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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Optikeinheit, insbesondere einen Strahlaufweiter, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Optikeinheit gemäß den Hauptansprüchen.
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In herkömmlichen optischen Elementen, speziell in Strahlaufweitern, besteht eine Problematik darin, dass bei einem durch Strahlen dieser optischen Elemente Reflexionen bzw. Diffusionseffekte auftreten, die einerseits den Lichtstrahl durch diese optischen Elementes schwächen und andererseits dass durch diese optischen Elemente teilweise reflektierte Licht an Stellen reflektiert wird, die nicht beleuchtet werden sollen. Insbesondere dann, wenn ein sehr energiereicher Lichtstrahl wie beispielsweise ein Laser zur Materialbearbeitung verwendet wird, besteht durch solche Reflexionen bzw. Diffusionseffekte eine große Gefahr in Bezug auf die Präzision der Bearbeitung des zu bearbeitenden Werkstücks als auch in Bezug auf mögliche Gefahren beim Betrieb von solchen optischen Elementen. Beispielsweise können durch ungewünschte oder unbeabsichtigte Reflexionen eines Teils des Laserstrahls bestimmte Bereiche einer Halde Apparatur für die optischen Elemente erlernt werden und sich hierdurch aus denen, sodass eine präzise Anordnung der optischen Element nicht mehr sichergestellt werden kann, wodurch sich die durch die optischen Elemente gewünschte Funktion nicht mehr eindeutig und reproduzierbar einstellen lässt. Dies hat zur Folge, dass die mit den optischen Elementen und dem Laser bearbeiteten Werkstücke keine gleich bleibende hohe Präzision aufweisen und somit möglicherweise ein erhöhter Ausschuss bei der Verwendung von derartigen optischen Elementen zu verzeichnen ist.
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Vor diesem Hintergrund wird dem hier vorgestellten Ansatz eine Möglichkeit zur Verbesserung einer Optikeinheit sowie eines verbesserten Verfahrens zum Betreiben einer Optikeinheit gemäß den Hauptansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen werden durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale ermöglicht.
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Der hier vorgeschlagene Ansatz schafft eine Optikeinheit, insbesondere einen Strahlaufweiter, mit folgenden Merkmalen:
- - einem in einem optischen Pfad angeordneten ersten optischen Element, das auf einer im optischen Pfad angeordneten ersten Oberfläche eine erste Struktur aufweist, wobei die erste Struktur Ausnehmungen in der Oberfläche des ersten optischen Elements aufweist, die mit zunehmender Tiefe in Richtung des ersten optischen Elements einen abnehmenden Querschnitt aufweist; und
- - einem in dem optischen Pfad angeordneten zweiten optischen Element, das auf einer im optischen Pfad angeordneten zweiten Oberfläche eine zweite Struktur aufweist, wobei die zweite Struktur Ausnehmungen in der Oberfläche des zweiten optischen Elements enthält, die mit zunehmender Tiefe in Richtung des zweiten optischen Elements einen abnehmenden Querschnitt aufweist.
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Unter einer Optikeinheit kann vorliegend ein Verbund aus dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element verstanden werden, die in einem optischen Pfad angeordnet sind. Unter einem ersten optischen Element und/oder einem zweiten optischen Element kann vorliegend beispielsweise eine Linse verstanden werden. Unter einer Struktur kann vorliegend ein Muster aus Ausnehmungen und/oder Erhebungen verstanden werden, welches beispielsweise zyklisch wiederholt in eine Oberfläche des ersten optischen Elementes bzw. in eine Oberfläche des zweiten optischen Elementes eingebracht ist. Unter einer Ausnehmung kann beispielsweise eine künstlich eingebrachte Vertiefung in der Oberfläche eines der optischen Elemente verstanden werden. Beispielsweise kann die Ausnehmung mittels Ätzungsverfahrens in eine Oberfläche eines der optischen Elemente eingebracht werden. Die Ausnehmungen in der Oberfläche des ersten und/oder zweiten optischen Elementes weißt mit zunehmender Tiefe in Richtung des betreffenden optischen Elementes einen abnehmenden Querschnitt auf. Dies bedeutet, dass die Ausnehmung mit zunehmender Tiefe von einer Oberfläche in Richtung des Inneren des betreffenden optischen Elementes immer kleiner wird, sich beispielsweise stetig verjüngt. Günstigerweise haben die Ausnehmungen Abmessungen (das heißt eine Höhe/Tiefe oder Breite), die kleiner als eine Wellenlänge des Lichts sind, welches durch den optischen Pfad geführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass durch die erste Struktur und die zweite Struktur die Reflexion bzw. Diffusion von Licht aus dem optischen Pfad reduziert oder ganz vermieden werden kann. Dies resultiert daraus, dass durch das Anordnen der ersten Struktur und der zweiten Struktur eine über eine größere Fläche betrachtet kontinuierliche Änderung der Brechzahl vom Inneren des ersten optischen Elementes bzw. vom Inneren des zweiten optischen Elementes über die betreffende Oberfläche mit der Struktur in ein Äußeres um das erste optische Element bzw. das zweite optische Element realisiert wird, welche dazu führt, dass eine abrupte Änderung der Brechzahl an einer Oberfläche eines optischen Elementes vermieden werden kann. Durch das Vermeiden der abrupten Änderung der Brechzahl durch das vorsehen der entsprechenden ersten Struktur auf der ersten Oberfläche des ersten optischen Elementes und der zweiten Struktur auf der zweiten Oberfläche des zweiten optischen Elementes wird daher vorteilhaft die Reflexion oder Diffusion von Licht aus dem optischen Pfad reduziert oder ganz vermieden.
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Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der das erste optische Element auf einer im optischen Pfad angeordneten dritten Oberfläche eine dritte Struktur aufweist, insbesondere wobei die dritte Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt, wobei die dritte Struktur Ausnehmungen in der Oberfläche des ersten optischen Elements aufweist, die mit zunehmender Tiefe in Richtung des ersten optischen Elements einen abnehmenden Querschnitt aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann auch gemäß einer Ausführungsform das zweite optische Element auf einer im optischen Pfad angeordneten vierten Oberfläche eine vierte Struktur aufweist, insbesondere wobei die vierte Oberfläche der zweiten Oberfläche gegenüberliegt, wobei die vierte Struktur Ausnehmungen in der Oberfläche des zweiten optischen Elements aufweist, die mit zunehmender Tiefe in Richtung des zweiten optischen Elements einen abnehmenden Querschnitt aufweist. Hierbei können die dritte Struktur und/oder die vierte Struktur analog zur ersten Struktur und/oder zweiten Struktur ausgebildet der aufgebaut sein. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil, dass bei einem Eintritt von Licht in das erste optische Element und/oder bei einem Austritt von Licht aus dem ersten optischen Element eine Diffusion oder Reflexion dieses Lichtes aus dem optischen Pfad genauso vermieden werden kann, wie bei einem Eintritt von Licht in das zweite optische Element und/oder bei einem Austritt von Licht aus dem zweiten optischen Element. Die Vorteile des vorstehend genannten Ansatzes lassen sich daher durch das Vorsehen von entsprechenden Strukturen sowohl auf der Eintrittsseite des Lichtes als auch auf der Austrittseite des Lichtes nochmals besser realisieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes kann die erste Struktur und die zweite Struktur gleich sein, insbesondere wobei auch die dritte Struktur und die vierte Struktur gleich sind. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, ein einheitliches Herstellungsverfahren der Einbringungsverfahren für die entsprechende Struktur auf der entsprechenden Oberfläche des jeweils betreffenden optischen Elementes verwenden zu können, sodass die Herstellungskosten für eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes wesentlich reduziert werden können.
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Denkbar ist weiterhin auch eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der die Ausnehmungen der ersten Struktur und/oder die Ausnehmungen der zweiten Struktur eine Tiefe und/oder Breite aufweisen, die kleiner als ein Mikrometer ist, insbesondere die kleiner als 850 Nanometer oder kleiner als 600 Nanometer oder kleiner als 400 Nanometer ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Strukturen entsprechend kleine Abmessungen aufweisen, sodass diese Reflexionen von Licht aufgrund ihrer kleinen Abmessungen weit gehend unterdrücken. Auf diese Weise lässt sich eine sehr hohe Fokussierung des in den optischen Pfad eingespeisten Lichts erreichen.
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Günstig ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der Erhebungen in der ersten und/oder zweiten Struktur eine zyklisch wiederholte Form aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Oberfläche vollständig mit der ersten Struktur strukturiert sein und/oder die zweite Oberfläche vollständig mit der zweiten Struktur strukturiert sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch eine gleichmäßige, insbesondere zyklisch wiederholte Anordnung der Erhebungen bzw. Ausnehmung in in der Oberfläche des betreffenden optischen Elementes eine auf eine größere Fläche betrachtete gemittelte kontinuierliche Änderung des Brechzahlindexes in unterschiedlichen Tiefen einer Oberfläche des jeweiligen optischen Elementes ausbilden zu können.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der die Ausnehmungen der ersten Struktur und/oder der zweiten Struktur ausgeformt sind, um sich mit zunehmender Tiefe in Richtung des ersten optischen Elementes stetig zunehmend zu verjüngen. Durch eine solche stetige Verjüngung oder Abnahme des Querschnitts bzw. der Breite der Ausnehmung lässt sich besonders vorteilhaft die kontinuierliche Änderung des Brechzahlindexes erreichen, sodass Reflexionen bzw. eine Diffusion von Licht aus dem optischen Pfad möglichst gut vermieden werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes kann das zweite optische Element einen größeren Durchmesser haben, als das erste optische Element und/oder wobei das erste optische Element und das zweite optische Element derart angeordnet sind, dass ein Lichtstrahl zunächst das erste optische Element und nachfolgend das zweite optische Element durchstrahlt. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, auch in der Form eines Strahlaufweiters in möglichst dem gesamten Querschnitt der von Licht durchstrahlten Oberfläche des jeweils betreffenden optischen Elementes die entsprechende Struktur vorsehen zu können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann das erste und/oder das zweite optische Element als Linse ausgeformt sein, insbesondere wobei das erste optische Element als Zerstreuungslinse ausgebildet ist und das zweite optische Element als Sammellinse ausgebildet ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, insbesondere im Bereich der Formung von hochenergetischen Lichtstrahlen wie Laserstrahlen im Bereich der Materialverarbeitung möglichst geringe Reflexionen oder Diffusionen dieser hochenergetischen Lichtstrahlen zu bewirken, sodass eine präzise Bearbeitung von Werkstücken möglich wird.
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Auch kann in einer anderen Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes das erste und das zweite optische Element zueinander verstellbar angeordnet ist. Eine solche Ausführungsform bietet eine hohe Flexibilität im Bereich der Verwendung von unterschiedlichen Lichtstrahlen, sodass eine einfache Umrüstung entweder herstellerseitig oder anwenderseitig möglich wird, sodass durch eine einheitliche Bauform einer Optikeinheit Kostenvorteile realisiert werden können.
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Denkbar ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der das zweite optische Element aus der Optikeinheit auswechselbar angeordnet ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil durch einfache Adaption von wenigen Komponenten an verschiedene Anwendungszenarien angepasst werden zu können. Auf diese Weise lässt sich eine sehr flexibel einsetzbare Optikeinheit zu günstigen Herstellungskosten fertigen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes als Beleuchtungseinheit mit einer Variante einer hier vorgestellten Optikeinheit und einer Lichtquelle, die ausgebildet oder angeordnet ist, um einen Lichtstrahl entlang des optischen Pfads durch die Optikeinheit zu senden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, eine mit der Lichtquelle, insbesondere der Frequenz des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichts abgestimmte Optikeinheit zu schaffen, welche eine besonders geringe Reflexionseigenschaft bzw. Diffusionseigenschaft bei deren Betrieb aufweist.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der die Lichtquelle als Laserlichtquelle ausgebildet ist. Eine solche Ausführungsform bietet vorteilhaft speziell im Bereich der Werkstoffbearbeitung gute Reflexions- bzw. Diffusionseigenschaften, sodass eine präzise Bearbeitung eines Werkstücks mit einer derart ausgestalteten Beleuchtungsvorrichtung eröffnet wird.
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Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes als Verfahren zum Betreiben einer Variante einer hier vorgestellten Optikeinheit, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
- - Durchstrahlen des ersten und zweiten optischen Elementes im optischen Pfad mit Licht.
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Auch mit einer solchen Variante lassen sich die vorstehend genannten Vorteile effizient und kostengünstig realisieren.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes mit einer Lichtquelle und einer Optikeinheit; und
- 2A eine Querschnittsdarstellung durch das erste optische Element in Detailansicht;
- 2B eine Querschnittsdarstellung durch das zweite optische Element in Detailansicht;
- 3 in 3A, 3B, 3C und 3D die Anordnung jeweils des ersten optischen Elementes in Bezug zum zweiten optischen Element eines Ausführungsbeispiels einer Optikeinheit; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinheit 100 mit einer Lichtquelle 110, die zur Ausgabe eines Laserstrahls 115 ausgebildet ist. Der Laserstrahl 115 wird in einen optischen Pfad 120 einer Optikeinheit 125 eingespeist, wobei die Optikeinheit 125 ein erstes optisches Element 130 und ein im optischen Pfad 120 dem ersten optischen Element 130 nachfolgend angeordnetes zweites optisches Element 135 aufweist das erste optische Element 130 ist beispielsweise als Zerstreuungslinse ausgebildet, wogegen das zweite optische Element 135 als Sammellinse ausgebildet ist. In einer solchen Konfiguration arbeitet die Optikeinheit 125 als Strahlaufweiter, was aus der Darstellung der 1 auch ersichtlich ist, da der in die Optikeinheit 125 eingespeist die Laserstrahl 115 einen kleineren Durchmesser aufweist, als der aus der Optikeinheit 124 ausgestrahlte Laserstrahl 140. Eine solche Konfiguration es insbesondere für die Materialbearbeitung sehr hilfreich, da beispielsweise zum Schneiden oder Schweißen von unterschiedlichen Materialien oder in unterschiedlichen Anwendungsszenarien unterschiedlich breite Laserstrahlen benötigt werden, wogegen standardisierte Laserlichtquellen wie die in der 1 dargestellte Lichtquelle 110 meist lediglich einen Laserstrahl 115 mit einem bestimmten Querschnitt bereitstellen können.
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In herkömmlichen Systemen mit einer Optikeinheit wie der in der 1 dargestellten Optikeinheit 125 sind nun die Oberflächen des ersten optischen Elementes 130 und/oder des zweiten optischen Elementes 135 nicht speziell strukturiert, sodass aus dem Laserstrahl 115, der beispielsweise dem ersten optischen Element 130 zugeführt wird, ein reflektierter Teil-Laserstrahl an einer Oberfläche des ersten optischen Elementes 130 reflektiert wird, der in der 1 mit dem Bezugszeichen 145 versehen ist. Denkbar ist auch, dass ein solcher entsprechender Teil-Laserstrahl an einer Oberfläche des zweiten optischen Elementes 135 reflektiert wird, und auf eine Wand oder ein Gehäuse der Optikeinheit 125 trifft. Dies führt einerseits dazu, dass die Intensität des aus der Optikeinheit 120 austretenden Laserstrahls 140 gemindert wird, da entsprechende Teil-Laserstrahlen wie der Strahl 145 eine Verlustleistung bedeuten, als auch andererseits dazu, dass diejenigen Positionen des Gehäuses der Optikeinheit 125, die von den entsprechenden Teil-Laserstrahlen wie dem Strahl 145 getroffen werden, sich erwärmen und somit aus denen. Dies führt dazu, dass die Halterungen des ersten optischen Elementes 130 und/oder zweiten optischen Elementes 135 nicht mehr an exakt definierten Positionen in der Optikeinheit 125 gehalten werden, sodass durch die auch geringfügige Positionsänderung Änderungen im optischen Verhalten des ersten optischen Elementes 130 und/oder des zweiten optischen Elementes 135 bewirkt wird, die sich auf die Form des aus der Optikeinheit 125 ausgestrahlten Laserstrahl 140 auswirkt. Hierdurch kann auch eine Qualitätsminderung des Werkstücks verursacht werden, die mit einem solchen aus der Optikeinheit 125 ausgestrahlten Lichtstrahl 140 bearbeitet werden.
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Um nun solche Qualitätsverluste durch unbeabsichtigte Reflexionen oder Diffusionen von Lichtstrahlen an dem ersten optischen Element 130 und/oder der zweiten optischen Element 135 zu vermeiden, wird nun im ersten optischen Element 130 und im zweiten optischen Element 135 an zumindest jeweils einer Oberfläche eine entsprechende Struktur aufgebracht, wie dies nachfolgend näher beschrieben ist.
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2A zeigt eine Querschnittsdarstellung durch das erste optische Element 130 in Detailansicht, wobei erkennbar ist, dass das erste optische Element 130 an einer ersten Oberfläche 200 eine erste Struktur 210 aufweist. Die erste Oberfläche 200 ist hierbei beispielsweise diejenige Seite des ersten optischen Elementes 130, die dem einfallenden Lichtstrahl 115 abgewandt ist. An der ersten Oberfläche 200 ist hierbei die erste Struktur 210 angeordnet, die die Ausnehmungen 220 aufweist, die mit zunehmender Tiefe von der ersten Oberfläche 200 einen geringeren Querschnitt aufweisen. Erkennbar ist dies in der Darstellung aus 2A dadurch, dass die Ausnehmung in 220 in der ersten Oberfläche 200 mit zunehmender Tiefe in das Material des ersten optischen Elementes 130 schmaler werden, sich also verjüngen. Beispielsweise können sich die Ausnehmungen 220 kegelförmig oder pyramidenförmig von der ersten Oberfläche 200 in das Material des ersten optischen Elementes 130 hinein erstrecken. Günstig ist ferner auch, wenn sich die erste Struktur 210 über möglichst die gesamte erste Oberfläche 200 des ersten optischen Elementes 130 hinweg erstreckt, das bedeutet, dass die gesamte Oberfläche der dem Lichtstrahl 115 abgewandten Seite des ersten optischen Elementes 130 mit der ersten Struktur 210 bedeckt ist. Günstigerweise ist ferner die Tiefe und/oder Breite der Ausnehmungen 220 so dimensioniert, dass sie kleiner als die Wellenlänge des Lichtes des Lichtstrahls 115 ist, der in das erste optische Element 130 eingestrahlt wird.
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Die erste Struktur 210 bewirkt nun, dass der Lichtstrahl 115, der in das erste optische Element 130 eintritt, an der Austrittsseite des ersten optischen Elementes 130 keinen abrupten Sprung des Brechungsindexes erfährt, sondern durch die Ausnehmungen 220, die kontinuierlich in Richtung der Oberfläche 200 des ersten optischen Elementes 130 breiter werden quasi eine kontinuierliche Änderung des Brechungsindexes vom Brechungsindex des Materials des ersten optischen Elementes 130 zum Brechungsindex des Mediums außerhalb des ersten optischen Elementes 130, hier beispielsweise Luft, erfahren. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass beispielsweise ein einzelnen Unebenheiten der ersten Oberfläche 200 Reflexionen und/oder Diffusionen von Licht des Lichtstrahls 115 bewirkt wird, der, wie vorstehend ausgeführt, eine Verschlechterung der Bearbeitungsmöglichkeit eines Werkstücks durch einen aus der Optikeinheit 120 austretenden Lichtstrahl 140 verursacht. Vielmehr kann durch den simulierten kontinuierlichen Übergang des Brechungsindexes eine scharfe Fokussierung bzw. Aufweitung des Lichtstrahls 115 erreicht werden.
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Um die erste Struktur 210 in die erste Oberfläche 200 des ersten optischen Elementes 130 eindringen zu können, wird beispielsweise ein Ätzverfahren verwendet, welches beispielsweise aus der Halbleiterstrukturierung bekannt ist Beziehungsweise entsprechend zur Strukturierung des Materials des ersten optischen Elementes 130 angepasst werden kann. Günstig ist auch, wenn die Ausnehmungen 220 und die dazwischenliegenden Erhebungen 230 möglichst zyklisch wiederholt in die erste Oberfläche 200 eingebracht werden, da auf diese Weise über einen großen Flächenabschnitt ein möglichst gleichmäßiges optisches Verhalten der ersten Struktur 210 erreicht werden kann.
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Günstig ist weiterhin, wenn nicht nur die erste Struktur 210 an der ersten Oberfläche 200 des ersten optischen Elementes 130 eingebracht wird, sondern wenn beispielsweise auch an einer Einfallsseite des Lichtstrahls 115 eine entsprechende Struktur 250 in eine Oberfläche 260 des ersten optischen Elementes 130 eingebracht wird. Hierbei wird die Oberfläche 260 des ersten optischen Elementes 130, die dem einfallende Lichtstrahl 115 zugewandt ist, als dritte Oberfläche 260 bezeichnet, wobei die in die dritte Oberfläche 260 eingebrachte Struktur als dritte Struktur 250 bezeichnet wird. Die dritte Struktur 250 kann hierbei analog zur ersten Struktur 210, nun jedoch auf die dritte Oberfläche 260, ausgebildet oder eingebracht werden, sodass beispielsweise ein einheitliches Herstellungsverfahren für die erste Struktur 210 und die dritte Struktur 250 angewendet werden kann, wobei beispielsweise jedoch lediglich das erste optische Element 130 gedreht werden braucht. Auf diese Weise lässt sich sowohl eine Reflexion bzw. Diffusion auf einer Lichteintrittsseite des ersten optischen Elementes 130, also auf der dritten Oberfläche 260, als auch auf der Lichtaustrittsseite des ersten optischen Elementes 130, also an der ersten Oberfläche 200 reduzieren oder ganz zu vermeiden.
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2B zeigt eine Querschnittsdarstellung durch das zweite optische Element 135 in Detailansicht, wobei ebenfalls erkennbar ist, dass das zweite optische Element 135 an einer zweiten Oberfläche 270 eine zweite Struktur 275 aufweist. Die zweite Oberfläche 270 ist hierbei beispielsweise diejenige Seite des zweiten optischen Elementes 135, die dem ausgehenden Lichtstrahl 140 aus 1 zugewandt ist. Auf der zweiten Oberfläche 270 ist dabei die zweite Struktur 275 angeordnet, die Ausnehmung 277 aufweist, die ebenfalls mit zunehmender Tiefe von der zweiten Oberfläche 270 einen geringeren Querschnitt aufweisen. Erkennbar ist dies ebenfalls in der Darstellung aus der 2B dadurch, dass die Ausnehmungen 277 mit zunehmender Tiefe in das Material des zweiten optischen Elementes 135 schmaler werden, also Sie ebenfalls verjüngen. Beispielsweise können sich auch die Ausnehmungen 277 kegelförmig oder pyramidenförmig von der zweiten Oberfläche 270 in das Material des zweiten optischen Elementes 135 hinein erstrecken. Günstig ist ferner auch, wenn sich die zweite Struktur 275 über möglichst die gesamte zweite Oberfläche 270 hinweg erstreckt, das bedeutet, dass die gesamte Oberfläche des dem ausgehenden Lichtstrahl 140 zugewandten Seite des zweiten optischen Elementes 135 mit der zweiten Struktur 270 bedeckt ist. Günstigerweise ist ferner die Tiefe und/oder breite der Ausnehmung in 277 so dimensioniert, dass Sie ebenfalls kleiner als die Wellenlänge des Lichtes des Lichtstrahls ist, der in das zweite optische Element 135 eingestrahlt wird.
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Insofern kann angemerkt werden, dass die zweite Struktur 275, die entsprechende Ausnehmungen 277 mit dazwischenliegenden Erhebungen 280 umfasst, analog zur ersten Struktur 210 und/oder zur dritten Struktur 250 aufgebaut oder ausgebildet sein kann, wodurch sich die Herstellung der entsprechenden Strukturen 210,250 und/oder 275 mit einer einheitlichen Strukturierungstechnologie, nun jedoch auf unterschiedliche optische Elemente wie das erste optische Element 130 oder das zweite optische Element 135 eindringen lässt. Die Wirkung der zweiten Struktur 275 ist hierbei analog der Wirkung der ersten Struktur 210 bzw. der Wirkung der dritten Struktur 250, wie sie bereits mit Bezug zur 2A näher erläutert wurde
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Zusätzlich kann auch noch auf einer der zweiten Oberfläche 270 gegenüberliegenden vierten Oberfläche 285 eine vierte Struktur 290 eingebracht werden, die ebenfalls analog zur ersten Struktur 210 und/oder zur dritten Struktur 250 und/oder zur zweiten Struktur 275 ausgebildet ist, also beispielsweise gleiche Formen der Ausnehmungen, Abmessungen in Tiefe und/oder Breite aufweist und/oder vollständig über die entsprechende vierte Oberfläche 285 erstreckt ist. Die vierte Struktur 290 wirkt dabei ebenfalls analog wie die erste Struktur 210, die dritte Struktur 215 und/oder die zweite Struktur 275.
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Wird nun das erste optische Element 130 mit der ersten Struktur 210 an der ersten Oberfläche 200 sowie der dritten Struktur 250 an der dritten Oberfläche 260 versehen als auch das zweite optische Element 135 mit der zweiten Struktur 275 an der zweiten Oberfläche 270 als auch mit der vierten Struktur 290 an der vierten Oberfläche 275 versehen, lässt sich auf diese Weise eine Optikeinheit 125 schaffen, die eine sehr geringe Neigung einer Reflexion oder Diffusion des in die Optikeinheit eingestreuten Lichtstrahls 115 aufweist, sodass einerseits eine hohe Intensität des aus der Optikeinheit 125 ausgehenden Lichtstrahls 140 erreicht werden kann, als auch und gewünschte Erwärmungen an einem Gehäuse der Optikeinheit 125 bewirkt werden, die zur einer fehlerhaften optischen Anordnung des ersten optischen Elementes 130 in Bezug zum zweiten optischen Element 135 führt.
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3 zeigt in vier 3A, 3B, 3C und 3D die Anordnung jeweils des ersten optischen Elementes 130 in Bezug zum zweiten optischen Element 135 eines Ausführungsbeispiels einer Optikeinheit 125, wobei diesem Fall das erste optische Element 130 die erste Struktur 210 an der ersten Oberfläche 200 sowie die dritte Struktur 250 an der dritten Oberfläche 260 aufweist und das zweite optische Element 135 an der zweiten Oberfläche 270 die zweite Struktur 275 und an der vierten Oberfläche 285 die vierte Struktur 290. Die entsprechenden Strukturen sind hierbei lediglich in der 3A explizit dargestellt, wobei auch in den weiteren 3B, 3C oder 3D das erste optische Element 130 die betreffende erste und dritte Struktur als auch das zweite optische Element 135 die betreffende zweite und vierte Struktur aufweist, auch wenn dies nicht explizit dargestellt ist. Dargestellt ist hierbei eine Ausführungsform der Optikeinheit 125, die als Strahlaufweiter arbeitet, wobei ein Querschnitt des Eingangsstrahls 115 um das Vierfache aufgeweitet wird, sodass der Querschnitt des Ausgangsstrahls 140 viermal dem Querschnitt des Eingangsstrahls 115 entspricht.
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In der 3A ist eine Konfiguration des ersten optischen Elementes 130 sowie des zweiten optischen Elementes 135 wiedergegeben, bei der der Eingangslichtstrahl 115 mit einer Wellenlänge von beispielsweise 355 Nanometer durch die in der 3A nicht dargestellte Lichtquelle auf das erste optische Element 130 eingestellt wird. Der Abstand zwischen dem ersten optischen Element 130 und dem zweiten optischen Element 135 beträgt hierbei beispielsweise 61,109 Millimeter, wobei ein Krümmungsradius der vierten Oberfläche 264 beispielsweise 314 Millimeter beträgt. Ein Krümmungsradius der zweiten Oberfläche 270 kann hierbei für alle zweiten optischen Elemente 135, die in den Teilfiguren der 3 dargestellt sind, gleichbleiben. Weiterhin ist auch die Ausformung des ersten optischen Elementes 130 als Linse in allen Teilfiguren der 3 gleich.
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In der 3B ist eine Konfiguration des ersten optischen Elementes 130 in Bezug zum zweiten optischen Element 135 dargestellt, wobei nun diese Konfiguration für Licht des Eingangslichtstrahls 115 mit einer Wellenlänge von 532 Nanometer ausgelegt ist. In diesem Fall beträgt der Abstand D zwischen dem ersten optischen Element 130 und dem zweiten optischen Element 135 beispielsweise 61,135 Millimeter, wogegen der Krümmungsradius der vierten Oberfläche 285 260 Millimeter beträgt.
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In der 3C ist eine Konfiguration des optischen Elementes 130 in Bezug zum zweiten optischen Element 135 dargestellt, wobei nun diese Konfiguration für Licht des Eingangslichtstrahls 115 mit einer Wellenlänge von 800 Nanometer ausgelegt ist. In diesem Fall beträgt der Abstand D zwischen dem ersten optischen Element 130 und dem zweiten optischen Element 135 62,169 Millimeter, wogegen der Krümmungsradius der vierten Oberfläche 285 260 Millimeter beträgt. Es ist also erkennbar, dass der Abstand zwischen dem ersten optischen Element 130 und dem zweiten optischen Element 135 mit zunehmender Wellenlänge länger wird, was durch eine Dispersion des Brechungsindex verursacht ist.
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In der Teilfigur über 3D ist eine Konfiguration des optischen Elementes 130 in Bezug zum zweiten optischen Element 135 dargestellt, wobei nun diese Konfiguration für Licht des Eingangslichtstrahls 115 von 1064 Nanometer ausgelegt ist. In diesem Fall beträgt der Abstand D zwischen dem ersten optischen Element 130 dem zweiten optischen Element 135 58,836 Millimeter, wogegen der Krümmungsradius der vierten Oberfläche 285 196 Millimeter beträgt.
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Günstiges des beispielsweise auch, wenn das erste optische Element 130 und/oder das zweite optische Element 135 zueinander beweglich ausgestaltet sind. Auf diese Weise kann durch beispielsweise eine Verschiebung des ersten optischen Elements 130 in Bezug zum zweiten optischen Element 135 eine Anpassung an eine Wellenlänge des Lichts erfolgen, welches als Eingangslichtstrahl 115 in die Optikeinheit 125 eingestrahlt wird. Je nachdem in welchem Anwendungsszenario die Optikeinheit 125 betrieben werden soll, beispielsweise welches Material gerade bearbeitet werden soll und eine entsprechende Wellenlänge des Lichtstrahls 115 erfordert. Denkbar ist auch, dass beispielsweise das zweite optische Element 135 austauschbar ist, wodurch nun mit sehr einfachen Mitteln auch eine Anpassung des Einsatzszenarios für die Optikeinheit 125 erreicht wird. Durch das Vorsehen des ersten optischen Elementes 130 mit der ersten Struktur 210 und eventuell günstigerweise noch der dritten Struktur 250 als auch des zweiten optischen Elementes 130 mit der zweiten Struktur 275 und eventuell günstigerweise noch der vierten Struktur 290 lässt sich somit einerseits sehr effizient und einfach die entsprechende Strukturierung des ersten optischen Element 130 als auch des zweiten optischen Elementes 135 vornehmen, wodurch mit kostengünstigen Mitteln ein sehr flexibel einsetzbare Optikeinheit geschaffen werden kann, die reduzierte Reflexionen und eine geringe Diffusion von eingestrahltem Licht 115 ermöglicht.
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4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren 400 zum Betreiben einer Optikeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes. Das Verfahren 400 umfasst den Schritt 410 des Durchstrahlens des ersten und zweiten optischen Elementes im optischen Pfad mit Licht.
