DE102016207644A1

DE102016207644A1 - Vorrichtung zum Aussenden eines Laserstrahls und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102016207644A1
Application number: DE102016207644.2A
Authority: DE
Inventors: Benno Roesener; Maximilian Busch; Robert Kakonyi; Balazs Jatekos
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2017-11-09
Also published as: WO2017190876A1

Abstract

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren zum Aussenden eines Laserstrahls (51). Die Vorrichtung (10) ist ausgebildet mit: einer Laserquelle (12) zum Bereitstellen eines Laserstrahls (51); einer Ablenkeinrichtung (14), welche zum Ablenken des auf die Ablenkeinrichtung (14) auftreffenden bereitgestellten Laserstrahls (51) als abgelenkter Laserstrahl (52) ausgelegt ist; und einer optischen Einrichtung (16), welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der bereitgestellte Laserstrahl (51) zwischen der Laserquelle (12) und der Ablenkeinrichtung (14) mit mindestens einem ersten Bereich (71) der optischen Einrichtung (16) interagiert, und welche außerdem derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der abgelenkte Laserstrahl (52) mit mindestens einem zweiten Bereich (72) der optischen Einrichtung (16) interagiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aussenden eines Licht- oder Laserstrahls, insbesondere eine mikromechanische Vorrichtung zum Aussenden eines Licht- oder Laserstrahls und ein entsprechendes Herstellungsverfahren für eine solche Vorrichtung.
Stand der Technik
Mikromechanische Systeme, durch welche Laserstrahlen erzeugt und abgelenkt werden, werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Bei den sogenannten Laserscannern wird beispielsweise ein erzeugter Laserstrahl in eine oder zwei Dimensionen mittels eines Mikrospiegels abgelenkt, um durch den Laserstrahl ein Objekt oder einen Normbereich abzurastern bzw. abzuscannen. In der US 2010/079 836 A1 ist beispielhaft ein zweidimensionaler Laserscanner beschrieben. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung zum Aussenden eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
Demgemäß ist eine Vorrichtung zum Aussenden eines Laserstrahls vorgesehen, mit: einer Laserquelle zum Bereitstellen eines Laserstrahls; eine Ablenkeinrichtung, welche zum Ablenken des auf die Ablenkeinrichtung auftreffenden bereitgestellten Laserstrahls als abgelenkter Laserstrahl ausgelegt ist; und einer optischen Einrichtung, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der bereitgestellte Laserstrahl zwischen der Laserquelle und der Ablenkeinrichtung mit mindestens einem ersten Bereich der optischen Einrichtung interagiert, und welche außerdem derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der abgelenkte Laserstrahl mit mindestens einem zweiten Bereich der optischen Einrichtung interagiert.
Unter einem Interagieren ist insbesondere zu verstehen, dass der Laserstrahl durch die optische Einrichtung gebrochen, gebündelt, reflektiert und/oder in einer sonstigen Weise beeinflusst wird. Der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich sind voneinander verschieden und können insbesondere an verschiedenen Außenflächen der optischen Einrichtung angeordnet oder durch solche Außenflächen, insbesondere deren Innen- und/oder Außenseiten, gebildet sein. Die optische Einrichtung ist auch als ein Freiform-Bauelement bezeichenbar.
Die optische Einrichtung kann auch derart angeordnet und ausgebildet sein, dass der bereitgestellte Laserstrahl mehrmals, insbesondere auf verschiedene Arten, mit der optischen Einrichtung interagiert, bevor er auf die Ablenkeinrichtung auftrifft. Eine erste Interaktion kann beispielsweise in einem Brechen des Laserstrahls liegen und eine zweite Interaktion kann in einem Reflektieren des Laserstrahls liegen.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Aussenden eines Laserstrahls vorgesehen, mit den Schritten: Bereitstellen einer Laserquelle zum Bereitstellen eines Laserstrahls; Bereitstellen einer Ablenkeinrichtung, welche zum Ablenken des auf die Ablenkeinrichtung auftreffenden bereitgestellten Laserstrahls als abgelenkter Laserstrahl ausgelegt oder eingerichtet ist; und Bereitstellen und Anordnen einer optischen Einrichtung derart, dass der bereitgestellte Laserstrahl zwischen der Laserquelle und der Ablenkeinrichtung mit mindestens einem ersten Bereich der optischen Einrichtung interagiert und außerdem derart, dass der abgelenkte Laserstrahl mit mindestens einem zweiten Bereich der optischen Einrichtung interagiert.
Vorteile der Erfindung
Das Anordnen einer einzelnen optischen Einrichtung sowohl zwischen der Laserquelle und der Ablenkeinrichtung als auch zwischen der Ablenkeinrichtung und dem gewünschten Ziel des abgelenkten Laserstrahls ermöglicht es, dass lediglich dieses eine optische Element in die Vorrichtung eingepasst werden muss statt einer Vielzahl von einzelnen optischen Elementen, wie dies üblicherweise der Fall ist. Dadurch kann die Robustheit und Sensitivität der Vorrichtung verbessert werden. Die Erfindung ermöglicht weiterhin eine verbesserte Integrierbarkeit der Vorrichtung mit Leiterplatten und kann so ausgebildet werden, dass die Anzahl der benötigten Leiterplatten sich verringert. Insbesondere kann eine einzige Leiterplatte in der Vorrichtung vorgesehen sein. Die Erfindung ermöglicht es zudem, eine Vorrichtung zum Aussenden eines Laserstrahls mit verringerter Größe bereitzustellen. Außerdem ermöglicht es die Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung stark zu vereinfachen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft sowohl in einem, oder als ein, optischer Entfernungsmesser ausgebildet sein, als auch in einem, oder als ein, Partikeldetektor. Es ist auch eine Vorrichtung denkbar, welche sowohl als optischer Entfernungsmesser als auch als Partikeldetektor fungiert.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die optische Einrichtung derart ausgebildet, dass der bereitgestellte Laserstrahl durch die optische Einrichtung auf dem Weg zwischen der Laserquelle und der Ablenkeinrichtung gebrochen, insbesondere gebündelt wird. Somit kann eine brechende, insbesondere eine bündelnde Linse, zwischen der Laserquelle und der Ablenkeinrichtung entfallen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die optische Einrichtung derart ausgebildet, dass der bereitgestellte Laserstrahl zwischen der Laserquelle und der Ablenkeinrichtung an einer ersten Außenfläche der optischen Einrichtung reflektiert wird. Die erste Außenfläche der optischen Einrichtung kann somit beispielsweise einen fokussierenden Parabolspiegel oder Rundspiegel ersetzen.
Der Laserstrahl kann insbesondere durch die erste Außenfläche der optischen Einrichtung fokussiert oder parallelisiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der bereitgestellte Laserstrahl an einer Innenseite der ersten Außenfläche der optischen Einrichtung reflektiert. Mit anderen Worten muss bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der bereitgestellte Laserstrahl zunächst in die optische Einrichtung eintreten und diese zumindest teilweise oder ganz durchqueren, um auf die reflektierende Innenseite der ersten Außenfläche aufzutreffen. Die optische Einrichtung kann derart ausgebildet sein, dass bei dem Durchqueren der optischen Einrichtung der Laserstrahl bereits beeinflusst, beispielsweise gebündelt, gefiltert oder dergleichen, wird, bevor er auf die erste Oberfläche auftrifft.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der bereitgestellte Laserstrahl an einer Außenseite der ersten Außenfläche der optischen Einrichtung reflektiert. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Laserstrahl nicht durch die interne Struktur und die optischen Eigenschaften der optischen Eigenrichtung beeinflusst wird, bevor er auf die reflektierende Außenseite der ersten Außenfläche auftrifft.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die optische Einrichtung derart ausgebildet, dass der reflektierte Laserstrahl nach Verlassen der Ablenkeinrichtung durch die optische Einrichtung reflektiert und/oder gebündelt wird. Somit kann durch die optische Einrichtung mindestens ein weiteres optisches Element, beispielsweise ein bündelnder Spiegel, ersetzt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Rotationsachse eines Mikrospiegels der Ablenkeinrichtung senkrecht zu einer Einfallsebene des bereitgestellten Laserstrahls von der Laserquelle bis zu der Ablenkeinrichtung angeordnet. Somit ergibt sich eine erhöhte Designfreiheit für die Vorrichtung. Diese Rotationsachse des Mikrospiegels ist insbesondere die einzige Rotationsachse des Mikrospiegels, das heißt die einzige Achse, um die der Mikrospiegel zum Ablenken des bereitgestellten Laserstrahls drehbar gelagert ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Rotationsachse eines Mikrospiegels der Ablenkeinrichtung in einer Einfallsebene des bereitgestellten Laserstrahls von der Laserquelle bis zu der Ablenkeinrichtung angeordnet. Somit ergibt sich eine erhöhte Designfreiheit für die Vorrichtung. Diese Rotationsachse des Mikrospiegels ist insbesondere die einzige Rotationsachse des Mikrospiegels, das heißt die einzige Achse, um die der Mikrospiegel zum Ablenken des bereitgestellten Laserstrahls drehbar gelagert ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die optische Einrichtung einstückig ausgebildet, beispielsweise aus Glas oder einem Kunststoff, insbesondere aus einem Kunststoff mit optischer Qualität, wobei das jeweilige Material beschichtet, dotiert oder auf andere Weise behandelt, insbesondere oberflächenbehandelt sein kann. Die Ausbildung der optischen Einrichtung als einstückiges Bauteil heißt insbesondere, dass die optische Einrichtung in sich selbst nicht gefugt, geklebt, geschraubt oder in anderer Weise zusammengestückelt ist. Die Ausbildung als einstückiges Bauteil ermöglicht eine besonders einfache und präzise Anordnung der optischen Einrichtung in der Vorrichtung. Alternativ kann die optische Einrichtung jedoch auch aus zwei Bauteilen zusammengesetzt sein, beispielsweise um einen einfacheren Einbau oder eine technisch einfachere Herstellung zu ermöglichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Aussenden eines Laserstrahls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Senden eines Laserstrahls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Senden eines Laserstrahls gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Senden eines Laserstrahls gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Senden eines Laserstrahls gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6A eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Senden eines Laserstrahls gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6B eine schematische Draufsichtsansicht auf die Vorrichtung aus 6A;
7 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Senden eines Laserstrahls gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8A eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Senden eines Laserstrahls gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8B eine schematische Draufsichtsansicht auf die Vorrichtung aus 8A; und
9 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung zum Aussenden eines Laserstrahls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 10 zum Aussenden eines Laserstrahls 51 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Laserquelle 12 zum Bereitstellen eines Laserstrahls 51. Die Laserquelle 12 kann insbesondere zum Bereitstellen eines Infrarotlasers ausgebildet sein, das heißt insbesondere eines Lasers mit einer Wellenlänge von über 780 nm. Eine optische Einrichtung 16 der Vorrichtung 10 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass der bereitgestellte Laserstrahl 51 nach Verlassen der Laserquelle 12 auf einen ersten Bereich 71 der optischen Einrichtung 16 trifft und mit diesem interagiert, beispielsweise von dem ersten Bereich 71 der optischen Einrichtung 16 gebündelt, reflektiert, gebrochen, gebeugt oder in sonstiger Weise in seinen optischen Eigenschaften beeinflusst wird.
Die Vorrichtung 10 umfasst außerdem eine Ablenkeinrichtung 14, welche zum Ablenken von auf die Ablenkeinrichtung 14 auftreffenden Laserstrahlen 51 ausgelegt oder eingerichtet ist. Der bereitgestellte Laserstrahl 51 wird auch als abgelenkter oder reflektierter Laserstrahl 52 bezeichnet, nachdem er von der Ablenkeinrichtung 14 abgelenkt wurde, obwohl es sich immer noch um, unter Berücksichtigung der Beeinflussung durch die optische Einrichtung 16, denselben bereitgestellten Laserstrahl 51 handelt.
Die Laserquelle 12, die Ablenkeinrichtung 14 und die optische Einrichtung 16 sind derart angeordnet, dass der bereitgestellte Laserstrahl 51 nach der ersten Interaktion mit dem ersten Bereich 71 der optischen Einrichtung 16 auf die Ablenkeinrichtung 14 trifft, von wo aus der abgelenkte Laserstrahl 52 erneut auf die optische Einrichtung 16, und zwar auf einen zweiten Bereich 72 der optischen Einrichtung 16 trifft und mit diesem zweiten Bereich 72 interagiert.
Es kann vorgesehen sein, dass der bereitgestellte Laserstrahl 51 nach der Interaktion mit dem ersten Bereich 71 der optischen Einrichtung 16 noch ein oder mehrere Male mit weiteren Bereichen der optischen Einrichtung 16 interagiert, ehe er auf die Ablenkeinrichtung 14 auftritt.
Nach der Interaktion mit dem zweiten Bereich 72 der optischen Einrichtung 16 kann vorgesehen sein, dass der abgelenkte Laserstrahl 52 noch ein oder mehrere Male mit weiteren Bereichen der optischen Einrichtung 16 interagiert. Alternativ kann auch vorgesehen sein, das heißt die Vorrichtung kann entsprechend ausgebildet sein, dass der abgelenkte Laserstrahl 52 nach der Interaktion mit dem zweiten Bereich 72 aus der Vorrichtung 10 ausgekoppelt wird, beispielsweise mittels einer optionalen Auskoppeleinrichtung 18 der Vorrichtung 10. Die Auskoppeleinrichtung kann beispielsweise optische Elemente wie Linsen, Blenden und/oder Öffnungen und dergleichen umfassen. Alternativ kann der abgelenkte Laserstrahl 52 nach der Interaktion mit dem zweiten Bereich 72 bereits aus der Vorrichtung 10 ausgekoppelt sein. In diesem Fall wird durch die optische Einrichtung 16 somit auch das Ausbilden einer zusätzlichen Auskoppeleinrichtung vermieden.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 110 zum Aussenden eines Laserstrahls 51, 53, 54 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 110 ist eine Variante der Vorrichtung 10 und ist gemäß allen im Hinblick auf die Vorrichtung 10 beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen anpassbar und umgekehrt.
Die Vorrichtung 110 weist eine Ablenkeinrichtung 114 anstelle der Ablenkeinrichtung 14 der Vorrichtung 10 auf. Die Ablenkeinrichtung 114 weist ihrerseits einen um eine Rotationsachse bzw. Drehachse 130 schwenkbaren Mikrospiegel 132 und eine Aktoreinrichtung 134 auf. Die Aktoreinrichtung 134 ist zum Schwenken des Mikrospiegels 132 um die Drehachse 130 ausgelegt oder eingerichtet. In 2 ragt die Drehachse 130 des Mikrospiegels 132 in die Papierebene hinein. Der Mikrospiegel 132 ist gestrichelt in einer ersten, nach links verschwenkten Position dargestellt sowie mit ungebrochenen Linien in einer zweiten, nach rechts verschwenkten Position dargestellt.
Räumlich zwischen der Laserquelle 12 und der Ablenkeinrichtung 114 ist eine optische Einrichtung 116 anstelle der optischen Einrichtung 16 der Vorrichtung 10 angeordnet. Die optische Einrichtung 116 weist eine der Laserquelle 12 zugewandte erste, gekrümmt ausgebildete Außenfläche 171 auf, welche den ersten Bereich der optischen Einrichtung 116 darstellt, mit welchem der durch die Laserquelle 12 bereitgestellte Laserstrahl 51 interagiert, und zwar an deren Außenseite. Wie in 2 schematisch dargestellt, fungiert die erste Außenfläche 171, zusammen mit dem die Oberfläche 171 ausbildenden Abschnitt des Körpers der optischen Einrichtung 116, als eine fokussierende Linse, durch welche der durch die Laserquelle 12 aufgefächert erzeugte Laserstrahl 51 gebündelt, insbesondere parallelisiert wird. Die erste Außenfläche 171 kann, wie in 2 dargestellt, von der Ablenkeinrichtung 114 abgewandt angeordnet sein. Die erste Außenfläche 171 kann insbesondere konvex, das heißt zu der Laserquelle 12 hin ausgewölbt sein, wie in 2 angedeutet.
Nach dem Eintritt in die optische Einrichtung 116 durch die erste Außenfläche 171 durchquert der bereitgestellte Laserstrahl 51 die optische Einrichtung 116, tritt an einer dem Mikrospiegel 132 zugewandten dritten Außenfläche 173 der optischen Einrichtung 116 aus, wird durch den Mikrospiegel 132 je nach der aktuellen Stellung des Mikrospiegels 132 reflektiert, tritt durch die dritte Außenfläche 173 wieder in die optische Einrichtung 116 ein und tritt an einer zweiten Außenfläche 172 der optischen Einrichtung 116 wieder aus der optischen Einrichtung 116 aus.
Die zweite Oberfläche 172 als ein Bereich der optischen Einrichtung 116 ist vorzugsweise von dem Mikrospiegel 132 abgewandt. Wie in 2 gezeigt, kann die zweite Außenfläche 172 vorteilhaft so ausgebildet sein, dass der abgelenkte Laserstrahl 52, welcher als Bündel paralleler Laserstrahlen auf eine Innenseite der zweiten Außenfläche 172 auftrifft, durch diese zu sich zuspitzenden Lichtkegeln 53, 54 gebündelt oder fokussiert wird. Wie in 2 gezeigt, wird der abgelenkte Laserstrahl 52 in der ersten Stellung des Mikrospiegels 132 durch die zweite Außenfläche 172 zu einem ersten Lichtkegel 53 fokussiert und in der zweiten Stellung des Mikrospiegels 132 durch die zweite Außenfläche 172 zu einem zweiten Lichtkegel 54 fokussiert. Der erste und der zweite Lichtkegel 53, 54 sind in verschiedene Richtungen bzw. Raumwinkel gerichtet. Die zweite Außenfläche 172 ist vorteilhaft derart ausgebildet, dass die Lichtkegel 53, 54 in einer gewünschten Entfernung von der Vorrichtung 110 fokussiert sind.
Wird die Vorrichtung 110 etwa als Partikelsensor, z.B. für Staub oder Rauch, eingesetzt, können die Lichtkegel 53, 54 insbesondere in einer Entfernung von der zweiten Außenfläche 172 von fünf bis fünzehn, insbesondere von acht bis zwölf, bevorzugt von neun bis elf, besonders bevorzugt von zehn Millimetern fokussiert sein oder werden. Wird die Vorrichtung 110 als optischer Entfernungsmesser eingesetzt, können die Lichtkegel 53, 54 insbesondere in einer Entfernung von der zweiten Außenfläche 172 von dreihundert Millimetern oder mehr fokussiert sein oder werden.
Zusätzlich können die zweite Außenfläche 172 und/oder die dritte Außenfläche 173 so ausgebildet sein, dass sie Aberrationen kompensiert und/oder unerwünschte Reflexionen in der Vorrichtung 110 eliminiert oder minimiert. Die dritte Außenfläche 173 kann derart ausgebildet sein, dass sowohl der auf sie auftreffende bereitgestellte Laserstrahl 51 als auch der auf sie auftreffende abgelenkte Laserstrahl 52 ungebrochen, oder im Wesentlichen ungebrochen, durch die Außenfläche 173 hindurchtreten.
Bei der Vorrichtung 110 ist die Drehachse 130 des Mikrospiegels 132 senkrecht zur Einfallsebene des bereitgestellten Laserstrahls 51 auf den Mikrospiegel 132 angeordnet.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 210 zum Aussenden eines Laserstrahls 51 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 210 ist eine Variante der Vorrichtung 110 und ist gemäß allen in Bezug auf die Vorrichtungen 10 und 110 beschriebenen Modifikationen und Varianten anpassbar und umgekehrt, sofern nicht explizit etwas anderes beschrieben ist.
Die Vorrichtung 210 unterscheidet sich von der Vorrichtung 110 in der Ausbildung der dritten Außenfläche 273, sowie in den Eigenschaften der optischen Einrichtung 216 der Vorrichtung 210, welche die optische Einrichtung 116 der Vorrichtung 110 ersetzt, insbesondere was den Weg der bereitgestellten Laserstrahlen 51 zwischen der Laserquelle 12 und der Ablenkeinrichtung 114 angeht.
Auch bei der Vorrichtung 210 ist die Drehachse 130 des Mikrospiegels 132 senkrecht zur Einfallsebene des bereitgestellten Laserstrahls 51 von der Laserquelle 12 zu dem Mikrospiegel 132 hin ausgerichtet. Bei der Vorrichtung 210 ist die Laserquelle 12 jedoch derart ausgerichtet, dass der bereitgestellte Laserstrahl 51 nicht auf die Ablenkeinrichtung 114 treffen würde, wenn die optische Einrichtung 216 entfernt würde, während bei der Vorrichtung 110 bei Entfernen der optischen Einrichtung 116 der bereitgestellte Laserstrahl 51 von der Laserquelle 12 direkt auf den Mikrospiegel 132 treffen würde.
Bei der Vorrichtung 210 ist eine erste Außenfläche 271 der optischen Einrichtung 216, welche ebenso konvex und bündelnd, insbesondere parallelisierend, ausgebildet sein kann wie die erste Außenfläche 171 der Vorrichtung 110, an einer der Ablenkeinrichtung 114 zugewandten dritten Außenfläche 273 der optischen Einrichtung 216 ausgebildet. Der durch die erste Außenfläche 271 gebündelt in die optische Einrichtung 216 eintretende Laserstrahl 51 trifft nach Durchqueren der optischen Einrichtung 216 auf eine reflektierende, insbesondere total reflektierende, Innenseite einer vierten Außenfläche 274 der optischen Einrichtung 216. Die vierte Außenfläche 274 ist an einer von der Ablenkeinrichtung 114 abgewandten Außenseite der optischen Einrichtung 216 ausgebildet, welche nahtlos in die zweite Außenfläche 172 übergeht, wie sie in Bezug auf die Vorrichtung 110 bereits beschrieben wurde.
An der Innenseite der vierten Außenfläche 274 wird der bereitgestellte Laserstrahl 51 derart reflektiert, dass er in Richtung der Ablenkeinrichtung 114 geleitet wird, wobei er zunächst auf eine Innenseite 275 der dritten Außenfläche 273 der optischen Einrichtung 216 trifft. An der Innenseite 275 der dritten Außenfläche 273 wird der Laserstrahl 51 zu dem Mikrospiegel 132 hin gebrochen und trifft dann auf den Mikrospiegel 132 auf. An dem Mikrospiegel 132 wird der Laserstrahl 51 wieder auf die dritte Außenfläche 273 reflektiert, wo er wiederum gebrochen wird und, nach Durchqueren der optischen Einrichtung 216, auf die zweite Oberfläche 172 von innen auftrifft, wie in Bezug auf 2 bereits beschrieben, so dass sich die ausgehenden Lichtkegel 53, 54 bilden.
Die vierte Außenfläche 274 kann dadurch reflektierend ausgebildet sein, dass von außen eine selektive Metallisierung auf einer Außenseite der vierten Außenfläche 274 aufgebracht wird. Alternativ zur Metallisierung kann auch eine Materialabscheidung zum Ausbilden eines dielektrischen Spiegels an der Außenseite der vierten Außenfläche 274 durchgeführt werden. Alternativ kann die Innenseite der vierten Außenfläche 274 auch dadurch zum Spiegel werden, dass sie durch die Laserquelle in einem Winkel angestrahlt ist bzw. wird, der kleiner als der Totalreflexionswinkel der Innenseite der vierten Außenfläche 274 ist.
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch eine Vorrichtung 310 zum Aussenden eines Laserstrahls 51 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 310 ist eine Variante der Vorrichtung 210 und ist gemäß allen in Bezug auf die Vorrichtung 110 oder die Vorrichtung 210 beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen anpassbar und umgekehrt, sofern nicht explizit etwas anderes beschrieben ist. Die Vorrichtung 310 unterscheidet sich von der Vorrichtung 210 durch eine optische Einrichtung 316 der Vorrichtung 310, welche an die Stelle der optischen Einrichtung 216 der Vorrichtung 210 tritt.
Die optische Einrichtung 316 weist, wie die optische Einrichtung 116 der Vorrichtung 110, eine der Ablenkeinrichtung 114 zugewandte dritte Außenfläche 173 auf, welche als glatte Fläche ausgebildet ist. Im Vergleich zu der optischen Einrichtung 216 der Vorrichtung 210 ist an der optischen Einrichtung 316 somit an der Außenfläche 173 keine gekrümmte Struktur, wie etwa die erste Oberfläche 271 der Vorrichtung 210, ausgebildet. Der bereitgestellte Laserstrahl 51 der Laserquelle 12 trifft auf die dritte Außenfläche 173 der optischen Einrichtung 316, durchquert die optische Einrichtung 316 und trifft auf eine Innenseite einer vierten Außenfläche 374 der optischen Einrichtung 316 anstelle der Innenseite der vierten Außenfläche 274 der optischen Einrichtung 216 der Vorrichtung 210. Die vierte Außenfläche 374 ist als spiegelnde und gleichzeitig bündelnde Oberfläche, ähnlich einem Parabolspiegel ausgebildet. Die vierte Außenfläche 374 kann in derselben Art reflektierend ausgebildet sein, wie im Voranstehenden in Bezug auf die vierte Außenfläche 274 der optischen Einrichtung 216 der Vorrichtung 210 beschrieben. Nach dem Reflektieren des bereitgestellten Laserstrahls 51 durch die Innenseite der vierten Außenfläche 374 verläuft der Weg des Laserstrahls 51 wie in Bezug auf die Vorrichtung 210 in 3 beschrieben.
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch eine Vorrichtung 410 zum Aussenden eines Laserstrahls 51 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 410 ist als eine Variante der Vorrichtung 310 bezeichenbar und ist gemäß allen in Bezug auf die Vorrichtung 310 beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen anpassbar und umgekehrt, sofern nicht explizit etwas anderes beschrieben ist.
Die Vorrichtung 410 funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie die Vorrichtung 310, insofern ein spiegelndes Element der optischen Einrichtung gleichzeitig zum Bündeln des aufgefächert bereitgestellten Laserstrahls 51 und zum Lenken dieses gebündelten Laserstrahls auf den Mikrospiegel 132 verwendet wird. Im Gegensatz zu der konvexen vierten Außenfläche 374 der optischen Einrichtung 316 der Vorrichtung 310, auf deren Innenseite der Laserstrahl 51 auftrifft, wird bei der Vorrichtung 410 eine konkave Oberfläche 471 der optischen Einrichtung 416 der Vorrichtung 410 verwendet, auf deren Außenseite der bereitgestellte Laserstrahl 51 auftrifft.
Die Außenseite der Außenfläche 471 kann durch die auch in Bezug auf die Außenseite 274 der optischen Einrichtung 216 der Vorrichtung 210 genannten Mittel spiegelnd ausgebildet werden, das heißt insbesondere durch Metallisierung oder dielektrische Spiegelausbildung. Der von der Außenseite der Außenfläche 471 reflektierte Laserstrahl 51 wird, insbesondere ohne ein weiteres Mal die optische Einrichtung 416 zu durchqueren oder zu berühren, direkt auf den Mikrospiegel 132 gelenkt, von welchem er wiederum auf die Außenseite der dritten Außenfläche 173 gelenkt wird, welche der Ablenkeinrichtung 114 mit dem Mikrospiegel 132 zugewandt ist. An der dritten Außenfläche 173 wird der abgelenkte Laserstrahl 52 gebrochen, wobei insbesondere Aberrationen kompensiert werden können. Außerdem kann durch das Brechen eine Form des abgelenkten Laserstrahls 52 modifiziert werden, um störende Reflexionen zu vermindern oder zu eliminieren. Die gleiche Funktion kann auch die dritte Außenfläche 173 in den Vorrichtungen 110, 210 oder 310 erfüllen.
Der Bereich der optischen Einrichtung 416, welcher die Außenfläche 471 aufweist, kann mit dem Bereich der optischen Einrichtung 416, welcher die zweite Außenfläche 172 und die dritte Außenfläche 173 aufweist, einstückig ausgebildet sein. Alternativ können die beiden genannten Bereiche auch miteinander verklebt oder in sonstiger Weise aneinander gefügt sein, insbesondere wenn, wie in 5 dargestellt, der Strahlengang des Laserstrahls 51, 52 die Klebe- bzw. Fügestelle nicht durchquert.
6A zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch eine Vorrichtung 510 zum Aussenden des Laserstrahls 51 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 510 ist als eine Variante der Vorrichtung 210 bezeichenbar und ist gemäß allen in Bezug auf die Vorrichtung 210 beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen anpassbar und umgekehrt, sofern nicht explizit etwas anderes beschrieben ist.
Die Vorrichtung 510 unterscheidet sich von der Vorrichtung 210 vornehmlich darin, dass bei der Vorrichtung 510 die Drehachse 130 des Mikrospiegels 132 der Ablenkeinrichtung 114 gegenüber der Drehachse 130 des Mikrospiegels 132 der Ablenkeinrichtung 114 in der Vorrichtung 210 um 90° gedreht angeordnet ist. Dadurch ergibt sich, dass die verschiedenen Lichtkegel 53, 54, welche durch die zweite Außenfläche 172 geformt und aus der optischen Einrichtung 216 ausgeleitet werden, bei verschiedenen Stellungen des Mikrospiegels 132 nicht in einer Richtung innerhalb der Einfallsebene des Laserstrahls 51 zwischen der Laserquelle 12 und der Ablenkeinrichtung 114 verschoben werden, sondern in einer Richtung senkrecht zu dieser. Die Drehachse 130 des Mikrospiegels 132 ist in der Vorrichtung 510 entsprechend innerhalb dieser Einfallsebene angeordnet.
Eine Anordnung der Drehachse des Mikrospiegels in der Einfallsebene des Laserstrahls 51 zwischen der Laserquelle 12 und der Ablenkeinrichtung, sodass die verschiedenen Lichtkegel bei verschiedenen Stellungen des Mikrospiegels nicht in einer Richtung innerhalb der Einfallsebene des Laserstrahls verschoben werden, sondern in einer Richtung senkrecht zu der Einfallsebene, ist bei allen voranstehend beschriebenen Vorrichtungen 110, 210, 310 und 410 und auch bei den nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen möglich.
6B zeigt eine schematische Draufsichtsansicht auf die Vorrichtung 510, und zwar aus der Richtung von rechts in 6A. Die Aktoreinrichtung 134 ist dabei nur schematisch und nur teilweise dargestellt, um die Position der Drehachse 130 zu verdeutlichen. Dementsprechend ist die zweite Außenfläche 172 vorteilhaft nicht nur in der Einfallsebene des Laserstrahls 51 von der Laserquelle 12 zur Ablenkeinrichtung 114 konvex geformt, sondern auch, wie in 6B gezeigt, in einer Ebene senkrecht zu dieser Einfallsebene. 7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 610 zum Aussenden eines Laserstrahls 51 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der Vorrichtung 610 trifft der von der Laserquelle 12 bereitgestellte Laserstrahl 51 zunächst auf eine Außenseite einer Außenfläche 671 einer optischen Einrichtung 616 der Vorrichtung 610. Die Außenseite der Außenfläche 671 ist, ähnlich wie die Außenseite der Außenfläche 471 der optischen Einrichtung 416 der Vorrichtung 410, als reflektierender und bündelnder Spiegel ausgebildet, beispielsweise wie in Bezug auf die besagte Außenfläche 471 beschrieben.
Durch die Außenfläche 671 wird der Laserstrahl 51, insbesondere ohne ein weiteres Mal die optische Einrichtung 616 zu durchqueren oder zu berühren, auf den Mikrospiegel 132 der Ablenkeinrichtung 114 gelenkt, von wo er als abgelenkter Laserstrahl 52, je nach der entsprechenden Stellung des Mikrospiegels 132, auf eine Außenseite einer weiteren konkaven Außenfläche 672 der optischen Einrichtung 616 geleitet wird. Die Außenseite der konkaven Oberfläche 672 ist zum Reflektieren und zum Bündeln des abgelenkten Laserstrahls 52 zu den Lichtkegeln 53, 54 ausgebildet, wobei die Lichtkegel 53, 54 in einer gewünschten Entfernung fokussiert sind. Auch die reflektierende Außenfläche 672 kann durch die in Bezug auf die Außenfläche 471 der optischen Einrichtung 416 der Vorrichtung 410 beschriebenen technischen Mittel ausgebildet sein.
Die optische Einrichtung 616 kann vorteilhaft einstückig ausgebildet sein, das heißt insbesondere aus einem fugenlosen einteiligen Körper aus Glas oder Kunststoff, wobei die Außenflächen 671, 672 in der vorgenannten Weise behandelt sein können. Ein erster Bereich der optischen Einrichtung 616, welcher die Außenfläche 671 aufweist, kann alternativ aber auch mit einem zweiten Bereich der optischen Einrichtung 616, welcher die Außenfläche 672 aufweist, zusammengefügt, beispielsweise geklebt sein. Hierdurch kann eine Herstellung der optischen Einrichtung 616 unter Umständen erleichtert sein.
8A zeigt eine schematische Querschnittsansicht auf eine Vorrichtung 710 zum Aussenden eines Laserstrahls 51 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 710 ist als eine Variante der Vorrichtung 610 bezeichenbar und ist gemäß allen in Bezug auf die Vorrichtung 610 beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen anpassbar und umgekehrt.
Die Vorrichtung 710 unterscheidet sich von der Vorrichtung 610 in einer optischen Einrichtung 716 der Vorrichtung 710 anstelle der optischen Einrichtung 616 der Vorrichtung 610. Die optische Einrichtung 710 weist eine Außenfläche 671 auf, die ausgebildet ist wie in Bezug auf die optische Einrichtung 616 der Vorrichtung 610 beschrieben. Der durch die Laserquelle 12 bereitgestellte Laserstrahl 51 wird somit durch die Außenseite der Außenfläche 671 reflektiert und gebündelt ohne weiteren Kontakt mit der optischen Einrichtung 716 auf den Mikrospiegel 132 der Ablenkeinrichtung 114 geleitet. Der abgelenkte Laserstrahl 52 trifft auf eine Außenseite einer Außenfläche 772 der Vorrichtung 710, welche ebenfalls als bündelnde, reflektierende Außenfläche ausgebildet ist, wie in Bezug auf die Außenfläche 671 der optischen Einrichtung 616 der Vorrichtung 610 beschrieben.
Die durch die reflektierende und bündelnde Außenfläche 772 erzeugten Lichtkegel 53, 54 sind insbesondere parallel sowohl zueinander als auch zu der Drehachse 130 des Mikrospiegels 132 angeordnet. Dies ist beispielsweise in 8B ersichtlich.
8B zeigt eine schematische Draufsichtsansicht der Vorrichtung 710 aus 8A aus einer Richtung in 8A links. Die Aktoreinrichtung 134 ist dabei nur schematisch und nur teilweise dargestellt, und die Laserquelle 12 ist gar nicht dargestellt, um die Position der Drehachse 130 zu verdeutlichen.
In Zusammenschau der 8A und 8B ist ersichtlich, dass die Außenfläche 772 sowohl in einer Ebene senkrecht zur Drehachse 130 des Mikrospiegels 132 als auch in einer Ebene parallel zu der Drehachse 130 des Mikrospiegels 132 gekrümmt ist.
Wenn durch den Mikrospiegel 132, genauer gesagt durch dessen reflektierende Oberfläche, in der Ruhelage des Mikrospiegels 132 eine virtuelle Ebene gezogen wird, ist die Außenfläche 772 der optischen Einrichtung 716 so ausgebildet, dass bei verschiedenen Stellungen des Mikrospiegels 132 der abgelenkte Laserstrahl 52, gemessen durch ein Lot auf die genannte virtuelle Ebene, in verschiedenen Entfernungen von der virtuellen Ebene auf die Außenfläche 772 auftrifft und somit die erzeugten Lichtkegel 53, 54 voneinander in einer Richtung senkrecht zu der virtuellen Ebene beabstandet sind, wie in 8B gezeigt.
Die optische Einrichtung 716 kann vorteilhaft einstückig ausgebildet sein, das heißt insbesondere aus einem fugenlosen einteiligen Körper aus Glas oder Kunststoff, wobei die Außenflächen 671, 772 in der vorbeschriebenen Weise behandelt sein können. Ein erster Bereich der optischen Einrichtung 716, welcher die Außenfläche 671 aufweist, kann alternativ aber auch mit einem zweiten Bereich der optischen Einrichtung 716, welcher die Außenfläche 772 aufweist, zusammengefügt, beispielsweise geklebt sein. Hierdurch kann eine Herstellung der optischen Einrichtung 716 unter Umständen erleichtert sein.
9 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung 10; 110; 210; 310; 410; 510; 610; 710 zum Aussenden eines Laserstrahls 51 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß 9 ist zum Herstellen jeder der erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10; 110; 210; 310; 410; 510; 610; 710 verwendbar und ist gemäß allen in Bezug auf diese erfindungsgemäßen Vorrichtungen beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen anpassbar und umgekehrt.
In einem Schritt S01 wird eine Laserquelle 12 zum Bereitstellen eines Laserstrahls 51 bereitgestellt.
In einem Schritt S02 wird eine Ablenkeinrichtung 14; 114 bereitgestellt, welche zum Ablenken des auf die Ablenkeinrichtung 14; 114 auftreffenden bereitgestellten Laserstrahls 51 als einem reflektierten Laserstrahl 52 ausgelegt oder eingerichtet ist.
In einem Schritt S03 wird eine optische Einrichtung 16; 116; 216; 316; 416; 616; 716 derart bereitgestellt, dass der bereitgestellte Laserstrahl 51 zwischen der Laserquelle 12 und der Ablenkeinrichtung 14; 114 mit mindestens einem ersten Bereich 71; 171; 271, 274; 374; 471; 671 interagiert und außerdem derart, dass der abgelenkte Laserstrahl 52 mit mindestens einem zweiten Bereich 72; 172; 273, 172; 672; 772 interagiert. Unter einem Interagieren kann insbesondere ein Reflektieren, Brechen, Bündeln und/oder Transmittieren des Laserstrahls 51 verstanden werden.
Das Bereitstellen der optischen Einrichtung 16; 116; 216; 316; 416; 616; 716 kann insbesondere ein Fügen der optischen Einrichtung 16; 116; 216; 316; 416; 616; 716 aus zwei oder mehr Teilen umfassen, wobei die einzelnen Teile jeweils aus Glas und/oder Kunststoff, insbesondere Kunststoff mit optischer Qualität, ausgebildet sein können oder solche Materialien umfassen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/079836 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (10; 110; 210; 310; 410; 510; 610; 710) zum Aussenden eines Laserstrahls (51), mit: einer Laserquelle (12) zum Bereitstellen eines Laserstrahls (51); einer Ablenkeinrichtung (14), welche zum Ablenken des auf die Ablenkeinrichtung (14) auftreffenden bereitgestellten Laserstrahls (51) als abgelenkter Laserstrahl (51, 52) ausgelegt ist; und einer optischen Einrichtung (16; 116; 216; 316; 416; 616; 716), welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der bereitgestellte Laserstrahl (51) zwischen der Laserquelle (12) und der Ablenkeinrichtung (14) mit mindestens einem ersten Bereich (71; 171; 271, 274; 271, 374; 471; 671) der optischen Einrichtung (16; 116; 216; 316; 416; 616; 716) interagiert, und welche außerdem derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der abgelenkte Laserstrahl (51, 52) mit mindestens einem zweiten Bereich (72; 172; 273, 172; 173, 172; 672; 772) der optischen Einrichtung (16; 116; 216; 316; 416; 616; 716) interagiert.
Vorrichtung (10; 110; 210; 310; 410; 510; 610) nach Anspruch 1, wobei die optische Einrichtung (16; 116; 216; 316; 416; 616) derart ausgebildet ist, dass der bereitgestellte Laserstrahl (51) durch die optische Einrichtung (16; 116; 216; 316; 416; 616) auf dem Weg zwischen der Laserquelle (12) und der Ablenkeinrichtung (14) gebrochen wird.
Vorrichtung (210; 310; 410; 510; 610; 710) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die optische Einrichtung (216; 316; 416; 616; 716) derart ausgebildet ist, dass der bereitgestellte Laserstrahl (51) zwischen der Laserquelle (12) und der Ablenkeinrichtung (114) an einer ersten Außenfläche (274; 374; 471; 671) der optischen Einrichtung (216; 316; 416; 616; 716) reflektiert wird.
Vorrichtung (210; 310; 510) nach Anspruch 3, wobei der bereitgestellte Laserstrahl (51) an einer Innenseite der ersten Außenfläche (274; 374) der optischen Einrichtung (216; 316) reflektiert wird.
Vorrichtung (410; 610; 710) nach Anspruch 3 der bereitgestellte Laserstrahl (51) an einer Außenseite der ersten Außenfläche (471; 671) reflektiert wird.
Vorrichtung (610; 710) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die optische Einrichtung (616; 716) derart ausgebildet ist, dass der abgelenkte Laserstrahl (52) nach Verlassen der Ablenkeinrichtung (114) durch die optische Einrichtung (616; 716) reflektiert und gebündelt wird.
Vorrichtung (110; 210; 310; 410; 510) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der abgelenkte Laserstrahl (52) nach Verlassen der Ablenkeinrichtung (114) durch die optische Einrichtung (116; 216; 316; 416) gebrochen und gebündelt wird.
Vorrichtung (110; 210; 310; 410; 610; 710) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Rotationsachse (130) eines Mikrospiegels (132) der Ablenkeinrichtung (114) senkrecht zu einer Einfallsebene des bereitgestellten Laserstrahls (51) von der Laserquelle (12) bis zu der Ablenkeinrichtung (114) angeordnet ist.
Vorrichtung (510) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Rotationsachse (130) eines Mikrospiegels (132) der Ablenkeinrichtung (114) in einer Einfallsebene des bereitgestellten Laserstrahls (51) von der Laserquelle (12) bis zu der Ablenkeinrichtung (114) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die optische Einrichtung (16; 116; 216; 316; 416; 616; 716) einstückig ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung (10; 110; 210; 310; 410; 510; 610) zum Aussenden eines Laserstrahls (51), mit den Schritten: Bereitstellen (S01) einer Laserquelle (12) zum Bereitstellen eines Laserstrahls (51); Bereitstellen (S02) einer Ablenkeinrichtung (14; 114), welche zum Ablenken des auf die Ablenkeinrichtung (14; 114) auftreffenden bereitgestellten Laserstrahls (51) als abgelenkter Laserstrahl (52) ausgelegt ist; und Bereitstellen und Anordnen (S03) einer optischen Einrichtung (16; 116; 216; 316; 416; 616; 716) derart, dass der bereitgestellte Laserstrahl (51) zwischen der Laserquelle (12) und der Ablenkeinrichtung (14; 114) mit mindestens einem ersten Bereich (71; 171; 271, 274; 271, 374; 471; 671) der optischen Einrichtung (16; 116; 216; 316; 416; 616) interagiert, und außerdem derart, dass der abgelenkte Laserstrahl (52) mit mindestens einem zweiten Bereich (72; 172; 273, 172; 173, 172; 672; 772) der optischen Einrichtung (16; 116; 216; 316; 416; 616; 716) interagiert.