DE102017217121A1

DE102017217121A1 - Anordnung eines optischen Systems und Temperierungsverfahren

Info

Publication number: DE102017217121A1
Application number: DE102017217121.9A
Authority: DE
Inventors: Dmitriy Mikhaylov; Roland Gauch; Damir Shakirov; Thomas Kiedrowski
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Ausgegangen wird von einer Anordnung eines optischen Systems mit mindestens einem optischen Element und einer elektromagnetische Wellen emittierenden Strahlungsquelle, beispielsweise einem Laser. Das optische Element umfasst zumindest einen Einstrahlbereich für die elektromagnetische Strahlung. Unter Einwirkung der elektromagnetischen Strahlung weist das optische Element lokale Bereiche unterschiedlicher Erwärmung auf, wodurch sich insbesondere in einem Funktionsbereich oder -fläche des Einstrahlbereichs eine Temperaturverteilung mit voneinander unterschiedlichen Temperaturwerten ausbildet. Zusätzlich umfasst die Anordnung eine Heizvorrichtung, die ausgebildet ist, zumindest in lokalen Bereichen mit erniedrigter Erwärmung durch Einbringen einer Wärmeenergie die Temperaturwerte zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft eine ein optisches Element enthaltende Anordnung eines optischen Systems sowie ein Temperierungsverfahren an dem optischen Element gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Im Bereich der Optik, insbesondere in strahlführenden Systemen, sind häufig thermische Effekte im Sinne der Erwärmung einzelner optischer Bauteile (beispielsweise Spiegel, Linsen, Gitter, usw.) zu beobachten. Diese Erwärmung wird in der Regel auch von einer thermischen Ausdehnung begleitet. Zum Schutz der optischen Bauteile und zur Gewährleistung der Qualität der Strahlführung ist meistens deshalb eine Kühlung dieser Systeme erforderlich. Die Kühlung der derzeitig verfügbaren Systeme ist dabei global auf das gesamte optische Bauteil ausgerichtet d.h. auf Basis der Gesamtenergiebilanz ausgelegt. Den so ausgelegten Kühlsystemen gelingt es zwar die eingebrachte Wärme abzuführen, sie berücksichtigen aber nicht den genauen Ort der Wärmeentstehung sowie die dadurch induzierten Eigenschaftsänderungen (Änderung der optischen Eigenschaften, inhomogene Ausdehnung, usw.). Diese sind als Störgrößen zu betrachten, welche das Gesamtergebnis einer strahlungsbedingten Messung oder Materialbearbeitung negativ beeinflussen können.
Die Intensitäts- bzw. Fluenzverteilung eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene bzw. in einer Abbildungsebene spielt eine große Rolle beispielsweise für die Ergebnisse eines Laserbearbeitungsprozesses oder der Qualität einer Projektion und bildet somit einen wichtigen Parameter in der Lasermaterialbearbeitung als auch in der Laserprojektion. Mit der Zielsetzung präziser Ergebnisse ist es daher erforderlich, eine Verfälschung der Intensitäts- bzw. Fluenzensverteilung eines Laserstrahls in der Bearbeitungsebene bzw. in der Abbildungsebene während der Strahlformung und/oder der Strahlführung so weit wie möglich auszuschließen bzw. zu minimieren.
In der 1a ist ein optisches Element 10 gezeigt, beispielsweise ein Spiegel. Dieser weist einen Einstrahlbereich 15 für elektromagnetische Strahlung auf, beispielsweise ein Laserstrahl 50 mit einem definierten Strahlungsprofil 60, d.h. mit über den Laserstrahlquerschnitt verteilten unterschiedlichen Intensitätswerten 60.1, 60.2, 60.3, 60.x. Im Einstrahlbereich 15 weist der Spiegel 10 eine Funktionsfläche auf, die als Reflektionsfläche 11 ausgebildet ist. Ein auf die Funktionsfläche 11 einfallender Laserstrahl 51 wird als abgehender Laserstrahl 52 von der Funktionsfläche 11 reflektiert. Ein Teil der im eingehenden Laserstrahl 51 enthaltenen Laserenergie wird dabei von dem Material des Spiegels 10 absorbiert. Aufgrund der nur teilflächigen Bestrahlung der Funktionsfläche 11 und der ungleichen Intensitätsverteilung innerhalb des Laserstrahls 51 bilden sich im Spiegel Bereiche 16 unterschiedlicher Erwärmung aus. Insbesondere bildet sich dadurch auf der Reflektionsfläche 11 eine Temperaturverteilung 70 mit voneinander unterschiedlichen Temperaturwerten 70.1, 70.2, 70.3, 70.x aus. Infolge der inhomogenen Temperaturverteilung 70 kommt es an der Reflektionsfläche 11 beispielsweise zu lokal unterschiedlichen thermisch bedingten Materialausdehnungen, durch welches u.a. das Reflektionsverhalten lokal verändert wird. Dies kann dazu führen, dass der einfallende Laserstrahl 51 nach der Reflektion als abgehender Laserstrahl 52 ein unzulässig verändertes Strahlprofil aufweist. Die inhomogene Temperaturverteilung 70 begünstigt die Entstehung einer unerwünschten thermischen Linse. Die thermisch bedingten Materialausdehnungen können zusätzlich auch begründet sein durch Bereiche unterhalb der Funktionsfläche, so dass diese insgesamt als relevante Funktionsbereiche betrachtet werden können.
In 1b ist der Spiegel 10 mit einer Kühlvorrichtung 20 gezeigt. Hierbei ist ein Entwärmungsbereich 14 des Spiegels 10 mit einem Kühlbereich 24 der Kühlvorrichtung 20 ganzflächig wärmeleitend verbunden. Die Kühlvorrichtung 20 ist beispielsweise als Kühlblock mit lokal gleicher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Alternativ ist die Kühlvorrichtung 20 ein Peltier-Element mit einer weitestgehend homogenen Kühlertemperatur. Derartige oder vergleichbare Kühlvorrichtungen ermöglichen eine Entwärmung des Spiegels 10 durch einen örtlichen und zeitlich möglichst ungerichteten und ungehinderten, d.h. maximalen Wärmeabfluss. Auf diese Weise können die einzelnen Temperaturwerte 60.1, 60.2, 60.3, 60.x auf der Funktionsfläche 11 zwar abgesenkt werden, allerdings unterscheiden sie sich weiterhin in ihren Beträgen.
In den 1a und 1b kann das optische Element 10 auch ein sogenannter SLM-Chip (Spatial Light Modulator) sein. Ein solcher SLM-Chip ist insbesondere ein programmierbarer Strahlformer zur Beeinflussung der örtlichen und zeitlichen Intensitätsverteilung eines Laserstrahls. Derartige Strahlformer sind auf Basis von Flüssigkristall-Displays oder als „Digital Micromirror Device“ in Form von ein- oder zweidimensionalen Anordnungen bewegbarer Spiegel bekannt. Die Spatial Light Modulators bewirken örtliche Phasenänderungen durch Änderung der optischen Weglänge oder des Brechungsindex. Bei Kenntnis der Eigenschaften des Eingangsstrahls kann mit ihnen eine gewünschte Form einer Wellenfront eines Ausgangsstrahls gezielt eingestellt werden. Auch kann mittels eines SLM im Fernfeld auf einer Arbeitsfläche der Laser-Bearbeitungsanlage eine gewünschte Intensitätsverteilung des Laserstrahls und damit eine gewünschte Strahlform eingestellt werden. In 1c ist beispielsweise ein Aufbau eines SLM-Chips 10 als Flüssigkristall-Display gezeigt. Dieser ist in der Regel mehrschichtig aufgebaut und umfasst in der gezeigten Ausführung als erste Schicht ein Glassubstrat 10a zur mechanischen Montage einer transparenten ersten Elektrode 10b. Eine Flüssigkristallschicht 10d ist zwischen zwei diese abschließende Ausgleichsschichten 10c angeordnet. Der bisherigen Anordnung folgt ein Spiegel 10e als eine Reflektionsfläche 11 für auf den SLM-Chip gerichtete elektromagnetische Strahlung 50 und eine weitere in einer Matrixform ausgebildete Elektrode 10f. Der Abschluss ist gebildet durch beispielsweise ein Siliziumsubstrat 10g (silicon backplane) und einen Keramikkörper 10h. In Abhängigkeit einer Steuerspannung in der Matrix der weiteren Elektrode 10f, richten sich die Flüssigkristalle der Flüssigkristallschicht 10d unter einem bestimmten Winkel aus und können somit die Phase eines auf den SLM-Chip gerichteten Strahls unterschiedlich verzögern/modulieren. In der 1d ist der SLM-Chip 10 aus der 1c nochmals gezeigt, zusätzlich bestrahlt mit einer elektromagnetischen Strahlung 50. Insbesondere bei einer teilflächigen Bestrahlung und/oder einer Bestrahlung mit hoher Energieleistung, beispielsweise durch einen Laserstrahl, kann sich dann ein sogenannter Hotspot HS - Bereich besonders erhöhter Temperaturwerte - ergeben. Aufgrund der innerstrukturellen unterschiedlichen Entwärmung des SLM-Chips konnte eine mechanische Verformung an den zuvor beschriebenen Anordnungsschichten, insbesondere an der unteren Ausgleichschicht 10c, an dem Spiegel 10e, an der weiteren Elektrode 10f, dem Siliziumsubstrat 10g und/oder dem Keramikkörper 10h festgestellt werden. Aufgrund der mechanischen Verformung kommt es zu einer Ausdehnung zumindest einer der unteren genannten Schichten 10c, 10e, 10f, 10g, 10h, wodurch die Flüssigkristallschicht 10d gegen das Glassubstrat 10a gedrückt wird. Infolge dessen verändert sich lokal die ursprüngliche Dicke D0 der Flüssigkristallschicht 10 zu einer verringerten Dicke Dmin im Bereich des Hotspots HS und zu einer vergrößerten Dicke Dmax in einem Bereich außerhalb des Hotspots HS. Dadurch wird die Funktionalität des SLM-Chips insofern eingeschränkt, als dass die gewünschte Phasenmodulation nicht mehr erreicht werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, temperaturbedingte Störgrößen an funktionsrelevanten Bereichen eines optischen Elementes während dem Bestrahlen mit elektromagnetischen Wellen zu kompensieren bzw. zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch eine ein optisches Element enthaltende Anordnung eines optischen Systems sowie durch ein Temperierungsverfahren an dem optischen Element mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Ausgegangen wird von einer Anordnung eines optischen Systems mit mindestens einem optischen Element und einer elektromagnetische Wellen emittierenden Strahlungsquelle, beispielsweise einem Laser. Die Strahlungsquelle ist in der Regel in einem Abstand zum optischen Element angeordnet. Das optische Element umfasst zumindest einen Einstrahlbereich für die elektromagnetische Strahlung. Unter Einwirkung der elektromagnetischen Strahlung weist das optische Element lokale Bereiche unterschiedlicher Erwärmung auf, wodurch sich insbesondere in einem Funktionsbereich oder - fläche des Einstrahlbereichs eine Temperaturverteilung mit voneinander unterschiedlichen Temperaturwerten ausbildet. Zusätzlich umfasst die Anordnung eine Heizvorrichtung, die ausgebildet ist, zumindest in lokalen Bereichen mit erniedrigter Erwärmung durch Einbringen einer Wärmeenergie die Temperaturwerte zu erhöhen. Auf diese Weise kann ein Temperaturunterschied zu jenen Bereichen, die aufgrund der stärkeren Erwärmung durch die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung höhere Temperaturwerte aufweisen, insgesamt verringert werden. Dadurch ist vorteilhaft erreicht, dass lokale Bereich in dem Funktionsbereich und/oder -fläche des optischen Elementes zueinander einen geringeren Temperaturgradienten aufweisen. Aufgrund des geringeren Temperaturgradienten fällt die temperaturbedingte mechanische Verformung weitaus geringer aus, so dass eine Betriebsfunktionalität des optischen Elementes sichergestellt werden kann. Schlussendlich resultiert daher eine Erwärmung des optischen Elementes aus einem Erwärmungsanteil bedingt durch die einwirkende elektromagnetische Strahlung und einem zu diesem definiert ergänzenden Erwärmungsanteil durch die Heizvorrichtung zur Erreichung einer Verringerung von Temperaturunterschieden innerhalb des Funktionsbereiches oder -fläche des optischen Elementes.
Bevorzugt ist die elektromagnetische Wellen emittierende Strahlungsquelle ein Laser. Dieser lässt sich mit hoher Strahlgüte und einer großen Breite an Strahleigenschaften und/oder -ausprägungen für viele Projektions-, Mess- und/oder Bearbeitungsanwendungen vorsehen. Bevorzugt kann für eine solche Anwendung die Anordnung auch einen Laser einer hohen Leistungsklasse umfassen, bevorzugt mit einer Laserleistung >= 200 Watt, vor allem >= 500 Watt, insbesondere >= 1000 Watt. In vorteilhafter Weise können somit Anwendungen realisiert werden, bei welchen bisher aufgrund von temperaturbedingten Störgrößen, beispielsweise aufgrund des Einwirkens einer hohen Laserleistung, keine zufriedenstellenden Anwendungsergebnisse erreicht werden konnten.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Anordnung erfolgt eine Erhöhung der Temperaturwerte in den lokalen Bereichen derart, dass die Temperaturverteilung, insbesondere in dem Funktionsbereich und/oder -fläche des Einstrahlbereiches (15) des optischen Elementes (10) ausnivelliert ist. Dies schließt eine Variante nicht aus, bei welcher auch jene lokalen Bereiche mit bereits erhöhten Temperaturwerten ebenso durch Einbringen einer Wärmeenergie mittels der Heizvorrichtung weiter erhöht werden. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, um ein Temperaturniveau der dann ausnivellierten Temperaturverteilung auf eine für das optische Element optimierte bzw. zertifizierte Betriebstemperatur auszubilden. Durch die Temperaturausnivellierung wird eine Minimierung von Temperaturunterschieden erzielt, wodurch die Betriebsfunktionalität des optischen Elementes optimiert wird.
Ein Ausnivellieren bzw. ein Angleichen von Temperaturwerten innerhalb einer Temperaturverteilung liegt dann vor, wenn sich Abweichungen aller Temperaturwerte gegenüber einer als Lageparameter für die eingestellte Temperaturverteilung geeigneten Referenztemperatur insgesamt verkleinern. Durch das Ausnivellieren weist eine dann vorliegende Temperaturverteilung eine möglichst kleine Streuung der Temperaturwerte auf. Im Idealfall ist ein Temperaturzustand eines Bereiches oder einer Fläche ohne Temperaturabweichungen erreicht, so dass der Bereich oder die Fläche örtlich gleiche Temperaturwerte aufweist.
Quantitativ kann ein Streumaß für die Temperaturwerte innerhalb der Temperaturverteilung statistisch durch die empirische Varianz angegeben werden. Die empirische Varianz gibt dabei an, wie weit die Temperaturwerte innerhalb der Temperaturverteilung im Mittel vom arithmetischen Mittel als dem oben genannten Lageparameter abweichen. Bevorzugt ist als arithmetisches Mittel eine Betriebstemperatur des optischen Elementes zu erreichen, für welche das optische Element für eine Anwendung hinsichtlich ihren optischen Eigenschaften - insbesondere in dem Funktionsbereich oder -fläche des optischen Elementes - optimiert bzw. spezifiziert ist, beispielsweise bei typischen Laserbearbeitungen innerhalb eines Temperaturbereiches von 5 - 60 °C betreffend einen SLM-Chip als das optische Element oder beispielsweise bis 100°C oder 200°C bei einem Spiegel oder einer Linse als das optische Element. Hiermit kann auch vorgegeben werden, auf welches Temperaturniveau das optische Element im Mittel absolut durch eine zusätzliche Erwärmung mittels der Heizvorrichtung erwärmt werden soll, wodurch auch eine maximale Heizleistung der Heizvorrichtung direkt beeinflusst ist. Das sich tatsächlich einstellende arithmetische Mittel kann hierbei beispielsweise um bis zu maximal 20 Kelvin, insbesondere bis maximal 10 Kelvin, bevorzugt um bis zu maximal 3 Kelvin von einem ansonsten anvisierten arithmetischen Mittel, insbesondere einer spezifizierten Betriebstemperatur, abweichen. Dadurch kann die Entwärmungskonfiguration vereinfacht erreicht werden.
Vorteilhaft ist eine Ausnivellierung von Temperaturwerten mit einer empirischen Varianz von (0,1K)² - (20K)², insbesondere von (0,5K)² - (3K)². Durch derartig kleine Streuungen der Temperaturwerte innerhalb der Temperaturverteilung, beispielsweise in dem Funktionsbereich oder -fläche des optischen Elementes, bleiben lokal unterschiedliche temperaturbedingte Materialausdehnungen unkritisch hinsichtlich dadurch veränderter optischer Eigenschaften des optischen Elementes.
Alternativ oder zusätzlich zur Vorgabe der empirischen Varianz kann eine Streuung eingeschränkt sein auf eine maximale Abweichung aller Temperaturwerte innerhalb der Temperaturverteilung von bis zu 40 Kelvin, insbesondere bis zu maximal 10 Kelvin, bevorzugt bis zu maximal 3 Kelvin und/oder dass ein Temperaturgradient von benachbarten Temperaturwerten nicht größer ist als 15 Kelvin/mm, insbesondere nicht größer ist als 3,0 Kelvin/mm, bevorzugt nicht größer ist als 0,7 Kelvin/mm.
Die Temperaturverteilung kann beispielsweise durch eine Wärmebildkamera aufgenommen werden. Alternative Temperaturerfassungen sind ebenfalls möglich. Bevorzugt ist eine Bestimmung von Temperaturwerten in einem Rastermaß von kleiner 3 mm, insbesondere kleiner als 1,5 mm, bevorzugt kleiner 0,5 mm.
Eine besonders einfache Ausführungsform der Anordnung ergibt sich, indem die Heizvorrichtung zumindest eine weitere elektromagnetische Wellen emittierende Strahlungsquelle ist, Zur besseren Unterscheidung wird die bisherige elektromagnetische Strahlungsquelle, welche im Zusammenhang mit dem Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung in den Einstrahlbereich des optischen Elementes beschrieben wurde, in weiteren als die erste elektromagnetische Strahlungsquelle bezeichnet werden, während die gerade zuvor beschriebene elektromagnetische Strahlungsquelle zum Einbringen einer gezielten Wärmeenergie, nunmehr als die weitere oder die zweite elektromagnetische Strahlenquelle bezeichnet wird. In dieser Form als Heizvorrichtung können lokale Bereiche des optischen Elementes in günstiger Weise erreicht werden. Dabei ist auch ein Durchqueren und/oder ein Überlagern der Strahlung mit Strahlungsfeldern der ersten elektromagnetischen Strahlungsquelle möglich, ohne dass dadurch Störungen hervorgerufen werden.
Ein kostengünstiger Einsatz bietet sich beispielsweise durch zumindest eine oder mehrere Xenonlampen. Bevorzugt können durch die eine oder mehrere Xenonlampe verschiedene Bereiche des optischen Elementes bestrahlt werden. Alternativ ist als die weitere Strahlungsquelle ein Laser möglich. In Form eines 2D-Laserscanners ist die zeitliche und/oder räumliche Bestrahlung unterschiedlicher Bereiche des optischen Elementes in besonders optimierter Form erreicht. Eine günstige Alternative bietet sich auch durch ein Laserdiodenarray, bei welchem in einer Matrix angeordnete Laserdioden fest ausgerichtete Strahlungsfelder mit jeweils ggf. variabel einstellbarer Strahlungsintensität aufweisen. Hierbei sind Strahlungsfelder von zumindest zwei Laserdioden derart ausgerichtet, dass durch diese unterschiedliche Bereiche des elektrischen Elementes mit ggf. unterschiedlicher Strahlungsintensität bestrahlt sind.
In einer alternativen Ausführungsform der Anordnung ist die Heizvorrichtung zumindest mittelbar mit dem optischen Element wärmeleitend verbunden. Dabei ist die Heizvorrichtung aus einer Vielzahl von Heizelementen gebildet. Die einzelnen Heizelemente können bevorzugt in ihrer Heizleistung individuell angesteuert oder geregelt werden. Die Heizelemente können dabei beispielsweise in Form von Heizdrähten oder Peltierelementen ausgebildet sein. Diese sind dann beispielsweise auf einer Außenfläche des optischen Elementes wärmeleitend angeordnet, insbesondere fixiert. Je größer die Anzahl von Heizelemente aneinander angrenzend in Form einer Matrix angeordnet sind, umso kleiner können lokale Bereiche des optischen Elementes in ihrem jeweiligem Temperaturwert gezielt erhöht werden. Bevorzugt ist eine Außenfläche auf einer dem Einstrahlbereich des optischen Elementes abgewandten Seite des optischen Elementes für das Anbringen der Heizvorrichtung vorzusehen. Sind die Heizelemente so gewählt, dass sie für das Strahlungsspektrum der ersten elektromagnetischen Strahlungsquelle zumindest weitestgehend transparent sind, so kann die Heizvorrichtung auch den für die Strahlung der ersten elektromagnetischen Strahlungsquelle vorgesehenen Einstrahlbereich des optischen Elementes teilweise oder vollständig überdecken. In diesem Fall ist auch ein Anbringen der Heizvorrichtung auf einer dem Einstrahlbereich des optischen Elements zugewandten Seite des optischen Elementes möglich. Alternativ kann für diesen Fall die Heizvorrichtung auch in einer beliebigen Innenlage des optischen Elementes angeordnet sein, welche in Strahlungsrichtung vor dem Funktionsbereich oder -fläche angeordnet ist. Ist dagegen durch die Heizvorrichtung die Strahlung der ersten elektromagnetischen Strahlungsquelle abgeschattet und ist nur eine Teilfläche des optischen Elementes im Einstrahlbereich als aktive Fläche von der elektromagnetischen Strahlung bestrahlt, kann die Heizvorrichtung auch alternativ nur im Bereich außerhalb der aktiven Fläche angeordnet sein. Diese Ausführung reicht insbesondere für derartige Anwendung aus, bei welchen in der zuvor beschriebenen aktiven Fläche aufgrund der elektromagnetischen Strahlung ein Hotspot ausgebildet ist.
Bevorzugt ist die Heizvorrichtung derart ausgebildet, dass die durch sie bereitgestellte Wärmeenergie vollständig oder zumindest überwiegend von dem Material des optischen Elementes absorbiert wird. Bei Heizvorrichtungen in Form von Strahlungsquellen besteht dann auch vorteilhaft kein Erfordernis, am optischen Element reflektiert, transmittierte oder gestreute Strahlenanteile abfangen zu müssen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Anordnung umfassen als ein optisches Element eine Kristallscheibe eines Scheibenlasers, einen Spiegel, eine Linse, ein optisches Gitter und/oder ein SLM-Chip. Insbesondere profitiert der SLM-Chip als Strahlformer von einer erfindungsgemäß erzielten Ausnivellierung der Temperaturverteilung in dem Funktionsbereich oder -fläche, um dort örtlich definierte Phasenänderungen zu erwirken und dadurch die Einstellung einer gewünschten Strahlform sicherzustellen. Bevorzugt ist der Funktionsbereich oder -fläche eine Reflektionsfläche für die elektromagnetische Strahlung der ersten elektromagnetischen Strahlungsquelle.
Ganz grundsätzlich ist das Anordnen jeder der zuvor beschriebenen Heizvorrichtung auf einer dem Einstrahlbereich des optischen Elementes abgewandten Seite des optischen Elementes möglich. Vorteilhaft kann dadurch ein maximal erforderlicher Flächenbedarf für die Heizvorrichtung eingenommen werden, ohne dass es zu einer Störung oder einer Abschattung der in den Einstrahlbereich des optischen Elementes eingestrahlten Strahlung der ersten elektromagnetischen Strahlungsquelle kommen kann. Die Heizvorrichtung kann hierbei integraler Bestandteil des optischen Elementes sein und/oder die optische Einheit als zusammengehörige Einheit ausbilden. Zusätzlich kann zur Unterstützung des Weiteren ein Teil der Heizvorrichtung auch auf der dem Einstrahlbereich des optischen Elementes zugewandten Seite des optischen Elementes angeordnet sein.
Eine vorteilhafte Anordnung ergibt sich dadurch, dass das optische Element zusätzlich durch eine Kühlvorrichtung gekühlt ist. Die Kühlvorrichtung ist bevorzugt auf einer dem Einstrahlbereich des optischen Elementes abgewandten Seite am optischen Element wärmeleitend verbunden, während die Heizvorrichtung auf der dem Einstrahlbereich des optischen Elementes zugewandten Seite am optischen Element angeordnet ist. In einigen Anwendungen kann es aber auch vorteilhaft sein alternativ oder zusätzlich eine Heizvorrichtung auf der gleichen Seite wie der Kühlvorrichtung vorzusehen, dann allerdings mit Wirkung auf unterschiedliche Flächenbereiche dieser Seite. Durch die Kühlvorrichtung können insbesondere lokale Bereichen des optischen Elementes mit besonders hohen Temperaturwerten abgesenkt werden, so dass Temperaturwerte von lokalen Bereich mit erniedrigten Temperaturwerten weniger stark durch die Heizvorrichtung erhöht werden müssen. Insgesamt ergibt sich durch eine definierte Überlagerung der Erwärmung durch die Heizvorrichtung und der Kühlung durch die Kühlvorrichtung eine Angleichung von Temperaturwerten von verschiedenen Seiten her. Auf diese Weise kann eine Ausnivellierung im Funktionsbereich oder -fläche des optischen Elementes schneller und prozesssicherer erreicht werden. Zusätzlich ist durch die Kühlvorrichtung ein Absenken des Temperaturniveaus der ausnivellierten Temperaturverteilung auf eine für das optische Element optimierte und/oder zertifizierte Betriebstemperatur ermöglicht. Dies kann beispielweise sehr einfach durch eine Kühlvorrichtung mit einer homogenen Kühltemperatur erreicht werden, bei welcher eine Entwärmung des optischen Elementes durch einen örtlichen und zeitlich möglichst ungerichteten und ungehinderten, d.h. maximalen Wärmeabfluss erfolgt. Eine solche Kühlvorrichtung ist beispielsweise durch einen flächig an das optische Element angepassten Peltierkühler gegeben. Andere Kühlvorrichtungen können beispielsweise einen Zugang und einen Abgang für ein Kühlmedium aufweisen, wobei das Kühlmedium mittels eines Stromflusses von dem Zugang zu dem Abgang gelangt und den Wärmestrom bewirkt. Allgemein bevorzugt ist die Kühlvorrichtung in ihrer Kühlleistung ansteuer- oder regelbar. Bei einer Kühlvorrichtung mit einem Kühlmedium kann die Höhe einer definierten homogenen Kühltemperatur durch eine Variation der Durchflussmenge und/oder der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmediums variabel eingestellt werden. Auch Peltierkühler lassen sich einfach in ihrer Kühltemperatur einstellen und regeln. Eine lokal variable Kühlwirkung lässt sich hingegen beispielsweise durch eine Kühlvorrichtung erreichen, bei welcher eine Vielzahl von Peltierkühler in einer Matrix angeordnet sind.
In einer anderen Ausführungsform der Anordnung umfasst diese zumindest eine der Ausführungsformen der Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 der zeitgleich eingereichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2017 217 107.3 oder zumindest eine der Ausführungsformen der Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 13 der zeitgleich eingereichten deutschen Patentanmeldung mit der Aktenzeichen 10 2017 217 111.1. Die Inhalte dieser beiden Patentanmeldungen sind hiermit ausdrücklich als vollumfänglich in der vorliegenden Patentanmeldung offenbart anzusehen. Das in den zeitgleich eingereichten beiden Patentanmeldungen offenbarte optische Element entspricht dem bisher beschriebenen optischen Element. Ferner umfasst die nun vorliegende Anordnung zumindest eine der in den beiden Patentanmeldungen beschriebenen Ausführungsformen einer mit dem optischen Element wirkverbundenen Kühlvorrichtung. Jede Ausführungsform dieser Kühlvorrichtungen weist eine lokal unterschiedliche Wärmeleitung auf, wobei die lokal unterschiedliche Wärmeleitung an eine spezifische Strahlungsverteilung auf dem Einstrahlbereich des optischen Elementes derart angepasst ist, dass aufgrund eines über die Entwärmungspfade jeweils lokal abfließenden Wärmestromes die Temperaturverteilung insbesondere im Funktionsbereich und/oder -fläche des Einstrahlbereiches des optischen Elementes ausnivelliert ist. Die Strahlungsverteilung ergibt sich dabei aufgrund der ersten elektromagnetischen Strahlungsquelle und entspricht der jeweils in den beiden zeitgleich eingereichten Patentanmeldungen beschriebenen elektromagnetischen Strahlungsquelle. In vorteilhafter Weise liegen somit zwei überlagerte Ausnivellierungsmechanismen für die Temperaturverteilung vor. Die durch die Kühlvorrichtung bewirkte Ausnivellierung ist dabei als statisch anzusehen, da nur eine definierte Entwärmungskonfiguration unveränderbar eingestellt ist. Im Vergleich zu einer Kühlvorrichtung mit einer homogenen Kühltemperatur kann hiermit bereits eine lokal angepasste Temperaturveränderung erwirkt werden. Die durch die Heizvorrichtung bewirkte Ausnivellierung kann dagegen dynamisch ausgeführt sein, indem eine Heizleistung lokal entsprechend anpassbar ist. Damit ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Kühlvorrichtung eine erste statisch bestimmte Ausnivellierungsstufe erreicht werden kann und mittels der Heizvorrichtung eine zweite dynamisch bestimmte Ausnivellierungsstufe erreicht werden kann, die gegenüber der ersten Ausnivellierungsstufe verbessert ist. Insofern ist eine bei der ersten Ausnivellierungsstufe noch erforderliche lokale Temperaturanpassung durch eine entsprechende abgestimmte Temperaturerhöhung mittels der Heizvorrichtung einfach zu erreichen und insgesamt eine zweite Ausnivellierungsstufe hoher Güte zu erhalten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Anordnung umfasst diese eine Erfassungsvorrichtung für Temperaturwerte zumindest innerhalb der Temperaturverteilung. Ferner umfasst die Anordnung dann zusätzlich eine Ansteuer- oder Regelvorrichtung für die Heizvorrichtung und/oder die Kühlvorrichtung, wobei die Ansteuer- oder Regelvorrichtung ausgebildet ist, in Abhängigkeit von erfassten Temperaturwerten die Heizleistung der Heizvorrichtung und/oder die Kühlleistung der Kühlvorrichtung zum Ausnivellieren der Temperaturverteilung anzupassen. Eine solche Anpassung kann selbstverständlich nur bei Heizvorrichtungen und Kühlvorrichtung erfolgen, bei welchen die Heizleistung bzw. die Kühlleistung zumindest in einem Bereich verändert werden kann. Insgesamt kann vorteilhaft eine hohe Ausnivellierungsgüte erreicht werden und diese selbst bei veränderlichen die Temperatur des optischen Elementes beeinflussenden Betriebsbedingungen gehalten werden.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Anordnung sind insbesondere Teil einer Projektionsvorrichtung oder einer Meß- und/oder Bearbeitungsvorrichtung und/oder -anlage. Eine solche Bearbeitungsvorrichtung und/oder -anlage kann beispielsweise für eine Materialbearbeitung eingesetzt werden, insbesondere für ein Materialabtragen, -schweißen, -löten, -reinigen, - bohren, -sintern, -schmelzen und anderes.
Die Erfindung führt auch zu einem Temperierungsverfahren an einem optischen Element, insbesondere innerhalb einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen einer Anordnung eines optischen Systems. Hierbei werden Temperaturwerte einer lokalen Temperaturverteilung des optischen Elementes mittels einer Temperaturerfassungsvorrichtung erfasst, wobei die Temperaturwerte zumindest in lokalen Bereichen des optischen Elementes mit erniedrigten Temperaturwerten durch Einbringen einer Wärmeenergie mittels einer Heizvorrichtung erhöht werden, insbesondere derart, dass die Temperaturverteilung, insbesondere in einem Funktionsbereich und/oder -fläche des optischen Elementes, ausnivelliert wird.
In einer besonderen Verfahrensausführung wird zum Ausnivellieren der Temperaturverteilung das optische Element zusätzlich durch eine Kühlvorrichtung gekühlt, insbesondere in lokalen Bereichen des optischen Elementes mit erhöhten Temperaturwerten.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wirkt fern in einer Betriebssituation des optischen Elementes eine auf das optische Element die Temperaturverteilung beeinflussende Prozessgröße ein, beispielsweise eine elektromagnetische Strahlung, wobei zum Ausnivellieren der Temperaturverteilung eine Heizleistung der Heizvorrichtung und/oder eine Kühlleistung der Kühlvorrichtung mittels einer Regelvorrichtung angepasst wird, insbesondere derart, dass die ausnivellierte Temperaturverteilung auf einem für das optische Element betriebsoptimierten Temperaturniveau erfolgt.
Insgesamt ergeben sich bei dem Verfahren die gleichen Vorteile, wie sie bereits für die zuvor beschriebene Anordnung eines optischen Systems genannt wurden. Von dieser können noch weitere verfahrensprägende Aspekte abgeleitet werden.
Figurenliste
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:

1a: einen mit Laserstrahlung bestrahlten Spiegel in einer Seitenschnittdarstellung mit aufgrund von absorbierter Laserenergie ausgebildeten Bereichen unterschiedlicher Erwärmung,
1b: der Spiegel aus 1a in einer wärmeleitenden Anordnung mit einer Kühlvorrichtung,
1c: Aufbau eines SLM-Chip (Spatial Light Modulator) in einer Schnittdarstellung,
1d: schematische Verformung des SLM-Chips aus 1c unter Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung,
2a: eine beispielhafte Ausführungsform einer Anordnung eines optischen Systems in einer Seitenschnittdarstellung,
2b: eine alternative Ausführungsform einer Anordnung eines optischen Systems in einer Seitenschnittdarstellung,
2c: eine weitere Ausführungsform einer Anordnung eines optischen Systems in einer Seitenschnittdarstellung,
3: eine Projektionsvorrichtung oder eine Meß- und/oder Bearbeitungsvorrichtung und/oder -anlage mit einer Ansteuer- oder Regelvorrichtung in einer schematischen Aufbauanordnung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind funktional gleiche Bauelemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In der 2a ist eine erste Ausführungsform einer Anordnung eines optischen Systems 100 in einer Seitenschnittdarstellung gezeigt. Die Anordnung 100 kann beispielsweise Teil einer Projektionsvorrichtung oder Meß- und oder Bearbeitungsvorrichtung und/oder -anlage 200 sein. Die Anordnung 100 umfasst ein optisches Element 10, welches einen Funktionsbereich 11' bzw. zumindest eine Funktionsfläche 11 aufweist. Sowohl der Funktionsbereich 11' als auch die Funktionsfläche 11 sind ggü. thermomechanisch bedingten Verformungen empfindlich, so dass optische Funktionseigenschaften des optischen Elementes 10 funktionskritisch gestört bzw. verändert werden können. Das optische Element 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Strahlformer, beispielsweise ein SLM-Chip, weiter beispielsweise wie er in den 1c und 1d bereits dargestellt ist (die Schichten 10.a, 10b, 10c, 10d, 10f, 10g, 10h sind zur Wahrung der Übersichtlichkeit nicht nochmals dargestellt). Alternativ könnte das nachfolgend Beschriebene auch für einen Spiegel, eine Linse, ein optisches Gitter oder eine Kristallscheibe eines Scheibenlasers als das optische Element Gültigkeit haben, ebenso ggf. für andere optische Elemente. Als Funktionsfläche 11 ist insbesondere die Reflektionsfläche des Spiegels 10e auszumachen. Der SLM-Chip 10 umfasst einen Einstrahlbereich 15 für elektromagnetische Strahlung, welcher insbesondere die Reflektionsfläche 11 umfasst. Diese wird von einer elektromagnetische Wellen emittierenden Strahlungsquelle, beispielsweise einem Laser 80, erzeugt und bereitgestellt, beispielsweise als ein Laserstrahl 50, insbesondere mit einem spezifischen Strahlungsprofil 60, wodurch insbesondere eine ungleiche Strahlungsverteilung 60' mit unterschiedlichen Intensitätswerten 60.1, 60.2, 60.3, 60.x vorliegt. Das Strahlungsprofil 60 und die Strahlungsverteilung 60' sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, entsprechen prinzipiell der Darstellung wie in der 1a. Das Strahlungsprofil 60 weist beispielsweise eine Gaußsche Intensitätsverteilung auf. Der Laserstrahl 50 bestrahlt als ein einfallender Strahl 51 im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur eine Teilfläche 11a der Funktionsfläche 11. Eine Teilfläche 11b, insbesondere ein Randbereich der Funktionsfläche 11, verbleibt unbestrahlt. Dadurch bildet sich üblicher Weise im Bereich der Teilfläche 11a ein Hotspot aus, wie er bereits in der 1d beschrieben wurde. Der einfallende Strahl 51 wird an der Funktionsfläche 11 als dann abgehender Strahl 52 reflektiert. Ein Teil der Laserenergie des einfallenden Strahles 51 wird durch das Material des SLM-Chips 10 absorbiert, insbesondere durch den Spiegel 10e und/oder die darunterliegenden Schichten 10f, 10g, 10h und führt dort zu einer Erwärmung.
Auf der dem Einstrahlbereich 15 zugewandten Seite des SLM-Chips 10 ist eine weitere elektromagnetische Strahlungsquelle 90 in einem Abstand zum SLM-Chip 10 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Strahlungsquelle in Form eines Laserdiodenarrays 90 ausgeführt, in welchem eine Vielzahl von einzelnen Laserdioden 90.1, 90.2, 90.3, 90.x in einer Matrixanordnung vorgesehen sind. Jede einzelne Laserdiode 90.1, 90.2, 90.3, 90.x weist eine bestimmte, insbesondere auch eine regelbare bzw. einstellbare Strahlungsintensität auf und ist mit einem Strahlungsfeld 90.11, 90.21, 90.31, 90.xl auf einen anderen lokalen Bereich insbesondere im Funktionsbereich 11' oder -fläche 11 des SLM-Chips 10 ausgerichtet. Das Laserdiodenarray 90 wirkt als Heizvorrichtung, durch welche Wärmeenergie W in die lokalen Bereiche des SLM-Chips 10 eingebracht wird. Hierbei ist eine Ausrichtung der Strahlungsfelder 90.11, 90.21, 90.31, 90.x1 der Laserdioden 90.1, 90.2, 90.3, 90.x sowie deren jeweilige Strahlungsintensität gezielt auf eine solche zusätzliche jeweils lokal angepasste Erwärmung eingestellt, derart, dass die Temperaturverteilung 70 im Funktionsbereich 11' oder -fläche 11des SLM-Chips 10 bei der spezifischen Strahlungsintensitätsverteilung 60' ausnivelliert ist. Die Temperaturverteilung 70 weist daher lokale Temperaturwerte 70.1, 70.2, 70.3, 70.x auf, die nur unwesentliche Abweichungen untereinander haben. Insbesondere schwanken die lokalen Temperaturwerte 70.1, 70.2, 70.3, 70.x mit den Abweichungen um einen arithmetischen Mittelwert Ta. Bevorzugt entspricht der arithmetische Mittelwert Ta einer spezifizierten Betriebstemperatur des SLM-Chips.
Alternativ oder zusätzlich kann auf der dem Einstrahlbereich 15 abgewandten Seite des SLM-Chips 10 das Laserdiodenarray 90 oder eine andere Ausführung einer Heizvorrichtung 90, beispielsweise wie sie in den 2b und/oder 2c dargestellt sind, zum gleichen Zweck angeordnet sein. Anstelle einer Heizvorrichtung 90 kann auf dieser Seite auch eine mit dem SLM-Chip 10 wärmeleitend verbundene Kühlvorrichtung 20 vorgesehen sein. Die Kühlvorrichtung 20 stellt beispielsweise eine, insbesondere auf einen Wert einstellbare homogene Kühltemperatur bereit, beispielsweise durch einen Flüssigkeitskühler oder einen Peltierkühler. Dadurch kann der arithmetische Mittelwert Ta bevorzugt auf ein niedrigeres Temperaturniveau abgesenkt werden und/oder lokale Bereiche des SLM-Chips 10 mit ansonsten besonders hohen Temperaturwerten (Hotspot) verringert werden. Die Kühlvorrichtung kann ebenso in einer Ausführungsform ausgeführt sein, wie sie als wärmeleitend mit einem optischen Element verbunden (hier dann auf den SLM-Chip angewendet) in den zeitgleich eingereichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2017 217 107.3 oder der zeitgleich eingereichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2017 217 111.1 beschrieben wird. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die in den genannten Patentanmeldungen dargestellten Ausführungen in den Figuren und Beschreibungen hingewiesen. Jede der dort beschriebenen Ausführungsformen einer Kühlvorrichtung weist eine lokal unterschiedliche Wärmeleitung auf, wobei die lokal unterschiedliche Wärmeleitung an die spezifische Strahlungsverteilung 60' auf dem Einstrahlbereich 10 des SLM-Chips derart angepasst ist, dass aufgrund eines über die Entwärmungspfade jeweils lokal abfließenden Wärmestromes die Temperaturverteilung 70 insbesondere im Funktionsbereich 11' und/oder -fläche 11 ausnivelliert ist. Die Temperaturverteilung 70 ergibt sich demzufolge aus zwei überlagerten Ausnivellierungsmechanismen, nämlich dem durch die Heizvorrichtung 90 und dem durch die Kühlvorrichtung 20. Schlussendlich kann die Kühlvorrichtung 20 auf der dem Einstrahlbereich 15 des SLM-Chips abgewandten Seite nur in einem begrenzten Seitenbereich angeordnet sein, in welchem bevorzugt eine Kühlwirkung auf lokale Bereiche mit besonders hohen Temperaturwerten (Hotspot) erfolgt, beispielsweise in einem mittlerem Seitenbereich wie in 2a strichpunktiert dargestellt. Daneben kann in einem abweichenden Seitenbereich eine Heizvorrichtung 90 vorgesehen sein, in welchem bevorzugt ein Eintrag von Wärmeenergie W in lokale Bereiche mit ansonsten erniedrigten Temperaturwerten erfolgt, beispielsweise in einem äußeren Seitenbereich wie in 2a ebenfalls strichpunktiert dargestellt.
In der 2b ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung eines optischen Systems 100 in einer schematischen Seitendarstellung gezeigt. Sie unterscheidet sich von der Anordnung 100 wie sie in der 2a beschrieben worden ist, lediglich in einer anderen Ausführung der Heizvorrichtung 90. Hierbei ist die Heizvorrichtung 90 nunmehr als 2D-Scanner ausgeführt. Dieser umfasst eine elektromagnetische Wellen emittierende zweite Strahlungsquelle 90' sowie eine Anzahl von räumlich verstellbaren Umlenkspiegeln 90.a, 90.b, über welche ein Laserstrahl 90c räumlich und zeitlich variabel auf unterschiedliche lokale Bereiche des SLM-Chips mit dann ggf. unterschiedlicher Strahlungsintensität ausgerichtet werden kann. Bei einer ausreichend schnellen Bestrahlungsabfolge und/oder einem zeitlich abgestimmten Bestrahlungsmuster kann die lokale Temperaturanpassung zum Erreichen einer ausnivellierten Temperaturverteilung 70 mit ausreichender Genauigkeit erzielt werden.
In der 2c ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Anordnung eines optischen Systems 100 mit drei Darstellungen gezeigt. Gegenüber den 2a und 2b liegt die Unterscheidung wiederrum lediglich in einer weiteren anderen Ausführung der Heizvorrichtung 90. Die obere Darstellung zeigt einen SLM-Chip 10, welcher beispielsweise an die Ausführung eines SLM-Chips, wie in der 1c, angelehnt ist. Die Heizvorrichtung 90 ist auf einer dem Einstrahlbereich 15 des SLM-Chips 10 abgewandten Seite angeordnet. Hierbei weist die Heizvorrichtung 90 eine Vielzahl von Heizelementen 90.1, 90.2, 90.x auf, die wärmeleitend mit dem SLM-Chip 10 verbunden sind. Die einzelnen Heizelemente 90.1, 90.2, 90.x können hierbei beispielsweise als Heizdraht (insbesondere als Widerstandsdraht), als Heizfolie und/oder als kleines Peltierelement ausgebildet sein. Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung der Heizelemente 90.1, 90.2, 90.x bietet sich beispielsweise durch das flächig abgesetzte Aufdrucken oder das Aufsintern von Platinpasten mit Schichtdicken von wenigen µm bis zu mehreren Hundert µm. Die einzelnen Heizelemente 90.1, 90.2, 90.x sind dabei in ihrer Heizleistung individuell einstellbar, insbesondere strombasierend. Die Heizelemente 90.1, 90.2, 90.x können hierbei an verschiedenen Stellen des SLM-Chips 10 angeordnet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bietet sich beispielsweise eine Anordnung an oder in dem Keramikgrundkörper 10h an. So zeigt die obige Darstellung eine erste Anordnungsmöglichkeit von Heizelementen 90.1A, 90.2A, 90.xA, welche innerhalb des Keramikgrundkörpers 10h angeordnet sind. So ist gewährleistet, dass die Heizelemente 90.1A, 90.2A, 90.xA möglichst nah an dem Siliziumsubstrat 10g eingebracht sind. Die Heizelemente 90.1A, 90.2A, 90.xA können zum Beispiel vor dem Sintern in das Keramikpulver zur Ausbildung des Keramikgrundkörpers 10h eingebracht werden, so dass sie nach dem Sintern in dem Keramikgrundkörper 10h fest verbaut sind.
Eine zweite Anordnungsmöglichkeit zeigt sich durch das Anordnen der Heizelemente 90.1B, 90.2B, 90.xB an der Außenseite des Keramikgrundkörpers bzw. des SLM-Chips 10. Um ein Abstehen von Heizelementen über die Außenseite zu vermeiden können die Heizelemente 90.1C, 90.2C, 90.xC gegenüber der Außenseite eben abschließend oder vertieft in Aussparungen des Keramikgrundkörpers 10h eingebracht sein.
Eine vierte Anordnungsmöglichkeit ist in der mittleren Darstellung gezeigt, bei welcher hauptsächlich nur der Keramikgrundkörper 10h des SLM-Chips 10 gezeigt ist. Hierbei sind die Heizelemente 90.1D, 90.2D, 90.xD wiederum in Aussparungen des Keramikgrundkörpers 10h eingebracht, allerdings nun auf der Seite, die unmittelbar an das Siliziumsubstrat 10g angrenzt, wodurch wiederum eine große Nähe zu diesem erreicht ist. Insgesamt können auch Anordnungen von Heizelementen 90.1, 90.2, 90.x vorgesehen sein in Kombination von zumindest zwei der oben beschriebenen Anordnungsmöglichkeiten.
In der unteren Darstellung ist ein mögliches Anordnungsschema 95 der Heizelemente 90.1, 90.2, 90.x gezeigt. Das Anordnungsschema 95 lässt sich an spezifischen Anwendungsfälle anpassen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Heizelemente 90.1, 90.2, 90.x in einem äußeren Bereich des Keramikkörpers 10h angeordnet, so dass im Wesentlichen die außerhalb der mit elektromagnetischen Strahlung 50 bestrahlten aktiven Fläche 11a befindlichen lokalen Bereiche mit ansonsten erniedrigten Temperaturwerten zur Erreichung einer ausnivellierten Temperaturverteilung 70 zusätzlich erwärmt werden können. Zusätzlich kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der dem Einstrahlbereich 15 des SLM-Chips abgewandten Seite eine Kühlvorrichtung 20 angeordnet sein, welche insbesondere die innerhalb der mit elektromagnetischen Strahlung 50 bestrahlten aktiven Fläche 11a befindlichen lokalen Bereiche mit ansonsten erhöhten Temperaturwerten (Hotspot) kühlt.
Bevorzugt ist für das Ausführungsbeispiel gemäß der 2c die Heizvorrichtung ein integraler Bestandteil des SLM-Chips bzw. bildet den SLM-Chip 10 zumindest als zusammengehörige Einheit aus. Insbesondere ist der so ausgeführte SLM-Chip 10 als fertige Verkaufseinheit ausgebildet. Gleiches gilt grundsätzlich für eine gleichartige Einheit, bei welcher anstelle des SLM-Chips auch ein anderes optisches Element vorgesehen ist.
Ergänzend ist noch anzumerken, dass bei der Ausführung gemäß der 2c zur weiteren Unterstützung auf der dem Einstrahlbereich 15 des SLM-Chips 10 zugewandten Seite eine weitere Heizvorrichtung 90, beispielsweise wie in den 2a und 2b ausgeführt, vorgesehen sein kann.
In der 3 ist beispielsweise die Anordnung 100 aus der 2a nochmals schematisch gezeigt, insbesondere als Teil einer Projektionsvorrichtung oder eine Meß- und/oder Bearbeitungsvorrichtung und/oder -anlage 200. Das nachfolgend Beschriebene gilt aber auch für andere Ausführungsformen der Anordnung 100, beispielsweise für die Anordnung 100 nach 2b, 2c oder Abwandlungen davon. Die Anordnung 100 umfasst hierbei eine Temperaturerfassungsvorrichtung 30, beispielsweise eine Infrarot-Kamera, und eine Ansteuer- oder Regelvorrichtung 35. Mit Hilfe diesen Vorrichtungen 30, 35 kann nun ein Temperierungsverfahren an dem optischen Element 10, beispielsweise einem SLM-Chip, durchgeführt werden. Mittels der Temperaturerfassungsvorrichtung 30 wird dabei eine lokale Temperaturverteilung 70' des optischen Elementes 10 erfasst und als Ist-Datensatz IST an die Ansteuer- oder Regelvorrichtung 35 übertragen. Diese ermittelt, beispielsweise mittels einer enthaltenen Recheneinheit, gegenüber einer zu erzielenden ausnivellierten Temperaturverteilung Z70 einen Soll-Datensatz SOLL, mittels welchem ganz gezielt Temperaturwerte in lokalen Bereichen mit erniedrigten bzw. erhöhten Temperaturwerten entsprechend angepasst werden sollen. Hierzu wird dann durch die Ansteuer- oder Regelvorrichtung 35 die Heizleistung der Heizvorrichtung 90 und/oder die Kühlleistung der Kühlvorrichtung 20 derart angepasst, dass eine ausnivellierte Temperaturverteilung 70, insbesondere auf einem für das optische Element 10 betriebsoptimierte Temperaturniveau Ta, erreicht wird. Die Bereitstellung des IST-Datensatzes und des SOLL-Datensatzes erfolgt zyklisch im Rahmen einer Ansteuer- oder Regelschleife. Durch die Heizvorrichtung 90 und entsprechend angepasster Heizleistung werden Temperaturwerte zumindest in lokalen Bereichen des optischen Elementes 10 mit erniedrigten Temperaturwerten durch Einbringen einer Wärmeenergie (W) erhöht. Durch die Kühlvorrichtung 20 werden Temperaturwerte zumindest in lokalen Bereichen des optischen Elementes 10 mit erhöhten Temperaturwerten erniedrigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1020172171073 [0035]
DE 102012171111 [0035]

Claims

Anordnung eines optischen Systems (100) mit mindestens einem optischen Element (10) und einer elektromagnetische Wellen emittierenden Strahlungsquelle (80), wobei das optische Element (10) zumindest einen Einstrahlbereich (15) für die elektromagnetische Strahlung (50, 51) umfasst und das optische Element (10) unter Einwirkung der elektromagnetischen Strahlung (50, 51) lokale Bereiche (16) unterschiedlicher Erwärmung aufweist, wodurch sich insbesondere in einem Funktionsbereich und/oder -fläche (11', 11) des Einstrahlbereichs (15) eine Temperaturverteilung (70) mit voneinander unterschiedlichen Temperaturwerten (70.1, 70.2, 70.3, 70.x) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Heizvorrichtung (90) umfasst, die ausgebildet ist, zumindest in lokalen Bereichen mit erniedrigter Erwärmung durch Einbringen einer Wärmeenergie (W) die Temperaturwerte zu erhöhen.
Anordnung eines optischen Systems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erhöhung der Temperaturwerte in den lokalen Bereichen derart erfolgt, dass die Temperaturverteilung (70) insbesondere in dem Funktionsbereich und/oder -fläche (11', 11) des Einstrahlbereiches (15) des optischen Elementes (10) ausnivelliert ist.
Anordnung eines optischen Systems (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (90) zumindest eine weitere elektromagnetische Wellen emittierende Strahlungsquelle ist, beispielsweise eine Xenonlampe oder ein Laser, insbesondere ein Laserdiodenarray oder ein 2D-Laserscanner.
Anordnung eines optischen Systems (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (10) gemäß dem Anspruch 12 ausgebildet ist.
Anordnung eines optischen Systems (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Teilfläche (11a) des optischen Elementes (10) im Einstrahlbereich (15) als aktive Fläche von der elektromagnetischen Strahlung (50) bestrahlt ist, wobei nur im Bereich außerhalb der aktiven Fläche (11b) Heizelemente (90.1, 90.2, 90.x) angeordnet sind.
Anordnung eines optischen Systems (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (10) eine Kristallscheibe eines Scheibenlasers, ein Spiegel, eine Linse, ein optisches Gitter oder ein SLM-Chip ist, wobei die Funktionsfläche (11) bevorzugt eine Reflektionsfläche ist.
Anordnung eines optischen Systems (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (10) zusätzlich durch eine Kühlvorrichtung (20) gekühlt ist.
Anordnung eines optischen Systems (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (20) in ihrer Kühlleistung ansteuer- oder regelbar ist.
Anordnung eines optischen Systems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2017 217 107.3 oder gemäß den Ansprüchen 1 bis 13 der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2017 217 111.1 umfassend eine Kühlvorrichtung (20), die eine lokal unterschiedliche Wärmeleitung aufweist, wobei die lokal unterschiedliche Wärmeleitung an eine spezifische Strahlungsverteilung auf dem Einstrahlbereich (15) des optischen Elementes (10) derart angepasst ist, dass aufgrund eines über die Entwärmungspfade jeweils lokal abfließenden Wärmestromes die Temperaturverteilung (70) insbesondere im Funktionsbereich und/oder -fläche (11', 11) des Einstrahlbereiches (15) des optischen Elementes (10) ausnivelliert ist.
Anordnung eines optischen Systems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (100) eine Erfassungsvorrichtung (30) für Temperaturwerte zumindest innerhalb der Temperaturverteilung (70) umfasst sowie eine Ansteuer- oder Regelvorrichtung (35) für die Heizvorrichtung (90) und/oder die Kühlvorrichtung (20) umfasst, wobei die Ansteuer- oder Regelvorrichtung (35) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von erfassten Temperaturwerten die Heizleistung der Heizvorrichtung (90) und/oder die Kühlleistung der Kühlvorrichtung (20) zum Ausnivellieren der Temperaturverteilung (70) anzupassen.
Anordnung eines optischen Systems (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (100) Teil einer Projektionsvorrichtung oder einer Meß- und/oder Bearbeitungsvorrichtung und/oder -anlage (200) ist.
Optisches Element (10), insbesondere ein SLM-Chip, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (10) eine Heizvorrichtung umfasst (90), welche zumindest mittelbar mit dem optischen Element (10) wärmeleitend verbunden ist und insbesondere ein integraler Bestandteil des optischen Elementes ist und/oder die optische Einheit als zusammengehörige Einheit ausbildet, wobei die Heizvorrichtung (90) gebildet ist aus einer Vielzahl von einzeln eine Heizleistung ansteuerbaren Heizelementen (90.1, 90.2, 90.x), insbesondere Heizdrähte, Heizfolien, Heizpasten oder Peltierelemente und ausgebildet ist, zumindest in lokalen Bereichen des optischen Elementes (10) mit erniedrigter Erwärmung durch Einbringen einer Wärmeenergie (W) die Temperaturwerte zu erhöhen
Temperierungsverfahren an einem optischen Element (10), insbesondere an einem optischen Element gemäß dem Anspruch 12 und insbesondere innerhalb einer Anordnung eines optischen Systems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturwerte einer lokalen Temperaturverteilung (70) des optischen Elementes (10) mittels einer Temperaturerfassungsvorrichtung erfasst werden, wobei die Temperaturwerte zumindest in lokalen Bereichen des optischen Elementes (10) mit erniedrigten Temperaturwerten durch Einbringen einer Wärmeenergie (W) mittels einer Heizvorrichtung (90) erhöht werden, insbesondere derart, dass die Temperaturverteilung (70), insbesondere in einem Funktionsbereich und/oder -fläche (11', 11) des optischen Elementes (10), ausnivelliert wird.
Temperierungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausnivellieren der Temperaturverteilung (70) das optische Element (10) zusätzlich durch eine Kühlvorrichtung (20) gekühlt wird, insbesondere in lokalen Bereichen des optischen Elementes (10) mit erhöhten Temperaturwerten.
Temperierungsverfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Betriebssituation des optischen Elementes eine auf das optische Element (10) die Temperaturverteilung (70) beeinflussende Prozessgröße einwirkt, beispielsweise eine elektromagnetische Strahlung (50), wobei zum Ausnivellieren der Temperaturverteilung (70) eine Heizleistung der Heizvorrichtung (90) und/oder eine Kühlleistung der Kühlvorrichtung (20) mittels einer Regelvorrichtung (35) angepasst wird, insbesondere derart, dass die ausnivellierte Temperaturverteilung (70) auf einem für das optische Element (10) betriebsoptimierten Temperaturniveau erfolgt.