DE102019132003A1 - Optical unit and method for operating an optical unit - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Einheit (100) mit einem Brechelement (105), das ausgebildet ist, um einen Strahl (122) einer von einer Strahlungsquelle (125) auf ein Objekt (135) ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung zu brechen. Ferner umfast die optische Einheit (100) ein Sensorelement (140), das ausgebildet ist, um eine Temperatur auf zumindest einem Teilbereich (148) des Brechelementes (105) berührungslos zu erfassen und ansprechend auf die Temperatur ein Temperatursignal (142) auszugeben.The present invention relates to an optical unit (100) with a refractive element (105) which is designed to refract a beam (122) of electromagnetic radiation emitted from a radiation source (125) onto an object (135). Furthermore, the optical unit (100) comprises a sensor element (140) which is designed to detect a temperature in at least a partial area (148) of the breaking element (105) without contact and to output a temperature signal (142) in response to the temperature.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine optische Einheit und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Einheit gemäß den Hauptansprüchen.The invention relates to an optical unit and a method for operating an optical unit according to the main claims.
In optischen Systemen wird oftmals durch die Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung auf optische Elemente, beispielsweise in dem Fall der Einstrahlung eines Laserstrahls auf eine Linse oder ein Prisma, dieses optische Element erwärmt, sodass sich einerseits die Brechzahl des optischen Elements verändern kann und anderseits auch eine gewisse thermische Ausdehnung dieses Element erfolgt, was in der Folge dazu führt, dass die optische Funktion dieses optischen Elements verändert wird und eine gewünschte Brechung durch dieses optische Element nicht mehr erreicht werden kann.In optical systems, this optical element is often heated by the irradiation of electromagnetic radiation on optical elements, for example in the case of the irradiation of a laser beam on a lens or a prism, so that on the one hand the refractive index of the optical element can change and on the other hand a certain one thermal expansion of this element takes place, which subsequently leads to the optical function of this optical element being changed and a desired refraction by this optical element no longer being achieved.
Hiervon ausgehend wird eine optische Einheit sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser optischen Einheit gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der Hauptansprüche werden durch die abhängigen Ansprüche definiert.Starting from this, an optical unit and a method for operating this optical unit according to the main claims are presented. Advantageous developments of the subjects of the main claims are defined by the dependent claims.
Vorliegend wird eine optische Einheit mit den folgenden Merkmalen vorgestellt:
- - einem Brechelement, das ausgebildet ist, um einen Strahl einer von einer Strahlungsquelle auf ein Objekt ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung zu brechen; und
- - ein Sensorelement, das ausgebildet ist, um eine Temperatur auf zumindest einem Teilbereich des Brechelementes berührungslos zu erfassen und ansprechend auf die Temperatur ein Temperatursignal auszugeben.
- a refractive element which is designed to refract a beam of electromagnetic radiation emitted by a radiation source onto an object; and
- a sensor element which is designed to detect a temperature in at least a partial area of the breaking element without contact and to output a temperature signal in response to the temperature.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der eine Fokussiereinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um abhängig von dem Temperatursignal einen Abstand zwischen dem Brechelement und dem Objekt zu verändern und/oder zwischen der Strahlungsquelle und dem Brechelement oder dem Objekt zu verändern und/oder um eine Position eines Hilfselements in einem Strahlengang des Strahls zu verändern, um den Strahl auf das Objekt zu fokussieren. An embodiment of the approach presented here is particularly advantageous in which a focusing unit is provided which is designed to change a distance between the refractive element and the object and / or between the radiation source and the refractive element or the object depending on the temperature signal and / or to change a position of an auxiliary element in a beam path of the beam in order to focus the beam on the object.
Unter einem Brechelement kann ein optisches Element verstanden werden, welches einen Strahl einer elektromagnetischen Strahlung brechen oder ablenken kann. Beispielsweise kann ein solches Brechelement eine Linse oder ein Prisma sein. Auch kann das Brechelement mehrere Teilelemente aufweisen, die selbst wieder als optisch brechende Elemente wirken. Unter einer elektromagnetischen Strahlung kann beispielsweise eine Lichtstrahlung verstanden werden, die beispielsweise durch eine Lichtquelle oder eine Laserquelle als Strahlungsquelle ausgesandt wird. Denkbar ist auch, dass die elektromagnetische Strahlung eine Infrarot-Strahlung ist. Unter einem Sensorelement kann ein Element verstanden werden, welches Temperaturen berührungslos erfassen kann, beispielsweise durch die Erkennung und Aufzeichnung einer Infrarotstrahlung. Unter einem Temperatursignal kann ein elektrisches Signal verstanden werden, welches eine Temperatur in einem Teilbereich des Brechelementes repräsentiert. Unter einem Teilbereich des Brechelementes kann beispielsweise eine Oberfläche dieses Brechelementes, beispielsweise in einem zentralen Abschnitt oder Mittelbereich dieses Brechelements, verstanden werden, wobei dieser Teilbereich beispielsweise von dem Strahl der elektromagnetischen Strahlung durchstrahlt wird. Unter einer Fokussiereinheit kann beispielsweise eine mechanische Einheit verstanden werden, welche unterschiedliche Komponenten zueinander bewegen kann um hierbei beispielsweise einen Brennpunkt oder Schnittpunkt von Strahlen durch die optische Einheit zu verändern. Unter einem Hilfselement kann beispielsweise ein weiteres optisches Element wie eine Linse, ein Prisma, eine Scheibe oder ein Strahlaufweiter verstanden werden, der im Strahlengang des Strahls angeordnet ist.A refractive element can be understood as an optical element which can refract or deflect a beam of electromagnetic radiation. For example, such a refractive element can be a lens or a prism. The refractive element can also have a plurality of sub-elements which themselves again act as optically refractive elements. Electromagnetic radiation can be understood to mean, for example, light radiation that is emitted, for example, by a light source or a laser source as the radiation source. It is also conceivable that the electromagnetic radiation is infrared radiation. A sensor element can be understood to be an element which can detect temperatures without contact, for example by detecting and recording infrared radiation. A temperature signal can be understood to mean an electrical signal which represents a temperature in a partial area of the breaking element. A partial area of the refractive element can be understood, for example, as a surface of this refractive element, for example in a central section or middle area of this refractive element, this partial area being penetrated by the beam of electromagnetic radiation, for example. A focusing unit can for example be understood as a mechanical unit which can move different components with respect to one another in order to change a focal point or intersection of rays through the optical unit. An auxiliary element can be understood to mean, for example, a further optical element such as a lens, a prism, a disk or a beam expander, which is arranged in the beam path of the beam.
Es ist hierbei anzumerken, dass die Fokussiereinheit (die hier beispielsweise als „Motor“ ausgestaltet sein kann, nicht zwingend vorhanden zu sein braucht. Die Fokussierung könnte auch „außen“ erfolgen, beispielsweise durch ein Ändern der Werkstückposition bzw. des Brechelementes über einen Hubtisch.It should be noted here that the focusing unit (which can be designed as a “motor” here for example) does not necessarily have to be present. The focusing could also take place “externally”, for example by changing the workpiece position or the breaking element via a lifting table.
Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Ermittlung und Verwendung des Temperatursignals zur Fokussierung eine Möglichkeit besteht, eine Fehlausrichtung des Brechelements aufgrund einer Änderung der Temperatur in einem Teilbereich des Brechelements, insbesondere durch welchen der Strahl bzw. der Strahlengang verläuft, korrigieren zu können. Hierdurch wird eine deutlich effizientere Ausnutzung der elektromagnetischen Strahlung für einen gewünschten Einsatzzweck erreicht. Durch eine berührungslose Erfassung der Temperatur auf dem zumindest einen Teilbereich des Brechelementes lässt sich ferner eine sehr schnelle und Messfehlerrobuste Erfassung dieser Temperatur sicherstellen, sodass eine zeitnahe Nachadaption der Fokussierung des Lichtstrahls erreicht werden kann.The approach presented here is based on the knowledge that by determining and using the temperature signal for focusing there is a possibility of correcting a misalignment of the refractive element due to a change in temperature in a partial area of the refractive element, in particular through which the beam or the beam path runs to be able to. This results in a significantly more efficient use of the electromagnetic radiation for a desired purpose. A contactless detection of the temperature on the at least one partial area of the refractive element also ensures a very fast and measurement error-robust detection of this temperature, so that a prompt readjustment of the focusing of the light beam can be achieved.
Günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der das Sensorelement ausgebildet ist, um ferner eine Temperatur auf zumindest einem weitere Teilbereich des Brechelementes und/oder einem Teil eines das Brechelement tragenden Halteelement berührungslos zu erfassen, um ein weiteres Temperatursignal auszugeben, wobei die Fokussiereinheit ausgebildet ist, um abhängig von dem weiteren Temperatursignal einen Abstand zwischen dem Brechelement und dem Objekt zu verändern und/oder zwischen der Strahlungsquelle und dem Brechelement oder dem Objekt zu verändern und/oder um eine Position eines Hilfselements in einem Strahlengang des Strahls zu verändern, um den Strahl auf das Objekt zu fokussieren. Unter einem Halteelement kann beispielsweise ein Gehäuseteil verstanden werden, welches das Brechelement aufnimmt oder hält. Der weitere Teilbereich des Brechelements kann hierbei ein beispielsweise anderer Teilbereich der gleichen Komponenten des Brechelements sein, an dem auch das Sensorelement die Temperatur erfasst hat. Beispielsweise kann das Sensorelement die Temperatur in einem zentralen mittleren Teil einer Linse als Brechelement erfassen, der im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung liegt, und weiterhin eine Temperatur in einem Randbereich der Linse als Brechelement erfassen, die nicht im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung liegt. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise durch einen Vergleich der beiden erfassten Temperaturen auch erkennen, ob eine Temperaturerhöhung im zentralen mittleren Teil des Brechelements möglicherweise durch die Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung bedingt ist, oder ob eine Erhöhung der Umgebungstemperatur, die auf beide Teilbereich des Brechelements gleich wirkt, für eine erfasste Änderung der Temperatur ursächlich ist. Auf diese Weise lässt sich eine deutlich präzisere Anpassung der Fokussierung der optischen Einheit erreichen.An embodiment of the approach presented here is favorable in which the sensor element is designed to also set a temperature on at least one further sub-area of the The refractive element and / or a part of a holding element carrying the refractive element to detect contactlessly in order to output a further temperature signal, wherein the focusing unit is designed to change a distance between the refractive element and the object and / or between the radiation source and depending on the further temperature signal to change the refractive element or the object and / or to change a position of an auxiliary element in a beam path of the beam in order to focus the beam on the object. A holding element can for example be understood as a housing part which receives or holds the breaking element. The further sub-area of the breaking element can be, for example, another sub-area of the same components of the breaking element at which the sensor element has also detected the temperature. For example, the sensor element can detect the temperature in a central part of a lens as a refractive element, which is in the beam path of the electromagnetic radiation, and also detect a temperature in an edge region of the lens as a refractive element that is not in the beam path of the electromagnetic radiation. In this way, for example, by comparing the two recorded temperatures, it can also be seen whether a temperature increase in the central middle part of the refractive element is possibly caused by the radiation of the electromagnetic radiation, or whether an increase in the ambient temperature, which has the same effect on both subregions of the refractive element , is the cause of a detected change in temperature. In this way, a much more precise adjustment of the focusing of the optical unit can be achieved.
Besonders günstig ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der das Sensorelement zumindest zwei voneinander beabstandete Sensoren (auch Sensoreinheiten genannt) aufweist, wobei eine erste Sensoreinheit ausgebildet ist, die Temperatur eines ersten Teilelementes des Brechelementes zu erfassen und eine zweite Sensoreinheit ausgebildet ist, die Temperatur eines zweiten Teilelementes des Brechelementes zu erfassen und/oder wobei die erste Sensoreinheit ausgebildet ist, die Temperatur des Teilbereichs zu erfassen und die zweite Sensoreinheit ausgebildet ist, die Temperatur des weiteren Teilbereichs zu erfassen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch die voneinander beabstandeten Sensoren eine möglichst große Unabhängigkeit bei der Erfassung der Temperatur des Teilbereichs und der Erfassung der Temperatur des weiteren Teilbereichs oder der Temperaturen von unterschiedlichen Teilelementen des Brechelementes zu erreichen.Furthermore, an embodiment of the approach presented here is particularly favorable in which the sensor element has at least two spaced apart sensors (also called sensor units), a first sensor unit being designed to detect the temperature of a first sub-element of the breaking element and a second sensor unit being designed, to detect the temperature of a second sub-element of the breaking element and / or wherein the first sensor unit is designed to detect the temperature of the sub-area and the second sensor unit is designed to detect the temperature of the further sub-area. Such an embodiment offers the advantage of achieving the greatest possible independence when detecting the temperature of the sub-area and the detection of the temperature of the further sub-area or the temperatures of different sub-elements of the breaking element due to the spaced apart sensors.
Denkbar ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der das Sensorelement ausgebildet ist, um die Temperatur des Brechelementes aus einer Position in einem das Brechelement aufnehmenden Gehäuse zu erfassen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, besonders empfindlich auf Temperaturänderungen in einem Inneren der optischen Einheit reagieren zu können, ohne dass thermische Umwelteinflüsse außerhalb der optischen Einheit eine Messung dieser Temperatur/Temperaturen übermäßig beeinflussen.Furthermore, an embodiment of the approach proposed here is conceivable in which the sensor element is designed to detect the temperature of the breaking element from a position in a housing receiving the breaking element. Such an embodiment offers the advantage of being able to react particularly sensitively to temperature changes in an interior of the optical unit without thermal environmental influences outside the optical unit excessively influencing a measurement of this temperature / temperatures.
Von Vorteil ist auch eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bei der das Sensorelement ausgebildet ist, um die Temperatur des Brechelementes durch ein Fenster in einem das Brechelement tragenden Gehäuse zu erfassen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer besonders günstigen Realisierungsmöglichkeit für das Sensorelement, wobei ferner eine Beeinflussung einer Messung des Sensorelementes durch ein Aufheizen des Brechelements oder zumindest Teilen des Brechelements möglichst vermieden werden kann.An embodiment of the approach proposed here is also advantageous, in which the sensor element is designed to detect the temperature of the breaking element through a window in a housing carrying the breaking element. Such an embodiment offers the advantage of a particularly favorable implementation option for the sensor element, wherein influencing a measurement of the sensor element by heating up the breaking element or at least parts of the breaking element can also be avoided as far as possible.
Ferner kann auch gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes das Sensorelement ausgebildet sein, um die Temperatur in einem zentralen Bereich des Brechelementes zu erfassen und/oder wobei das Brechelement als optische Linse ausgeformt ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, denjenigen Bereich des Brechelementes besonders gut überwachen zu können, durch welchen der Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung bzw. des Strahls führt und in welchem somit mit einer stärksten Änderung der Temperatur zu rechnen ist. Insofern kann eine sehr schnelle und fein abgestimmte Fokussierung des Strahls erfolgen.Furthermore, according to a further embodiment of the approach presented here, the sensor element can also be designed to detect the temperature in a central area of the refractive element and / or wherein the refractive element is designed as an optical lens. Such an embodiment offers the advantage of being able to monitor particularly well that area of the refractive element through which the beam path of the electromagnetic radiation or the beam leads and in which a strongest change in temperature can therefore be expected. In this respect, the beam can be focused very quickly and precisely.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ferner eine Strahlungsquellensteuereinheit zur Steuerung oder Regelung einer Strahlungsabgabe durch die Strahlungsquelle vorgesehen sein, wobei die Strahlungsquellensteuereinheit ausgebildet ist, um die Strahlungsabgabe unter Verwendung des Temperatursignals zu steuern oder zu regeln. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, bei einem Erkennen einer kritischen Temperatur in einem Teilbereich des Brechelementes ein Nachregeln bzw. Abregeln der Leistungsabgabe durch die Strahlungsquelle vornehmen zu können.According to a further embodiment, a radiation source control unit can also be provided for controlling or regulating a radiation output by the radiation source, the radiation source control unit being designed to control or regulate the radiation output using the temperature signal. Such an embodiment offers the advantage of being able to readjust or reduce the power output by the radiation source when a critical temperature is detected in a partial area of the refractive element.
Besonders günstig ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der das Sensorelement außerhalb eines durch das Brechelement verlaufenden Strahlengangs der elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine Erwärmung des Sensorelements durch eine Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung vermieden werden, wodurch eine robuste und möglichst fehlerarme Messung der Temperatur in dem zumindest einen Teilbereich des gleichen Elements möglich wird.Furthermore, an embodiment of the approach proposed here is particularly favorable, in which the sensor element is arranged outside a beam path of the electromagnetic radiation which extends through the refractive element. In this way, heating of the sensor element as a result of irradiation of the electromagnetic radiation can be avoided, which results in a robust measurement of the Temperature in which at least a part of the same element is possible.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform das Brechelement zumindest zwei Teilelemente aufweisen, wobei das Sensorelement ausgebildet ist, um zumindest je eine Temperatur an einem der Teilelemente zu erfassen, um das Temperatursignal bereitzustellen. Teilelemente eines solchen Brechelements können beispielsweise voneinander getrennte Linsen, Prismen, Streuscheiben oder dergleichen sein. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil unterschiedliche, optisch wirksame Komponenten des Brechelements durch das Sensorelement überwachen zu können, sodass auch thermische Effekte an unterschiedlichen Positionen der optischen Einheit überwacht oder kompensiert werden können.According to a further embodiment, the breaking element can also have at least two sub-elements, the sensor element being designed to detect at least one temperature each on one of the sub-elements in order to provide the temperature signal. Partial elements of such a refractive element can, for example, be lenses, prisms, diffusion disks or the like that are separate from one another. Such an embodiment of the approach proposed here offers the advantage of being able to monitor different, optically effective components of the refractive element by the sensor element, so that thermal effects at different positions of the optical unit can also be monitored or compensated for.
Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung einer Variante der hier vorgestellten optischen Einheit in einer Materialbearbeitungsvorrichtung, einer Bildprojektionsvorrichtung und/oder einer Ultraviolett-Belichtungsvorrichtung. Unter einer Materialbearbeitungsvorrichtung kann beispielsweise ein Laser-Materialbearbeitungswerkzeug verstanden werden. Unter einer Bildprojektionsvorrichtung kann beispielsweise ein Projektor zur Ausgabe von Bildern auf eine Leinwand, beispielsweise in einem Kino, verstanden werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, insbesondere in Bereichen mit auf die optischen Elemente eingestrahlten hohen Lichtleistungen und somit verbundenen hohen thermischen Effekten eine sehr gute und schnelle Überwachung der effizienten Nutzung der von der Strahlungsquelle abgegebenen elektromagnetischen Strahlung realisieren zu können.It is particularly advantageous to use a variant of the optical unit presented here in a material processing device, an image projection device and / or an ultraviolet exposure device. A material processing device can be understood to mean, for example, a laser material processing tool. An image projection device can be understood to mean, for example, a projector for outputting images onto a screen, for example in a cinema. Such an embodiment offers the advantage of being able to implement very good and rapid monitoring of the efficient use of the electromagnetic radiation emitted by the radiation source, particularly in areas with high light powers irradiated onto the optical elements and thus associated high thermal effects.
Auch wird gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Verfahren zum Betreiben einer Variante der hier vorgestellten optischen Einheit vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - berührungsloses Erfassen einer Temperatur auf zumindest einem Teilbereich des Brechelementes zu erfassen, um ansprechend auf die Temperatur ein Temperatursignal auszugeben; und
- - abhängig von dem Temperatursignal, Verändern eines Abstands zwischen dem Brechelement und dem Objekt und/oder zwischen der Strahlungsquelle und dem Brechelement oder dem Objekt /oder um eine Position eines Hilfselements in einem Strahlengang des Strahls, um den Strahl auf das Objekt zu fokussieren.
- - to detect contactless detection of a temperature on at least a partial area of the breaking element in order to output a temperature signal in response to the temperature; and
- - Depending on the temperature signal, changing a distance between the refractive element and the object and / or between the radiation source and the refractive element or the object / or around a position of an auxiliary element in a beam path of the beam in order to focus the beam on the object.
Besonders günstig ist ferner auch eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren zur Analyse der Eigenschaften der optischen Einheit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - berührungsloses Erfassen der Temperatur an dem Brechelement oder einer anderen Komponente der optischen Einheit;
- - Erfassen von zumindest einem weiteren System- und Verfahrensparameter, insbesondere eines Zeitverlaufs einer auf das Brechelement ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung (wie beispielsweise einer Laserleistung), einer Pulsdauer und/oder einer Pulshöhe der auf das Brechelement ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung;
- - Erfassen einer Strahllage der elektromagnetischen Strahlung bei einem variierbaren Strahl durch die optische Einheit Scanneroptiken (z. B. einen Zeitverlauf der Strahlposition bei F-Theta-Objektiven); und
- - Kombination der Parameter und Ableitung von Zustandsparametern (z. B. Zeitverlauf der Absorption) und daraus abgeleitete Ausfallprognose, um die optische Einheit zu analysieren.
- - Contactless detection of the temperature on the refractive element or another component of the optical unit;
- - Detection of at least one further system and method parameter, in particular a time curve of electromagnetic radiation emitted onto the refractive element (such as, for example, a laser power), a pulse duration and / or a pulse height of the electromagnetic radiation emitted onto the refractive element;
- - Detection of a beam position of the electromagnetic radiation in the case of a variable beam by the optical unit scanner optics (e.g. a time curve of the beam position in F-theta lenses); and
- - Combination of parameters and derivation of state parameters (e.g. time course of absorption) and failure forecast derived therefrom in order to analyze the optical unit.
Besonders günstig können Varianten dieses Verfahrens beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.Variants of this method can be implemented particularly favorably, for example in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control device.
Auch schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The approach presented here also creates a control device which is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. This embodiment variant of the invention in the form of a control device also enables the object on which the invention is based to be achieved quickly and efficiently.
Auch wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Computerprogramm vorgestellt, das auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium gespeichert sein kann. Das Programm kann zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.With the approach presented here, a computer program is also presented that can be stored on a machine-readable carrier or storage medium. The program can be used to carry out and / or control the steps of the method according to one of the embodiments described above if the program product or program is executed on a computer or a device.
Günstige Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 schematische Querschnitt-Darstellung einer optischen Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes; -
2 eine schematische Querschnitt-Darstellung einer optischen Einheit gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des hier vorgeschlagenen Ansatzes; -
3A eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der optischen Einheit; -
3B eine perspektivische Ansicht der in der3A dargestellten Komponenten; -
4A eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der optischen Einheit; -
4B eine perspektivische Ansicht der in der4A dargestellten Komponenten; -
5A eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels einer optischen Einheit; -
5B eine perspektivische Ansicht der in der5A dargestellten Komponenten; -
6 eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der optischen Einheit; und -
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 schematic cross-sectional representation of an optical unit according to an exemplary embodiment of the approach presented here; -
2 a schematic cross-sectional representation of an optical unit according to a another embodiment of the approach proposed here; -
3A a schematic cross-sectional representation of part of a further embodiment of the optical unit; -
3B a perspective view of the in FIG3A illustrated components; -
4A a schematic cross-sectional representation of part of a further embodiment of the optical unit; -
4B a perspective view of the in FIG4A illustrated components; -
5A a schematic cross-sectional representation of part of a further embodiment of an optical unit; -
5B a perspective view of the in FIG5A illustrated components; -
6th a schematic cross-sectional representation of part of a further embodiment of the optical unit; and -
7th a flowchart of a method according to an embodiment.
Bei den beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden in den verschiedenen Figuren für ähnlich wirkende Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the described advantageous exemplary embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used in the various figures for similarly acting elements, a repeated description of these elements being dispensed with.
Um nun eine solche Veränderung des Brechverhaltens von Komponenten der optischen Einheit
Denkbar ist ferner auch noch, dass beispielsweise durch die erste Sensoreinheit
Auch kann die Fokussiereinheit
In der
Soweit der Zusammenhang zwischen der Temperatur der Messstelle und der Änderung der optischen Eigenschaften des Systems z. B. aus einer Berechnung oder Simulation bekannt sind, kann der Regelkreis über das Stellglied direkt geschlossen werden. Die Übertragungsfunktion des Regelkreises kann aber auch experimentell gefunden werden. So können Nichtlinearitäten, dynamische Eigenschaften und auch mit Exemplarstreuungen gefunden und korrigiert werden. Die Korrektion kann so noch genauer erfolgen.As far as the relationship between the temperature of the measuring point and the change in the optical properties of the system z. B. are known from a calculation or simulation, the control loop can be closed directly via the actuator. The transfer function of the control loop can also be found experimentally. In this way, non-linearities, dynamic properties and also with specimen scatter can be found and corrected. The correction can be made even more precisely.
Weiterhin ist es möglich, die Temperaturmessdaten mit anderen im System gemessenen Parametern in Beziehung zu setzen. So kann man Änderungen im Systemverhalten erkennen, die über die Regelkreis-Nutzung hinausgehen. Ändert sich z. B. die Erwärmung pro eingestellter Laserleistung, kann man eine geänderte Absorption vorliegen, die einen sich anbahnenden Systemschaden / -ausfall ankündigt.It is also possible to relate the temperature measurement data to other parameters measured in the system. In this way one can recognize changes in the system behavior that go beyond the control loop usage. If z. B. the heating per set laser power, there may be a changed absorption, which heralds an impending system damage / failure.
Neben der auf a-priori-Wissen basierenden Auswertung der Temperatur- und System-Messdaten können in der Regelung auch Mustererkennungsalgorithmen implementiert werden, die entsprechende Vorhersagen treffen, nachdem sie mit Daten aus im Feld beobachteten Maschinen angelernt wurden.In addition to the evaluation of the temperature and system measurement data based on a-priori knowledge, pattern recognition algorithms can also be implemented in the control system, which make appropriate predictions after they have been trained with data from machines observed in the field.
Ferner wird auch ein Verfahren zur Analyse der Eigenschaften der optischen Einheit mit folgenden Ablauf vorgestellt:
- - berührungsloses Erfassen der Temperatur
- - Erfassen von weiteren System- und Verfahrensparametern, insbesondere des Zeitverlaufs der Laserleistung, den Pulsdauern, den Pulshöhen
- - Erfassen der Strahllage bei Scanneroptiken (z. B. Zeitverlauf der Strahlposition bei F-Theta-Objektiven)
- - Kombination der Parameter und Ableitung von Zustandsparametern (z. B. Zeitverlauf der Absorption) und daraus abgeleitete Ausfallprognose
- - Contactless recording of the temperature
- - Acquisition of further system and process parameters, in particular the time course of the laser power, the pulse durations, the pulse heights
- - Detection of the beam position with scanner optics (e.g. time course of the beam position with F-Theta lenses)
- - Combination of parameters and derivation of state parameters (e.g. time course of absorption) and failure prognosis derived therefrom
Zusammenfassend ist anzuführen, dass mit dem vorliegend vorgestellten Ansatz gemäß Ausführungsbeispielen ein temperaturüberwachtes Objektiv mit Regelkreis zur Fokusnachführung vorgestellt wird. Der Hintergrund des hier vorgestellten Ansatzes kann darin gesehen werden, dass sich eine Brechzahl von optischen Gläsern mit der Temperatur ändert, wodurch sich auch die Brennweite von Objektiven mit der Temperatur ändert. Ferner weicht die Gehäusetemperatur bei schnellen Temperaturänderungen von außen oder bei Erwärmung der Linsen von innen deutlich von der wirksamen Linsentemperatur ab, da Glas Wärme schlecht leitet. Wird jedoch ein berührungsloser Temperatursensor geeignet in das Objektiv integriert, kann auf die wirksame Temperatur sehr gut geregelt und so die Fokussierung besser stabil gehalten werden. Es wird daher beispielsweise ein Objektiv mit integrierten, berührungslos arbeitenden Temperatursensoren und ein und Verfahren zur Regelung der Fokussierung mittels dieser Sensoren vorgestellt, wobei dies unter Verwendung eines objektivinternen Reglers oder unter Verwendung eines externen Reglers, der über eine Schnittstelle mit dem Objektiv verbunden ist, erfolgt. Hierdurch lässt sich der Fokus eines Objektivs unter wechselnder thermischer Last stabil halten.In summary, it should be stated that with the approach presented in the present case according to exemplary embodiments, a temperature-monitored lens with a control loop for focus tracking is presented. The background to the approach presented here can be seen in the fact that the refractive index of optical glasses changes with temperature, which means that the focal length of lenses also changes with temperature. Furthermore, the temperature of the housing deviates significantly from the effective lens temperature in the event of rapid temperature changes from the outside or if the lenses are heated from the inside, since glass conducts heat poorly. However, if a non-contact temperature sensor is suitably integrated into the lens, the effective temperature can be regulated very well and the focus can be kept more stable. For example, a lens with integrated, non-contact temperature sensors and a method and method for regulating the focusing by means of these sensors are presented, this being done using an internal lens controller or using an external controller that is connected to the lens via an interface . In this way, the focus of a lens can be kept stable under changing thermal loads.
Der hier vorgestellte Ansatz kann in mehreren Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise als:
- (A) Objektiv mit fest integrierten Sensoren und optional Fokus-Stellgliedern für die exemplarischen Einsatzszenarien:
- (1) Lasermaterialbearbeitungsobjektive vom Typ F-Theta, Beamexpander, Kollimator
- (2) Hochleistungsprojektionsobjektive für kinematografische Anwendungen
- (3) Projektionsobjektive zur Halbleiter-Herstellung
- (B) Optische Systeme mit zusätzlichen Sensoren zur Überwachung der Optiken und mit Aktoren und Reglern, welchen den Fokusregelkreis schließen können, für die exemplarischen Einsatzszenarien:
- (4) Lasermaterialbearbeitungsmaschinen
- (5) Bildprojektoren
- (6) UV-Belichtungsmaschinen
- (C) Sicherheitsfunktion bei optischen Elementen, die unter hoher optischer Leistung betrieben werden für die exemplarischen Einsatzszenarien:
- (7) Schutzfenster
- (8) (dielektrische) Spiegel
- (9) strukturierte Elemente (z. B. DOEs)
- (A) Lens with permanently integrated sensors and optional focus actuators for the exemplary application scenarios:
- (1) F-Theta type laser material processing lenses, beam expander, collimator
- (2) High performance projection lenses for cinematographic applications
- (3) Projection lenses for semiconductor manufacturing
- (B) Optical systems with additional sensors for monitoring the optics and with actuators and controllers that can close the focus control loop for the exemplary application scenarios:
- (4) Laser material processing machines
- (5) image projectors
- (6) UV exposure machines
- (C) Safety function for optical elements that are operated with high optical power for the exemplary application scenarios:
- (7) Protective window
- (8) (dielectric) mirrors
- (9) structured elements (e.g. DOEs)
Als Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes lassen sich mehrere Aspekte anführen. Speziell spiegelt der Temperaturmesswert den tatsächlich brennweitenrelevanten Wert wieder. Er reagiert schnell und präzise. Die so ausgerüsteten Objektive können ihre Zielfunktion unter stärkeren Störeinflüssen erbringen und erfahren so eine effektive Abbildungs-Leistungssteigerung. Zusätzlich wird auch bei Anwendungen zur Lasermaterialbearbeitung erwartet, dass der erwärmende Störeinfluss ausgeregelt werden kann und so höhere optische Leistungen nutzbar durch das optische System geleitet und zur Anwendung gebracht werden können. Schließlich gibt ein Temperaturmesswert in der Lasermaterialbearbeitung auch Auskunft über sekundäre Bauteileigenschaften. Verschmutzung kann über den Mechanismus der Absorption / Erwärmung / progressive Elementschädigung zur Zerstörung von Elementen führen. Solche Sensorik kann somit auch zur Zustandsüberwachung verwendet werden und die Anlagensicherheit / Verfügbarkeit erhöhen. Besonders günstig ist ferner die Möglichkeit, dass die Sensoren klein und günstig sind, die es damit zulassen, die verbesserte Funktionalität in bestehende Systeme zu integrieren. Der Kosten zur Herstellung der neuen Funktionalität und zur Integration der Funktionalität in bestehende Systeme ist gering.Several aspects can be cited as advantages of the approach presented here. In particular, the measured temperature value reflects the actual focal length relevant value. He reacts quickly and precisely. The lenses equipped in this way can perform their target function under stronger interference and thus experience an effective increase in imaging performance. In addition, in applications for laser material processing, it is also expected that the warming interference can be regulated and thus higher optical powers can be usefully guided through the optical system and used. Finally, a temperature reading in laser material processing also provides information on secondary component properties. Pollution can lead to the destruction of elements through the mechanism of absorption / heating / progressive element damage. Such sensors can therefore also be used for condition monitoring and increase plant safety / availability. Furthermore, the possibility that the sensors are small and inexpensive is particularly favorable and thus allow the improved functionality to be integrated into existing systems. The cost of producing the new functionality and integrating the functionality into existing systems is low.
Beispielsweise kann der hier vorgestellte Ansatz in neuen Produkten auf folgenden Gebieten genutzt werden
- (1) Lasermaterialbearbeitung (F-Theta, Beamexpander, Kollimatoren, überwachte Einzelfunktionalitäten (z. B. Fenster, Abschwächer, Strahlteiler)
- (2) kinematographischen Projektionsobjektive
- (3) UV-Belichtungsoptiken
- (1) Laser material processing (F-Theta, beam expanders, collimators, monitored individual functions (e.g. window, attenuator, beam splitter)
- (2) cinematographic projection lenses
- (3) UV exposure optics
Der Zusammenhang zwischen der Erhöhung der Linsenoberflächentemperatur, die durch die Absorption von Laserleistung im Betrieb hervorgerufen wird und der Brennweitenänderung eines Objektives lässt sich aus thermodynamischen Gleichungen ableiten. Dabei wurde auch erkannt erbracht, dass die Brennweitenverlängerung kaum davon abhängt, welche Bereiche des beispielhaft verwendeten F-Theta-Objektivs beim programmierten Schreiben benutzt werden.The relationship between the increase in the lens surface temperature, which is caused by the absorption of laser power during operation, and the change in focal length of an objective can be derived from thermodynamic equations. It was also recognized that the focal length extension hardly depends on which areas of the F-theta lens used as an example are used for programmed writing.
Durch bekannte Sensoren lässt sich, IR-Strahlung messen, sodass diese Art von Sensoren auch berührungslosen Temperaturmessung eingesetzt werden können. Sie sind mit unterschiedlichen Winkel-Empfindlichkeits-Charakteristia erhältlich. Da die Sensoren außerhalb des freien Durchmessers der Optik liegen sollten, die Messstelle aber zentral in Strahlweg liegt, wird für die hier beschriebene Temperaturmessung eine eher gerichtete Messempfindlichkeit benötigt. Falls auch kleinere als die 5°-FOV-Charakteristika günstig sind, kann eine Vorsatzoptik (z. B. refraktive Einzellinse o. Hohlspiegel) die Messstelle an die Anwendung anpassen.Known sensors can be used to measure IR radiation, so that this type of sensor can also be used for non-contact temperature measurement. They are available with different angle sensitivity characteristics. Since the sensors should be outside the free diameter of the optics, but the measuring point is centrally located in the beam path, a more directed measurement sensitivity is required for the temperature measurement described here. If characteristics smaller than the 5 ° FOV characteristics are favorable, an additional lens (e.g. refractive single lens or concave mirror) can adapt the measuring point to the application.
Erwärmen sich auch einige mechanische Elemente in der Umgebung der Linse oder z. B. der gesamte Linsentubus als optische Einheit
Für ein Objektiv mit hinreichend großen Luftabständen kann man über einen Zugang im Objektivtubus direkt die Temperatur der angrenzenden Linsen messen, da hier die Erwärmungseffekte durch die Wärmeabstrahlung des Brechelementes nicht zu groß werden.For a lens with sufficiently large air gaps, the temperature of the adjacent lenses can be measured directly via an access in the lens barrel, since the heating effects caused by the heat radiation of the refractive element are not too great here.
Bei Objektiven mit sehr kleinen Linsenabständen ist es vorteilhaft, die Sensoren außerhalb des Objektivs bzw. des Gehäuses der optischen Einheit
Die freien Durchmesser an Kollimatoren sind nicht so groß wie bei Scannerobjektiven und der Strahl wandert nicht über die Linsenfläche. Die Temperaturmessung kann an einer oder mehreren Linsen erfolgen. Eine Messung der Gehäusetemperatur zur Verbesserung der Interpretation der Linsenmesswerte ist vorteilhaft. Die Sensoren können im Gehäuse des Objektivs untergebracht werden oder von außerhalb in das Objektiv messen.The free diameters of collimators are not as large as with scanner lenses and the beam does not travel over the lens surface. The temperature can be measured on one or more lenses. A measurement of the housing temperature to improve the interpretation of the lens measurement values is advantageous. The sensors can be housed in the housing of the lens or measure into the lens from outside.
Enthält das Objektiv neben dem oder den Sensore(n) auch Aktoren (z. B. motorisch in Z verstellbare Linsen) und werden beispielsweise die Sensoren mit den Aktoren über einen Steuerung (Regler) miteinander verbunden, kann man die störende Fokusänderung aus der Linsentemperatur durch Refokussieren aufheben.If, in addition to the sensor (s), the lens also contains actuators (e.g. motorized lenses that can be adjusted in Z) and if, for example, the sensors are connected to the actuators via a controller, the disruptive change in focus can be seen from the lens temperature Cancel refocusing.
Die Temperatur eines optischen Elements gibt auch Auskunft über seinen Betriebszustand. Die Temperatur eines Fensters ist abhängig von der Menge der absorbierten Laserleistung. Bei stabilen Bedingungen im und am Fenster kann man so die Laserleistung messen.The temperature of an optical element also provides information about its operating status. The temperature of a window depends on the amount of absorbed laser power. With stable conditions in and around the window, you can measure the laser power.
Eine Änderung der Absorption wird z. B. durch eine Verschmutzung hervorgerufen. Eine Überhöhung der Temperatur kann über einen positiven Rückkopplungseffekt zur weiteren Schädigung des Fensters / Bauteils führen. Mit einer entsprechenden Sensoranordnung kann auf solche eine Verschlechterung des Betriebszustandes reagiert werden, bevor das System ausfällt (Reinigung des oder Austausch Fensters, Reduzierung der Laserleistung o.ä.)A change in absorption is e.g. B. caused by pollution. An increase in temperature can lead to further damage to the window / component via a positive feedback effect. With an appropriate sensor arrangement, it is possible to react to such a deterioration in the operating state before the system fails (cleaning or replacing the window, reducing the laser power, etc.)
Die Fokussierung wird in einem optischen System oft durch die Änderung eines Arbeitsabstandes erreicht. Ein entsprechender Regelkreis gemäß dem hier vorgestellten Ansatz kann auch mit einem Temperaturmesswert von einem kritischen Element erfolgen.In an optical system, focusing is often achieved by changing the working distance. A corresponding control loop in accordance with the approach presented here can also take place with a temperature measurement value from a critical element.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die optische Einheit
- 1. einem Laser (Strahlungsquelle)
- 2. einem Strahlaufweiter (Brechelement)
- 3. einem Scanner
- 4. einem Scanobjektiv und
- 5. einem Werkstück-Handlingsystem (Fokussiereinheit)
- 1. a laser (radiation source)
- 2. a beam expander (refractive element)
- 3. a scanner
- 4. a scanning lens and
- 5. a workpiece handling system (focusing unit)
Hierbei kann die Temperatur des Objektivs den Hauptbeitrag zur Fokusverschiebung leisten. Die Fokussierung erfolgt aber an anderer Stelle. Typisch wäre z. B. die Änderung des Arbeitsabstandes zum Werkstück über das Handlingsystem bzw. die Fokussiereinheit. Auch der Einsatz eines zusätzlichen Fokussierelementes in der Strahlführung nach dem Laser kann vorteilhaft sein.The temperature of the lens can make the main contribution to the focus shift. However, the focus is elsewhere. Typical would be e.g. B. the change in the working distance to the workpiece via the handling system or the focusing unit. The use of an additional focusing element in the beam guide downstream of the laser can also be advantageous.
Für ein Projektionssystem (kinematographisch oder zur Halbleiterbelichtung) kann die z. B. Temperatur eines besonders stark brechkrafttragenden Bauteils in der Pupille mit hoher Strahldichte das bestimmende Element sein. Wird dessen Temperatur berührungslos gemessen, kann Fokussierung z. B. über die Änderung des objektseitigen Arbeitsabstandes erfolgen.For a projection system (cinematographic or for semiconductor exposure) the z. B. Temperature of a particularly strong refractive power-bearing component in the pupil with high radiance be the determining element. If its temperature is measured without contact, focusing z. B. be done by changing the working distance on the object side.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises an “and / or” link between a first feature and a second feature, this should be read in such a way that the exemplary embodiment according to one embodiment has both the first feature and the second feature and, according to a further embodiment, either only the has the first feature or only the second feature.
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