorrichtung zum Ablenken einer Laserstrahlung oder zum Ablenken von Licht

Info

Publication number: DE102016113978B4
Application number: DE102016113978.5A
Authority: DE
Inventors: Iouri Mikliaev; Vitalij Lissotschenko
Original assignee: LILAS GmbH
Current assignee: LILAS GmbH
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2036-07-29
Also published as: EP3491446A1; WO2018019625A1; RU2019105622A; US11796792B2; US20190155020A1; DE102016113978A1; RU2019105622A3; RU2747369C2

Abstract

Vorrichtung zum Ablenken einer Laserstrahlung (1), umfassend- ein erstes Linsenarray (2) mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen (3), durch das die Laserstrahlung (1) im Betrieb der Vorrichtung zumindest teilweise hindurchtritt,- ein zweites Linsenarray (8) mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen (9), das derart in der Vorrichtung angeordnet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung die durch das erste Linsenarray (2) hindurchgetretene Laserstrahlung (1) zumindest teilweise durch das zweite Linsenarray (8) hindurchtritt,- einen bewegbaren ersten Spiegel (5), der zwischen den beiden Linsenarrays (2, 8) angeordnet ist und die durch das erste Linsenarray (2) hindurchgetretene Laserstrahlung (1) im Betrieb der Vorrichtung in Richtung auf das zweite Linsenarray (8) ablenkt,- erste Linsenmittel (4), die zwischen dem ersten Linsenarray (2) und dem ersten Spiegel (5) angeordnet sind,- zweite Linsenmittel (7), die zwischen dem ersten Spiegel (5) und dem zweiten Linsenarray (8) angeordnet sind, wobei die ersten Linsenmittel (4) und/oder die zweiten Linsenmittel (7) derart in der Vorrichtung angeordnet sind, dass sie die ausgangsseitige Brennebene des ersten Linsenarrays (2) in die eingangsseitige Brennebene des zweiten Linsenarrays (8) abbilden,- ein Objektiv (13), das die durch das zweite Linsenarray (8) hindurchgetretene Laserstrahlung (10) im Betrieb der Vorrichtung in eine Arbeitsebene (14) fokussiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablenken einer Laserstrahlung, insbesondere für ein SLS- oder ein SLM-Verfahren oder ein Laser-TV-Verfahren, eine Vorrichtung zum Ablenken von Licht, insbesondere für ein Lidar- oder ein Ladar-Verfahren oder für ein scannendes Beobachtungsverfahren oder ein Tracking-Verfahren, sowie eine Vorrichtung für die Durchführung eines SLS- oder eines SLM-Verfahrens oder eines anderen scannenden Verfahrens, umfassend eine derartige Vorrichtung zum Ablenken einer Laserstrahlung oder Licht.
Bei SLS-Verfahren beziehungswese bei Selektivem Lasersintern (Selective Laser Sintering) und bei SLM-Verfahren beziehungsweise bei Selektivem Laserschmelzen (Selective Laser Melting) werden im Stand der Technik Scanvorrichtungen mit galvanischen Spiegel verwendet, um eine schnelle Bewegung eines Fokusbereichs einer Laserstrahlung über eine Arbeitsebene zu ermöglichen, in der sich ein Metallpulver oder ein Polymerpulver befindet. Die dabei erreichte Scangeschwindigkeit liegt ungefähr bei einigen Metern pro Sekunde.
Die für die genannten Verfahren eingesetzten Systeme müssen weiterhin in der Lage sein, schnelle Sprünge der Fokusbereiche in der Arbeitsebene von einem ersten Bereich zu einem zweiten, von dem ersten beabstandeten Bereich zu ermöglichen. Dies beispielsweise deshalb, weil die von der Laserstrahlung aufgeheizten Bereich Zeit für die Abkühlung benötigen und Wärmediffusion verhindert werden soll. Wenn die Laserbeaufschlagung beispielsweise durch einen sich kontinuierlich über die Arbeitsebene bewegenden Fokusbereich erfolgen würde, könnten sich ungleichmäßige Aufheizungen des Oberflächenbereichs ergeben, weil die Wärmeübertragung beispielsweise von der Form des Querschnitts des aufzuheizenden Bereichs abhängt.
Daher müssen die im Stand der Technik verwendeten Spiegel sehr schnell bewegbar sein und sehr schnell beschleunigt werden können. Dies führt jedoch zu einer Begrenzung der Größe und des Gewichts der Spiegel und begrenzt dadurch die Höhe der Zerstörschwelle der Spiegel beziehungsweise begrenzt die Leistung der verwendeten Laser.
Bei anderen scannenden Verfahren, bei denen Laserstrahlungen oder Licht im allgemeinen abgelenkt werden, wie beispielsweise bei einem Laser-TV, einem Lidar- oder einem Ladar-System, bei scannender Beobachtung und Tracking-Kameras, ist es ebenfalls wünschenswert, schnelle Bewegungen von Fokusbereichen in einer Arbeitsebene durchzuführen.
Aus der DE 11 2005 003 207 B4 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer linienförmigen Intensitätsverteilung einer Laserstrahlung in einer Arbeitsebene bekannt. Bei der darin beschriebenen Vorrichtung soll eine sehr schmale und trotzdem homogene, linienförmige Intensitätsverteilung erzielt werden. Für die Homogenisierung in Linienlängsrichtung sind zwei zueinander beabstandete Zylinderlinsenarrays vorgesehen. Zwischen den beiden Zylinderlinsenarrays ist ein verschwenkbarer Zylinderspiegel vorgesehen, der von dem ersten der beiden Zylinderlinsenarrays erzeugte Teilstrahlen in Linienquerrichtung unterschiedlich stark ablenkt, so dass sich in Linienquerrichtung eine überlappende Anordnung der einzelnen Teilstrahlen ergibt. Aufgrund einer Vermeidung der expliziten Aufteilung der Laserstrahlung in Linienquerrichtung durch eines der Zylinderlinsenarrays lässt sich auf diese Weise die beugungsbegrenzte Strahlgröße in Linienquerrichtung reduzieren.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, mit der schnelle Bewegungen und/oder schnelle Sprünge von Fokusbereichen in einer Arbeitsebene ermöglicht werden, wobei insbesondere hohe Laserleistungen verwendet werden können. Weiterhin soll eine Vorrichtung für die Durchführung eines SLS- oder eines SLM-Verfahrens oder eines anderen scannenden Verfahrens der eingangs genannten Art angegeben werden.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 21 erreicht. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 umfasst die Vorrichtung zum Ablenken einer Laserstrahlung:

- ein erstes Linsenarray mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen, durch das die Laserstrahlung im Betrieb der Vorrichtung zumindest teilweise hindurchtritt,
- ein zweites Linsenarray mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen, das derart in der Vorrichtung angeordnet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung die durch das erste Linsenarray hindurchgetretene Laserstrahlung zumindest teilweise durch das zweite Linsenarray hindurchtritt,
- einen bewegbaren ersten Spiegel, der zwischen den beiden Linsenarrays angeordnet ist und die durch das erste Linsenarray hindurchgetretene Laserstrahlung im Betrieb der Vorrichtung in Richtung auf das zweite Linsenarray ablenkt,

- erste Linsenmittel, die zwischen dem ersten Linsenarray und dem ersten Spiegel angeordnet sind,
- zweite Linsenmittel, die zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Linsenarray angeordnet sind, wobei die ersten Linsenmittel und/oder die zweiten Linsenmittel derart in der Vorrichtung angeordnet sind, dass sie die ausgangsseitige Brennebene des ersten Linsenarrays in die eingangsseitige Brennebene des zweiten Linsenarrays abbilden,
- ein Objektiv, das die durch das zweite Linsenarray hindurchgetretene Laserstrahlung im Betrieb der Vorrichtung in eine Arbeitsebene fokussiert.

Durch eine derartige Gestaltung kann eine hohe Geschwindigkeit eines Fokusbereichs in der Arbeitsebene bei gleichzeitig hoher Laserleistung ermöglicht werden. Außerdem können schnelle Sprünge des Fokusbereichs von einem ersten Bereich zu einem zweiten, von dem ersten beabstandeten Bereich ermöglicht werden. Beispielsweise lassen sich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zehnmal höhere Scangeschwindigkeiten in der Arbeitsebene erreichen, ohne dabei die Winkelgeschwindigkeit der Spiegel zu erhöhen oder die Brennweite des Objektivs zu verändern.
Durch die Anordnung der ersten Linsenmittel und/oder der zweiten Linsenmittel in der Vorrichtung derart, dass sie die ausgangsseitige Brennebene des ersten Linsenarrays in die eingangsseitige Brennebene des zweiten Linsenarrays abbilden, wird gegenüber den Systemen gemäß dem Stand der Technik die Geschwindigkeit, mit der sich der Ablenkwinkel ändert beziehungsweise mit der der Fokusbereich in der Arbeitsebene bewegt wird, deutlich erhöht. Insbesondere kann die Geschwindigkeit gegenüber bestehenden Systemen um einem Faktor erhöht werden, der dem Quotienten aus der Brennweite der Linsenmittel und der Brennweite der Linsen des Linsenarrays entspricht. Dieser Quotient kann durchaus mehrere Dutzend groß sein, also beispielsweise zwischen 10 und 30 liegen. Weiterhin kann durch Beugungseffekte beziehungsweise diffraktive Effekte an dem zweiten Linsenarray die Intensität eines Fokusbereichs in der Arbeitsebene in einem einer ersten Beugungsordnung entsprechenden Bereich schwächer werden, bis sie gleich null ist, und in einem zweiten, von dem ersten beabstandeten und einer zweiten Beugungsordnung entsprechenden Bereich stärker werden, bis sie ein Maximum erreicht. Während dieses Übergangs wird insbesondere der zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich liegende Zwischenraum nicht mit Laserstrahlung beaufschlagt. Es ergibt sich also ein Vorgang, der mit den schnellen Sprüngen aus dem Stand der Technik vergleichbar ist oder diesen entspricht.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen zweiten bewegbaren der im Betrieb der Vorrichtung die durch das zweite Linsenarray hindurchgetretene Laserstrahlung ablenkt, vorzugsweise in Richtung auf das Objektiv.
Es besteht die Möglichkeit, dass die ersten Linsenmittel als Sammellinse, vorzugsweise als sphärische Sammellinse ausgebildet sind. Weiterhin können die zweiten Linsenmittel als Sammellinse, vorzugsweise als sphärische Sammellinse ausgebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die ersten Linsenmittel und/oder die zweiten Linsenmittel derart in der Vorrichtung angeordnet sind, dass sie im Betrieb der Vorrichtung die abzulenkende Laserstrahlung fouriertransformieren.
Dabei kann der erste Spiegel in oder im Bereich der ausgangsseitigen Fourierebene der ersten Linsenmittel und in oder im Bereich der eingangsseitigen Fourierebene der zweiten Linsenmittel angeordnet sein. Weiterhin kann die ausgangsseitige Brennebene des ersten Linsenarrays der eingangsseitigen Fourierebene der ersten Linsenmittel entsprechen oder im Bereich der eingangsseitigen Fourierebene der ersten Linsenmittel angeordnet sein. Zusätzlich kann die eingangsseitige Brennebene des zweiten Linsenarrays der ausgangsseitigen Fourierebene der zweiten Linsenmittel entsprechen oder im Bereich der ausgangsseitigen Fourierebene der zweiten Linsenmittel angeordnet sein.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung ein drittes Linsenarray mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen umfasst, das derart in der Vorrichtung angeordnet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung die durch das erste Linsenarray hindurchgetretene Laserstrahlung zumindest teilweise durch das dritte Linsenarray hindurchtritt und die durch das dritte Linsenarray hindurchgetretene Laserstrahlung zumindest teilweise durch das zweite Linsenarray hindurchtritt. Durch das dritte Linsenarray, das insbesondere in der eingangsseitigen Brennebene des zweiten Linsenarrays angeordnet ist, kann gewährleistet werden, dass in dem Bereich des dritten Linsenarrays vorhandene Teilstrahlen der Laserstrahlung jeweils nur in eine Linse des zweiten Linsenarrays eintreten. Dadurch werden Verluste minimiert.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung Steuermittel umfasst, die im Betrieb der Vorrichtung den ersten Spiegel mit einer ersten Geschwindigkeit bewegen, insbesondere mit einer ersten Winkelgeschwindigkeit rotieren oder verschwenken, und den zweiten Spiegel mit einer zweiten Geschwindigkeit bewegen, insbesondere mit einer zweiten Winkelgeschwindigkeit rotieren oder verschwenken, wobei vorzugsweise die erste und die zweite Geschwindigkeit, insbesondere die erste und die zweite Winkelgeschwindigkeit, unterschiedlich sind. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass trotz der geschilderten Übergänge der Fokusbereiche zwischen Bereichen, die unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen, nach und nach auch die zwischen den zuerst mit Laserstrahlung beaufschlagten Bereichen liegenden Bereiche der Arbeitsebene mit Laserstrahlung beaufschlagt werden.
Gemäß Anspruch 18 umfasst die Vorrichtung zum Ablenken von Licht:

- ein erstes Linsenarray mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen,
- ein zweites Linsenarray mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen,
- einen bewegbaren ersten Spiegel, der im Strahlengang des Lichts zwischen den beiden Linsenarrays angeordnet ist,
- erste Linsenmittel, die zwischen dem ersten Linsenarray und dem ersten Spiegel angeordnet sind,
- zweite Linsenmittel, die zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Linsenarray angeordnet sind, wobei die ersten Linsenmittel und/oder die zweiten Linsenmittel derart in der Vorrichtung angeordnet sind, dass sie die ausgangsseitige Brennebene des ersten Linsenarrays in die eingangsseitige Brennebene des zweiten Linsenarrays abbilden,
- ein Objektiv, das auf der von dem ersten Spiegel abgewandten Seite des zweiten Linsenarrays angeordnet ist.

Die Vorrichtung zur Ablenkung von Licht kann optional in den Unteransprüchen 2 bis 17 aufgeführte Merkmale aufweisen. Die Vorrichtung kann anstelle von Laserstrahlung Licht ablenken, wenn sie für ein scannendes Beobachtungsverfahren oder ein Tracking-Verfahren eingesetzt wird. Dabei kann beispielsweise vor dem ersten Linsenarray ein Photodetektor angeordnet sein. Die Vorrichtung kann aber auch als Laserstrahlung ausgebildetes Licht ablenken, wenn sie für ein Lidar- oder ein Ladar-Verfahren verwendet wird.
Gemäß Anspruch 21 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung für die Durchführung eines SLS- oder eines SLM-Verfahrens oder eines anderen scannenden Verfahrens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ablenken einer Laserstrahlung oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ablenken von Licht umfasst.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 schematisch eine Bewegung des Fokusbereichs der mit der Vorrichtung gemäß 1 oder 3 abgelenkten Laserstrahlung in einer Arbeitsebene;
3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
4 schematisch eine von 2 verschiedene Bewegung des Fokusbereichs der mit der Vorrichtung gemäß 1 oder 3 abgelenkten Laserstrahlung in einer Arbeitsebene.

In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1 abgebildete Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ablenken von Laserstrahlung 1 umfasst ein erstes Linsenarray 2, das eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen 3 aufweist.
Bei diesen Linsen 3 kann es sich um nebeneinander angeordnete Zylinderlinsen handeln, deren Zylinderachsen senkrecht zu der Richtung ausgerichtet sein können, in der die Linsen 3 nebeneinander angeordnet sind. Die Zylinderlinsen können als Bikonvex- oder Plankonvex-Linsen ausgebildet sein. Es besteht auch die Möglichkeit, anstelle der Zylinderlinsen sphärische Linsen zu verwenden.
In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung hinter dem ersten Linsenarray 2 ist ein erstes als Fouriertransformationselement dienendes Linsenmittel 4 angeordnet. Dieses erste Linsenmittel 4 ist im abgebildeten Ausführungsbeispiel als sphärische Bikonvexlinse ausgebildet. Es sind durchaus andere Gestaltungen des ersten Linsenmittels 4 denkbar.
Die Entfernung zwischen der Brennebene der Linsen 3 des ersten Linsenarrays 2 und dem ersten als Fouriertransformationselement dienenden Linsenmittel 4 entspricht der Brennweite F₁ des Linsenmittels 4. Der Abstand zwischen dem ersten Linsenarray 2 und dem ersten Linsenmittel 4 beträgt also F₁ + f₁, wobei f₁ die Brennweite der Linsen 3 des ersten Linsenarrays 2 ist.
Die auf die Vorrichtung von links in 1 auftreffende Laserstrahlung ist mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Diese Laserstrahlung 1 kann beispielsweise als ebene Welle ausgebildet sein, die exakt von links in 1 beziehungsweise parallel zur optischen Achse des Linsenarrays 2 auf das erste Linsenarray 2 auftrifft. Die Laserstrahlung 1 wird nach dem Hindurchtritt durch das erste Linsenarray 2 in der Brennebene der Linsen 3 in eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Teilstrahlen aufgespalten, die in der Brennebene der Linsen 3 Strahltaillen aufweisen.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen bewegbaren, insbesondere rotierbaren oder verschwenkbaren, ersten Spiegel 5. Der Spiegel 5 ist um eine Achse bewegbar oder verschwenkbar, die in die Zeichenebene der 1 hinein verläuft. Dies wird durch den Pfeil 6 angedeutet.
Der erste Spiegel 5 ist im Bereich der ausgangsseitigen Brennebene des ersten als Fouriertransformationselement dienenden Linsenmittels 4 angeordnet. Die von den Linsen 3 des ersten Linsenarrays 2 erzeugten Teilstrahlen der Laserstrahlung werden von dem ersten Spiegel 5 nach oben in 1 reflektiert.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein zweites als Fouriertransformationselement dienendes Linsenmittel 7, wobei der erste Spiegel 5 im Bereich der eingangsseitigen Fourierebene des zweiten Linsenmittels 7 angeordnet ist. Dieses zweite Linsenmittel 7 ist im abgebildeten Ausführungsbeispiel ebenfalls als sphärische Bikonvexlinse ausgebildet. Es sind durchaus andere Gestaltungen des zweiten Linsenmittels 7 denkbar.
Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, die ersten Linsenmittel 4 und/oder die zweiten Linsenmittel 7 nicht als einzelne bikonvexe Linsen, sondern als Mehrzahl von Linsen auszubilden. Beispielsweise können jeweils zwei Linsen verwendet werden, die in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung dicht hintereinander angeordnet sind.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein zweites Linsenarray 8, das eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen 9 aufweist.
Bei diesen Linsen 9 kann es sich um nebeneinander angeordnete Zylinderlinsen handeln, deren Zylinderachsen senkrecht zu der Richtung ausgerichtet sein können, in der die Linsen 9 nebeneinander angeordnet sind. Die Zylinderlinsen können als Bikonvex- oder Plankonvex-Linsen ausgebildet sein. Es besteht auch die Möglichkeit, anstelle der Zylinderlinsen sphärische Linsen zu verwenden.
Die Entfernung zwischen der eingangsseitigen Brennebene der Linsen 9 des zweiten Linsenarrays 8 und dem zweiten als Fouriertransformationselement dienenden Linsenmittel 7 entspricht der Brennweite F₂ des zweiten Linsenmittels 7. Der Abstand zwischen dem zweiten Linsenarray 8 und dem zweiten Linsenmittel 7 beträgt also F₂ + f₂, wobei f₂ die Brennweite der Linsen 9 des zweiten Linsenarrays 8 ist.
Die zweidimensionale, in der eingangsseitigen Brennebene des ersten Linsenmittels 4 vorliegende Intensitätsverteilung der abzulenkenden Laserstrahlung 1 wird durch das erste Linsenmittel 4 fouriertransformiert. Die eingangsseitige Brennebene des ersten Linsenmittels 4 kann auch als Objektebene und die Intensitätsverteilung in dieser Objektebene als Objekt angesehen werden. Die Fouriertransformation der eingangsseitigen Intensitätsverteilung entsteht in der ausgangsseitigen Brennebene des ersten Linsenmittels 4. Diese ausgangsseitige Brennebene entspricht der Fourierebene des als Fouriertransformationselement wirkenden ersten Linsenmittels 4. Durch die ersten Linsenmittel 4 wird die räumliche Intensitätsverteilung in der eingangsseitigen Brennebene des ersten Linsenmittels 4 in eine Winkelverteilung in der Fourierebene überführt. Das bedeutet, dass in der Fourierebene diejenigen Teilstrahlen, die in der eingangsseitigen Brennebene oder Objektebene den gleichen Winkel aufweisen, in der Fourierebene am gleichen Ort zusammentreffen.
Die in der Fourierebene vorliegende Fouriertransformation des Objekts wird durch das zweite Linsenmittel 7 nochmals fouriertransformiert, so dass in der ausgangsseitigen Brennebene des zweiten Linsenmittels 7 die zweimalige Fouriertransformierte des Objekts und damit eine zweidimensionale Intensitätsverteilung vorliegt, die ein Abbild des Objekts darstellen kann. Damit kann die ausgangsseitige Brennebene des zweiten Linsenmittels 7 auch als Bildebene bezeichnet werden, in der ein Abbild der nebeneinander angeordneten Strahltaillen erzeugt wird, die in der ausgangsseitigen Brennebene der Linsen 3 des ersten Linsenarrays 2 vorliegen.
Die Brennweiten F₁ und F₂ der Linsenmittel 4, 7 können dabei gleich oder verschieden voneinander sein. Die Linsenmittel 4, 7 formen ein Teleskop, das eine Vergrößerung mit einem Faktor 1 aufweist, wenn die Brennweiten F₁ und F₂ gleich sind. Wenn die Brennweiten F₁ und F₂ der Linsenmittel 4, 7 verschieden sind, ergibt sich eine entsprechend vergrößerte oder verkleinerte Abbildung in der ausgangsseitigen Brennebene des zweiten Linsenmittels 7.
Durch die Abbildung werden in der eingangsseitigen Brennebene des zweiten Linsenarrays 8 nebeneinander angeordneten Strahltaillen von Teilstrahlen der Laserstrahlung 1 erzeugt. Diese Teilstrahlen treten durch die Linsen 9 des Linsenarrays 8 hindurch und treten als kollimierte Strahlen aus diesen aus, deren Querabmessung der Querabmessung der Linsen 9 entspricht. Die aus sämtlichen Linsen 9 austretenden Teilstrahlen formen am Ausgang des zweiten Linsenarrays 8 eine gemeinsame kollimierte Laserstrahlung 10 mit einer gemeinsamen ununterbrochenen Wellenfront.
Wenn das von den Linsenmitteln 4, 7 gebildete Teleskop die Vergrößerung 1 aufweist, ist der Durchmesser der aus dem zweiten Linsenarray 8 austretenden Laserstrahlung 10 gleich dem Durchmesser der in das erste Linsenarray 2 eintretenden Laserstrahlung 1. Dies insbesondere dann, wenn die Brennweiten f₁ der Linsen 3 des ersten Linsenarrays 2 gleich der Brennweite f₂ der Linsen 9 des zweiten Linsenarrays 8 sind und die Querausdehnungen der Linsen 3 des ersten Linsenarrays 2 gleich den Querausdehnungen der Linsen 9 des zweiten Linsenarrays 8 sind.
Durch ein Verschwenken oder Rotieren des ersten Spiegels 5 werden die in die eingangsseitige Brennebene des zweiten Linsenarrays 8 abgebildeten Strahltaillen verschoben, insbesondere nach links oder nach rechts in 1 beziehungsweise in der Richtung, in der die Linsen 9 nebeneinander angeordnet sind. Durch dieses Verschieben in der eingangsseitigen Brennebene ergibt sich nach Hindurchtritt der Teilstrahlen durch die Linsen 9 des Linsenarrays 8 eine Ablenkung der einzelnen Teilstrahlen. Dabei entspricht der Ablenkwinkel in etwa dem Quotient aus der Verschiebung in Querrichtung der Brennebene und der Brennweite f₂ der Linsen 9.
Bei abgelenkten beziehungsweise zu der optischen Achse des zweiten Linsenarrays 8 verkippten Teilstrahlen am Ausgang des zweiten Linsenarrays 8 formen diese Teilstrahlen nicht in jedem Fall beziehungsweise nicht bei jedem Ablenkwinkel eine gemeinsame kontinuierliche Laserstrahlung 10. Dies hat seinen Grund darin, dass jeder der einzelnen Teilstrahlen eine eigene Phasenverschiebung aufweist.
Nur bei bestimmten Ablenkwinkeln, die den Beugungsmaxima des von den Linsen 9 gebildeten Rasters oder Gitters entsprechen, wird von den abgelenkten Teilstrahlen eine gemeinsame kontinuierliche Laserstrahlung 10 erzeugt. Bei diesen Ablenkwinkeln, die den Beugungsmaxima entsprechen, entspricht die Phasenverschiebung zwischen benachbarten Teilstrahlen der Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der Laserstrahlung.
Durch sukzessives Verschwenken oder Rotieren des ersten Spiegels 5 wird eine der Beugungsordnungen schwächer, während gleichzeitig die benachbarte Beugungsordnung stärker wird. Das bedeutet, dass durch die Bewegung des ersten Spiegels 5 Energie von einer Beugungsordnung in die benachbarte Beugungsordnung übertragen wird. Wenn die Intensität einer Beugungsordnung ihr Maximum erreicht hat, ist die Intensität der vorhergehenden beziehungsweise benachbarten Ordnung gleich null. Bei weiterer Verschwenkung oder Rotation des Spiegels 5 wird dann die Intensität der gerade noch maximal intensiven Ordnung abnehmen und gleichzeitig die Intensität der nächsten Beugungsordnung zunehmen.
Durch eine kontinuierliche Verschwenkung oder Rotation des ersten Spiegels 5 wird also nacheinander die Intensität der Laserstrahlung in um gleiche Winkelabstände beabstandete Richtungen kontinuierlich vergrößert und verkleinert beziehungsweise an- und abgeschaltet.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen bewegbaren, insbesondere rotierbaren oder verschwenkbaren, zweiten Spiegel 11. Der Spiegel 11 ist um eine Achse bewegbar oder verschwenkbar, die in die Zeichenebene der 1 hinein verläuft. Dies wird durch den Pfeil 12 angedeutet. Der zweite Spiegel 11 reflektiert die aus dem zweiten Linsenarray 8 austretende Laserstrahlung 10 nach rechts in 1.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein Objektiv 13, insbesondere ein fokussierendes Objektiv oder ein F-Theta-Objektiv. Durch dieses Objektiv 13 tritt die aus dem zweiten Linsenarray 8 austretende und von dem Spiegel 11 reflektierte Laserstrahlung 10 hindurch. Von dem Objektiv 13 werden in einer Arbeitsebene 14 Fokusbereiche 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g erzeugt (siehe 2).
Die einzelnen in 2 abgebildeten, äquidistant zueinander beabstandeten Fokusbereiche 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g entsprechen den einzelnen Beugungsordnungen, die durch kontinuierliche Verschwenkung oder Rotation des ersten Spiegels 5 nacheinander an Intensität zunehmen und wieder abnehmen. Durch das Objektiv 13 werden die in unterschiedlichen Richtungen aus dem Linsenarray 8 austretenden Laserstrahlungen unterschiedlicher Ordnungen in Fokusbereiche 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g fokussiert, die äquidistant zueinander beabstandet sind.
Es können mehr oder weniger Ordnungen beziehungsweise mehr oder weniger Fokusbereiche 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g vorgesehen sein als die in 2 abgebildeten.
Wenn eine erste der Ordnungen in einen ersten Fokusbereich 15a fokussiert wird, wird durch kontinuierliche Verschwenkung oder Rotation des ersten Spiegels 5 die Intensität dieses ersten Fokusbereichs 15a abnehmen und gleichzeitig die Intensität des benachbarten zweiten Fokusbereichs 15b zunehmen, bis dieser die maximale Intensität erreicht. Dies wird in 2 durch den Pfeil 16ab verdeutlicht.
Der Fokusbereich 15a wird somit nicht über die Arbeitsebene 14 gescannt, um in den Fokusbereich 15b überzugehen. Vielmehr erlischt der Fokusbereich 15a langsam während der Fokusbereich 15b an Intensität gewinnt. Der zwischen diesen beiden Fokusbereichen 15a, 15b liegende Raum der Arbeitsebene 14 wird während des Übergangs von dem Fokusbereich 15a zu dem Fokusbereich 15b nicht mit Laserstrahlung beauftragt.
Auf diese Weise steigen sukzessive die Intensitäten der einzelnen Fokusbereiche 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g und nehmen anschließend wieder ab zu Gunsten des benachbarten Fokusbereichs. Nachdem der letzte Fokusbereich 15g sein Intensitätsmaximum überschritten hat, nimmt durch geeignete Gestaltung der vorzugsweise kontinuierlichen Bewegung, insbesondere der Rotation oder Verschwenkung, des ersten Spiegels 5 die Intensität des letzten Fokusbereichs zugunsten des ersten Fokusbereichs 15a ab. Dies wird durch den Pfeil 16ga in 2 verdeutlicht.
Allerdings wird dem Verschwenken beziehungsweise Rotieren des ersten Spiegels 5 ein Verschwenken beziehungsweise Rotieren des zweiten Spiegels 11 überlagert. In der Zeit τ, in der der erste Spiegel einmal sämtliche der Fokusbereiche 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g sukzessive mit Laserstrahlung beaufschlagt hat, ist der zweite Spiegel kontinuierlich so verschwenkt oder rotiert, dass bei wieder zunehmender Intensität des ersten Fokusbereichs 15a dieser Fokusbereich etwas nach rechts in 2 verschoben ist. Dies wird durch den gepunkteten Fokusbereich 15a' angedeutet. In der Zeit τ bewegt der zweite Spiegel 11 die Laserstrahlung 10 in der Arbeitsebene 14 um eine Strecke nach rechts, die in etwa der Ausdehnung eines der Fokusbereiche 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g entspricht.
Wenn die Intensität des ersten Fokusbereichs 15a' des zweiten Durchlaufs der Laserstrahlung schwächer wird, wird gleichzeitig die Intensität des zweiten Fokusbereichs 15b' des zweiten Durchlaufs größer (siehe dazu den Pfeil 16ab'), so dass der oben beschriebene Vorgang wiederholt wird. Nach und nach werden somit auch die Zwischenräume zwischen den im ersten Durchlauf beaufschlagten Fokusbereichen 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g mit Laserstrahlung beaufschlagt. In 2 sind zur Erhaltung der Übersichtlichkeit nur zwei Durchläufe abgebildet.
Auf diese Weise kann durch zwei sich vergleichsweise langsam bewegende Spiegel 5, 11 der Fokusbereich der Laserstrahlung 10 relativ schnell unterschiedliche Bereiche der Arbeitsebene beaufschlagen.
Als problematisch bei der in 1 abgebildeten Ausführungsform kann die Bewegung der Strahltaillen der Teilstrahlen in der eingangsseitigen Brennebene des zweiten Linsenarrays 8 sein. Dies insbesondere dann, wenn dabei die Strahltaillen stark aus der Mitte verschoben werden. Dies kann dazu führen, dass die Teilstrahlen jeweils nicht nur auf eine Linse 9, sondern auf mehrere Linsen 9 auftreffen. Dies führt zu unerwünschten Leistungsverlusten.
Die in 3 abgebildete zweite Ausführungsform berücksichtigt dieses Problem. Sie unterscheidet sich von der ersten dadurch, dass die Vorrichtung gemäß 3 zusätzlich ein drittes Linsenarray 17 umfasst, das eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen 18 aufweist.
Bei diesen Linsen 18 kann es sich um nebeneinander angeordnete Zylinderlinsen handeln, deren Zylinderachsen senkrecht zu der Richtung ausgerichtet sein können, in der die Linsen 18 nebeneinander angeordnet sind. Die Zylinderlinsen können als Bikonvex- oder Plankonvex-Linsen ausgebildet sein. Es besteht auch die Möglichkeit, anstelle der Zylinderlinsen sphärische Linsen zu verwenden.
Das dritte Linsenarray 17 ist in der eingangsseitigen Brennebene des zweiten Linsenarrays 8 angeordnet und damit genau dort, wohin die Strahltaillen der Teilstrahlen abgebildet werden. Die Linsen 18 des dritten Linsenarrays 17 wirken an dieser Position wie Feldlinsen, die die Teilstrahlen derart formen, dass jeweils einer der Teilstrahlen genau auf eine der Linsen 9 des zweiten Linsenarrays 8 auftrifft.
Damit wird die Wahrscheinlichkeit für die oben erwähnten Leistungsverluste deutlich reduziert.
Mit den in 1 und 3 abgebildeten Vorrichtungen lassen sich bei entsprechender Ansteuerung der Spiegel 5, 11 auch schnelle und kontinuierlichere Scannbewegungen von Fokusbereichen in einer Arbeitsebene 14 durchführen. Derartige zumindest teilweise kontinuierliche Scannbewegungen sind für von SLS- oder ein SLM-Verfahren verschiedene Verfahren zum Ablenken von Laserstrahlung beziehungsweise Licht sinnvoll, wie beispielsweise für ein Laserfernsehen, ein Lidar- oder ein Ladar-System sowie für scannende Beobachtung und Tracking-Kameras.
Entsprechende Bewegungen von Fokusbereichen in der Arbeitsebene 14 sind in 4 dargestellt. Dort sind von links nach rechts der Scannwinkel und von unten nach oben die Zeit in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Die mit dem Bezugszeichen 19 versehenen strichpunktierten Linien verdeutlichen die unterschiedlichen Beugungsordnungen, die durch Verschwenken oder Rotieren des ersten Spiegels 5 durchlaufen werden.
Bei der in 4 dargestellten Bewegung führt der zweite Spiegel 11 vergleichsweise schnelle Bewegungen aus, wohingegen der erste Spiegel 5 vergleichsweise langsame Bewegungen durchführt. Der zweite Spiegel 11 scannt dabei jeweils in eine Richtung über einen Winkelbereich, der dem Abstand zwischen zwei Beugungsordnungen 19 entspricht. Die von der abgelenkten Laserstrahlung aufgrund des Verschwenkens oder Rotierens des zweiten Spiegel 11 durchlaufenen Winkel sind in 4 mit durchgezogenen Pfeilen 20 angedeutet.
Nach Durchlaufen des Winkelbereichs zwischen zwei Beugungsordnungen 19 bremst der zweite Spiegel 11 ab und beschleunigt in die entgegengesetzte Richtung. Während dieses Abbrems- und Beschleunigungsvorgangs kann die Laserlichtquelle, oder im Falle einer scannenden Kamera ein anstelle der Laserlichtquelle angeordneter Photodetektor, abgeschaltet werden.
Weiterhin erfolgt während des Abbrems- und Beschleunigungsvorgangs eine Bewegung des ersten Spiegels 5 derart, dass von einer Beugungsordnung 19 zur nächsten Beugungsordnung 19 übergegangen wird. Dieser Übergang von einer Beugungsordnung 19 zur nächsten ist in 4 mit den gestrichelten Pfeilen 21 angedeutet.
Nach diesem Übergang in die nächste Beugungsordnung erfolgt die Bewegung des zweiten Spiegels 11 in die entgegengesetzte Richtung wiederum über einen Winkelbereich, der dem Abstand zweier benachbarter Beugungsordnungen entspricht. Durch die auf diese Weise kombinierten Bewegungen der beiden Spiegel, kann in einer Arbeitsebene ein großer Scannbereich weitgehend kontinuierlich abgedeckt werden.
Es soll angemerkt werden, dass bei dem in 4 oben abgebildeten zweiten Durchlauf des Scannbereichs mit den gebogenen gestrichelten Pfeilen 22 die Abbrems- und Beschleunigungsvorgänge des zweiten Spiegels 11 angedeutet sind.

Claims

Vorrichtung zum Ablenken einer Laserstrahlung (1), umfassend - ein erstes Linsenarray (2) mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen (3), durch das die Laserstrahlung (1) im Betrieb der Vorrichtung zumindest teilweise hindurchtritt, - ein zweites Linsenarray (8) mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen (9), das derart in der Vorrichtung angeordnet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung die durch das erste Linsenarray (2) hindurchgetretene Laserstrahlung (1) zumindest teilweise durch das zweite Linsenarray (8) hindurchtritt, - einen bewegbaren ersten Spiegel (5), der zwischen den beiden Linsenarrays (2, 8) angeordnet ist und die durch das erste Linsenarray (2) hindurchgetretene Laserstrahlung (1) im Betrieb der Vorrichtung in Richtung auf das zweite Linsenarray (8) ablenkt, - erste Linsenmittel (4), die zwischen dem ersten Linsenarray (2) und dem ersten Spiegel (5) angeordnet sind, - zweite Linsenmittel (7), die zwischen dem ersten Spiegel (5) und dem zweiten Linsenarray (8) angeordnet sind, wobei die ersten Linsenmittel (4) und/oder die zweiten Linsenmittel (7) derart in der Vorrichtung angeordnet sind, dass sie die ausgangsseitige Brennebene des ersten Linsenarrays (2) in die eingangsseitige Brennebene des zweiten Linsenarrays (8) abbilden, - ein Objektiv (13), das die durch das zweite Linsenarray (8) hindurchgetretene Laserstrahlung (10) im Betrieb der Vorrichtung in eine Arbeitsebene (14) fokussiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für ein SLS- oder ein SLM-Verfahren oder ein Laser-TV-Verfahren geeignet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen zweiten bewegbaren Spiegel (11) umfasst, der im Betrieb der Vorrichtung die durch das zweite Linsenarray (8) hindurchgetretene Laserstrahlung (10) ablenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spiegel (11) im Betrieb der Vorrichtung die durch das zweite Linsenarray (8) hindurchgetretene Laserstrahlung (10) in Richtung auf das Objektiv (13) ablenkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (5) rotierbar oder verschwenkbar ist und/oder dass der zweite Spiegel (11) rotierbar oder verschwenkbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die ersten Linsenmittel (4) als Sammellinse ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zweiten Linsenmittel (7) als Sammellinse ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Linsenmittel (4) und/oder die zweiten Linsenmittel (7) derart in der Vorrichtung angeordnet sind, dass sie im Betrieb der Vorrichtung die abzulenkende Laserstrahlung (1) fouriertransformieren.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (5) in oder im Bereich der ausgangsseitigen Fourierebene der ersten Linsenmittel (4) und in oder im Bereich der eingangsseitigen Fourierebene der zweiten Linsenmittel (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgangsseitige Brennebene des ersten Linsenarrays (2) der eingangsseitigen Fourierebene der ersten Linsenmittel (4) entspricht oder im Bereich der eingangsseitigen Fourierebene der ersten Linsenmittel (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangsseitige Brennebene des zweiten Linsenarrays (8) der ausgangsseitigen Fourierebene der zweiten Linsenmittel (7) entspricht oder im Bereich der ausgangsseitigen Fourierebene der zweiten Linsenmittel (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein drittes Linsenarray (17) mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen (18) umfasst, das derart in der Vorrichtung angeordnet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung die durch das erste Linsenarray (2) hindurchgetretene Laserstrahlung (1) zumindest teilweise durch das dritte Linsenarray (17) hindurchtritt und die durch das dritte Linsenarray (17) hindurchgetretene Laserstrahlung (1) zumindest teilweise durch das zweite Linsenarray (8) hindurchtritt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Linsenarray (17) in der eingangsseitigen Brennebene des zweiten Linsenarrays (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl und/oder die Abmessungen der Linsen (9) des zweiten Linsenarrays (8) der Anzahl und/oder den Abmessungen der Linsen (3, 18) des ersten und/oder des dritten Linsenarrays (2, 17) entsprechen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (3) des ersten Linsenarrays (2) und/oder die Linsen (9) des zweiten Linsenarrays (8) und/oder die Linsen (18) des dritten Linsenarrays (17) als Zylinderlinsen ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachsen der Zylinderlinsen senkrecht zu der Richtung ausgerichtet sind, in der die Zylinderlinsen des jeweiligen Linsenarrays (3, 8, 17) nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Steuermittel umfasst, die im Betrieb der Vorrichtung den ersten Spiegel (5) mit einer ersten Geschwindigkeit bewegen und den zweiten Spiegel (11) mit einer zweiten Geschwindigkeit bewegen wobei die erste und die zweite Geschwindigkeit unterschiedlich sind.
Vorrichtung zum Ablenken von Licht, umfassend - ein erstes Linsenarray (2) mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen (3), - ein zweites Linsenarray (8) mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Linsen (9), - einen bewegbaren ersten Spiegel (5), der im Strahlengang des Lichts zwischen den beiden Linsenarrays (2, 8) angeordnet ist, - erste Linsenmittel (4), die zwischen dem ersten Linsenarray (2) und dem ersten Spiegel (5) angeordnet sind, - zweite Linsenmittel (7), die zwischen dem ersten Spiegel (5) und dem zweiten Linsenarray (8) angeordnet sind, wobei die ersten Linsenmittel (4) und/oder die zweiten Linsenmittel (7) derart in der Vorrichtung angeordnet sind, dass sie die ausgangsseitige Brennebene des ersten Linsenarrays (2) in die eingangsseitige Brennebene des zweiten Linsenarrays (8) abbilden, - ein Objektiv (13), das auf der von dem ersten Spiegel (5) abgewandten Seite des zweiten Linsenarrays (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für ein Lidar- oder ein Ladar-Verfahren oder für ein scannendes Beobachtungsverfahren oder ein Tracking-Verfahren geeignet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eines oder mehrere Merkmale nach einem der Ansprüche 2 bis 17 aufweist.
Vorrichtung für die Durchführung eines SLS- oder eines SLM-Verfahrens oder eines anderen scannenden Verfahrens, umfassend eine Vorrichtung zum Ablenken einer Laserstrahlung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 und/oder eine Vorrichtung zum Ablenken von Licht nach einem der Ansprüche 18 bis 20.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für die Durchführung eines Laser-TV-Verfahrens, eines Lidar- oder eines Ladar-Verfahrens, eines scannenden Beobachtungsverfahrens oder eines Tracking-Verfahrens geeignet ist.