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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lasersysteme zur optischen Erzeugung einer linienförmigen Beleuchtung in einer Arbeitsebene.
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Eine solche Vorrichtung ist dem Grunde nach aus
WO 2018/019374 bekannt.
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Die linienförmige Laserbeleuchtung einer solchen Vorrichtung kann vorteilhaft dazu verwendet werden, um ein Werkstück thermisch zu bearbeiten. Das Werkstück kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial auf einer Glasplatte sein, die als Trägermaterial dient. Das Kunststoffmaterial kann insbesondere eine Folie sein, auf der organische lichtemittierende Dioden, sogenannte OLEDs, und/oder Dünnschichttransistoren hergestellt werden. OLED-Folien werden zunehmend für Displays in Smartphones, Tablet-PCs, Fernsehgeräten und anderen Geräten mit Bildschirmanzeige verwendet. Nach Herstellung der elektronischen Strukturen muss die Folie von dem Glasträger gelöst werden. Dies kann mit einer Laserbeleuchtung in Form einer dünnen Laserlinie geschehen, die mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Glasplatte bewegt wird und dabei die Haftverbindung der Folie durch die Glasplatte hindurch löst. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als LLO bzw. Laser Lift Off bezeichnet.
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Eine weitere vielgenutzte Anwendung für die sequentielle Beleuchtung eines Werkstücks mit einer definierten Laserlinie kann das zeilenweise Aufschmelzen von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte sein. Die Laserlinie wird auch hier mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Werkstückoberfläche bewegt. Durch das Aufschmelzen und anschließende Abkühlen kann das vergleichsweise kostengünstige amorphe Silizium in höherwertigeres polykristallines Silizium umgewandelt werden. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als Solid State Laser Annealing (SLA), als Sequential Lateral Solidification (SLS) oder als Excimer Laser Annealing (ELA) bezeichnet.
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Für derartige Anwendungen wird eine Laserlinie auf der Arbeitsebene benötigt, die in der einen Richtung möglichst lang ist, um eine möglichst breite Arbeitsfläche zu erfassen, und die im Vergleich dazu in der anderen Richtung sehr kurz ist, um eine für den jeweiligen Prozess benötigte Energiedichte bereitzustellen. Wünschenswert ist dementsprechend eine lange, dünne Laserlinie mit einem sehr großen Aspektverhältnis von Linienlänge zu Linienbreite. Für typische Anwendungen kann eine Linienlänge von 1000mm oder sogar mehr, teilweise sogar über 2000mm, bei einer Linienbreite in einer Größenordnung von 20µm wünschenswert sein. Man bezeichnet die Richtung, in der die Laserlinie verläuft, üblicherweise als lange Achse (LA, long axis) und die Linienbreite als kurze Achse (SA, Short Axis) des sogenannten Strahlprofils. In der Regel soll die Laserlinie in beiden Achsen einen definierten Intensitätsverlauf aufweisen.
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Linienfokussysteme, wie in der
WO 2018/019374 A1 offenbart, umfassen zur Erzeugung langer, aber dünner Laserlinien in der Regel eine oder mehrere Großoptiken. Die Ausdehnung der Großoptiken ist dabei typischerweise größer als die Länge der Linie in der Arbeitsebene. Problematisch ist, dass die Großoptiken einen erheblichen Kostenpunkt darstellen. Insbesondere zur Erzeugung sehr großer Linienlängen wächst die Komplexität in Bezug auf die Fertigung solcher Großoptiken. Darüber hinaus ergibt sich bei der Erzeugung von Laserlinien von 1500mm oder mehr bei der Verwendung von Großoptiken auch oftmals ein Platzproblem was die Größe typischer Versuchs- bzw. Arbeitskammern angeht.
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Weiterhin ist zu bedenken, dass für die verschiedenen Anwendungen von Linienfokussystemen auch verschiedene weitere Kriterien eine Rolle spielen. Tatsächlich genügt eine optische Anordnung, wie sie beispielsweise in der
WO 2018/019374 A1 offenbart ist, den Anforderungen für eine präzise SLA-Anwendung in keiner Weise.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Linienfokussystem anzugeben, mit dem große Linienlängen ohne Qualitätseinbußen, aber bei geringeren Kosten, erzeugt werden können, und zwar insbesondere für SLA-Anwendungen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zu Lösung dieser Aufgabe eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene vorgeschlagen, mit
- - mehreren Laserlichtquellen, die jeweils dazu eingerichtet sind ein Laserstrahlbündel vordefinierter Divergenz zu erzeugen, wobei die Laserstrahlbündel eine Strahlrichtung definieren, die die Arbeitsebene schneidet, und dazu ausgestaltet sind, sich in einem ersten Abstand vor der Arbeitsebene zu überlappen, und wobei die Laserstrahlbündel im Bereich der Arbeitsebene ein Strahlprofil besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist, und
- - einer ersten optischen Anordnung, die dazu eingerichtet ist, in der Arbeitsebene ein vordefiniertes Strahlprofil in der kurzen Achse zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine zweite optische Anordnung umfasst, die mehrere, voneinander getrennte zweite Untereinheiten aufweist, die dazu eingerichtet sind, in der Arbeitsebene ein winkelhomogenes Strahlprofil in der langen Achse zu erzeugen.
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Der Begriff „Laserlichtquelle“ ist dabei nicht notwendigerweise eine Quelle, in der das Laserlicht erzeugt wird. Es kann sich dabei um jede beliebige Anordnung handeln von der-Laserlicht in Form eines Laserstrahlbündels mit einer definierten Divergenz ausgeht.
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Der Abstand A ist definiert als Abstand ausgehend von den Laserlichtquellen.
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Vorzugsweise sind die zweiten Untereinheiten jeweils dazu eingerichtet, in der Arbeitsebene ein winkelhomogenes Strahlprofil in der langen Achse zu erzeugen.
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Der Begriff „winkelhomogen“ ist so zu verstehen, dass das Spektrum der Einfallswinkel der auf der Arbeitsebene eintreffenden Laserstrahlen homogen ist, dass also die Winkelverteilung und/oder das Winkelspektrum der einfallenden Strahlen an jeder Stelle einer (zu stitchenden) Laserlinie entlang der langen Achse (bzw. zumindest in einem zentralen Bereich entlang der langen Achse) auf bzw. in der Arbeitsebene gleich ist. Der Einfallswinkel der Laserstrahlen auf der Arbeitsebene ist dabei definiert als Winkel gegenüber einer Oberflächennormalen der Arbeitsebene. Vorzugsweise beträgt der Einfallswinkel, der typischerweise als Winkel θ bezeichnet wird, θ = 0°. Um derartige Einfallswinkel auf der Arbeitsebene zu erhalten, muss die zweite optische Anordnung eine (bildseitige) telezentrische Abbildung erzeugen. Die Strahlenkegel der Laserstrahlen treffen damit alle senkrecht auf die Bildebene bzw. Arbeitsebene. Je nach Anwendung sind aber auch andere (homogene) Einfallswinkel denkbar.
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Durch das erzeugte homogene Winkelspektrum eignet sich die genannte Vorrichtung insbesondere für SLA-Anwendungen. Denn während beispielsweise beim Annealing von Architekturglas mittels einer Infrarot(IR)-Linie der Einfallswinkel der einfallenden einzelnen Laserstrahlen keine gewichtige Rolle spielt, ist der SLA-Prozess äußerst sensitiv gegenüber dem Winkelspektrum des einfallenden Lichtes.
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Durch die Verwendung mehrerer Laserlichtquellen, die (jeweils) lange, aber dünne Laserlinien erzeugen, entsteht bei entsprechender Anordnung der Quellen in der Arbeitsebene eine Laserlinie großer Länge. Das Verfahren, kurze Laserlinien zu einer langen Laserlinie zusammenzufügen, wird als „Stitching“ bezeichnet. Bei der vorliegenden Vorrichtung ergibt sich eine hohe Kostenersparnis aus der Verwendung mehrerer (entsprechend kleiner) zweiter Untereinheiten zur Erzeugung des Strahlprofils in der langen Achse. Dadurch kann nämlich auf die Verwendung kostenintensiver Großoptiken, die in der langen Achse wirken sollen, verzichtet werden.
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Angesichts dessen ist die oben genannte Aufgabe vollständig gelöst.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite optische Anordnung im Strahlengang der mehreren Laserstrahlbündel in Strahlrichtung vor dem ersten Abstand angeordnet sind.
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Mit anderen Worten, sind die zweiten Untereinheiten an einem Ort des Strahlengangs angeordnet, an dem sich die einzelnen Strahlbündel der mehreren Laserlichtquellen noch nicht überlappen. Auf diese Weise kann das Strahlprofil jedes einzelnen Strahlbündels in der langen Achse separat bearbeitet bzw. beeinflusst werden. Durch die genannte Anordnung entstehen also mehrere Optikkanäle (Strahlkanäle), die separat adressiert werden können. Für den Fall, dass aufgrund eines Materialfehlers o. Ä. das Linienprofil in der langen Achse in der Arbeitsebene nicht wie gewünscht ausfällt, genügt es, die entsprechende fehlerbehaftete zweite Untereinheit auszutauschen, anstatt gleich eine gesamte Großoptik austauschen zu müssen.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Laserlichtquellen in einem äquidistanten Abstand zueinander angeordnet und/oder die zweiten Untereinheiten in einem äquidistanten Abstand zueinander angeordnet.
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Bei dem Abstand kann es sich dabei um einen Abstand in lateraler Richtung, also einer Richtung quer zur Strahlrichtung, handeln oder um einen Abstand in Richtung des Strahlenganges. Mischformen sind ebenso denkbar. Vorzugsweise sind die Laserlichtquellen in äquidistantem Abstand in einer Linie parallel zur x-Richtung bzw. der Arbeitsebene angeordnet. Weiter vorzugsweise ist zumindest ein Teil der zweiten Untereinheiten in äquidistantem Abstand in einer Linie parallel zur x-Richtung bzw. der Arbeitsebene angeordnet. Denkbar ist insbesondere, dass die zweiten Untereinheiten gruppenweise in äquidistanten Abständen in einer Linie parallel zur Arbeitsebene angeordnet sind.
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Mit einer Anordnung in der sowohl die Laserlichtquellen als auch die zweiten optischen Untereinheiten jeweils in äquidistantem Abstand in einer Linie parallel zur x-Achse bzw. der Arbeitsebene angeordnet sind, können die Laserlinien aus den einzelnen Strahlbündeln in einfacher Weise zu einer langen Laserlinie aneinander „gestitcht“ werden. Je nach Divergenz der Strahlbündel und Abstand der Laserlichtquellen kann insbesondere ein homogener Intensitätsverlauf der gestitchten Linie in der Arbeitsebene erreicht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung können die zweiten Untereinheiten in einer Richtung parallel und/oder senkrecht zur Arbeitsebene verschoben und/oder geneigt werden.
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Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, um mittels Justage entsprechender Untereinheiten das gewünschte Linienprofil auf der Arbeitsebene zu erlangen. Insbesondere kann dadurch gewährleistet werden, dass das Strahlprofil der Laserlinie in der Arbeitsebene winkel- und intensitätshomogen ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die zweiten Untereinheiten einen Homogenisierer, der dazu eingerichtet ist, Laserstrahlen des Laserstrahlbündels in der langen Achse homogen, insbesondere winkelhomogen, zu verteilen. Vorzugsweise umfassen die zweiten Untereinheiten jeweils einen Homogenisierer.
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Genauer gesagt, ist der Homogenisierer dazu eingerichtet, sowohl ein homogenes Intensitätsspektrum als auch ein homogenes Winkelspektrum in der langen Achse zu erzeugen. Der Homogenisierer wirkt vorzugsweise derart, dass verschiedene Strahlsegmente des auf ihn treffenden Laserstrahlbündels durchmischt und/oder miteinander überlagert werden. Zu diesem Zweck kann der Homogenisierer beispielsweise wenigstens ein Linsen-Array umfassen, wobei das wenigstens eine Linsen-Array eine Vielzahl von sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstreckenden Zylinderlinsen aufweisen kann. Vorzugsweise sind die Zylinderlinsen geometrisch derart bemessen, dass das Laserstrahlbündel durch eine Vielzahl nebeneinander liegender Zylinderlinsen tritt. Grundsätzlich kann es sich bei dem Homogenisierer um einen abbildenden oder um einen diffraktiven Homogenisierer handeln.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die zweiten Untereinheiten einen Transformator, der dazu eingerichtet ist, eines der Laserstrahlbündel entlang der langen Achse aufzuweiten.
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Mit dieser Ausgestaltung kann das Aspektverhältnis des Laserstrahlbündels (noch weiter und/oder effizienter) im Hinblick auf die gewünschte Laserlinie in der Arbeitsebene optimiert werden. Der Transformator kann beispielsweise ein transparentes, monolithisches, plattenförmiges Element umfassen, wobei das Element eine Vorderseite und eine zu der Vorderseite parallele Rückseite aufweist. Die Vorderseite und die Rückseite besitzen vorzusgsweise eine reflektierende Beschichtung, sodass ein einfallender Laserstrahl innerhalb des plattenförmigen Elements mehrfache Reflexionen erfährt, bevor er aufgeweitet auf der Rückseite austritt. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Transformator als oder mit Hilfe einer Blende realisiert sein. Grundsätzlich lässt der Transformator die Winkelverteilung eines Laserstrahls unberührt. Dementsprechend ist bei Vorrichtungen, die als zweite optische Anordnung lediglich einen Transformator in einem Laserstrahlbündel aufweisen (und in denen keine weitere optische Anordnung Einfluss auf die Winkelverteilung in der langen Achse nimmt) ein homogenes Winkelspektrum in der Arbeitsebene nur dann möglich, wenn das in den Transformator eingehende Laserstrahlbündel bereits winkelhomogen ist.
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In einer anderen Ausgestaltung umfassen die zweiten Untereinheiten einen Strahlteiler, der dazu eingerichtet ist, eines der Laserstrahlbündel in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen.
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Grundsätzlich lässt der Strahlteiler die Winkelverteilung eines Laserstrahls unberührt. Dementsprechend ist bei Vorrichtungen, die als zweite optische Anordnung lediglich einen Strahlteiler in einem Laserstrahlbündel aufweisen (und in denen keine weitere optische Anordnung Einfluss auf die Winkelverteilung in der langen Achse nimmt) ein homogenes Winkelspektrum in der Arbeitsebene nur dann möglich, wenn das in den Strahlteiler eingehende Laserstrahlbündel bereits winkelhomogen ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die erste optische Anordnung mehrere, voneinander getrennte erste Untereinheiten auf. Die ersten Untereinheiten können beispielsweise einen Transformator oder einen Strahlteiler umfassen. Anderer optische Vorrichtungen, wie etwa eine in der kurzen Achse wirkende Fokussiereinheit, sind ebenso denkbar. Vorzugsweise können die ersten Untereinheiten parallel und/oder senkrecht zur Arbeitsebene verschoben werden.
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Vorzugsweise sind die ersten Untereinheiten jeweils dazu eingerichtet, in der Arbeitsebene ein vordefiniertes Strahlprofil in der kurzen Achse zu erzeugen. Insbesondere ist wünschenswert, dass die ersten Untereinheiten in der kurzen Achse ein rechteckförmiges Intensitätsprofil (sogenanntes Top Hat Profil) oder ein Gaußprofil erzeugen. Durch die Separierung sowohl der Strahlbündel als auch der ersten optischen Anordnung in mehrere Untereinheiten kann das Kurzachsprofil für jedes einzelne Strahlbündel unabhängig von den anderen Strahlbündeln beeinflusst werden. Dies ermöglicht eine gezielte Erzeugung von Laserlinien auf der Arbeitsebene.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind zwischen der zweiten optischen Anordnung und der Arbeitsebene nur eine oder mehrere weitere optische Anordnungen angeordnet, die keinen Einfluss auf das Winkelspektrum der Laserstrahlbündel in der langen Achse haben.
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Damit ist sichergestellt, dass das durch die zweite optische Anordnung erzeugte homogene Winkelspektrum nicht vor der Arbeitsebene bzw. vor Auftreffen auf das zu bearbeitende Werkstück zerstört wird bzw. dass keine Inhomogenitäten eingeführt werden.
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Grundsätzlich ist die Reihenfolge der ersten, zweiten und jeder weiteren optischen Anordnung in Strahlrichtung beliebig. Beispielsweise kann die erste optische Anordnung vor der zweiten optischen Anordnung oder hinter der zweiten optischen Anordnung angeordnet sein, solange sie nicht Einfluss auf das Winkelspektrum des Laserstrahlbündels in der langen Achse nimmt. Entscheidend ist lediglich, dass die durch die zweite optische Anordnung erzeugte Abbildung in der langen Achse zur Arbeitsebene hin nicht durch die erste und/oder eine weitere optische Anordnung zerstört wird. Insbesondere entscheidend ist, dass strahlabwärts nach der zweiten optischen Anordnung keine Anordnung folgt, die den jeweiligen Laserstrahlen bezüglich der langen Achse eine Phase aufprägt bzw. die in der langen Achse eine phasenverändernde Wirkung aufweist. Insofern ist das Vorhandensein eines etwaigen Schutzglases strahlabwärts nach der zweiten optischen Anordnung und vor der Arbeitsebene bzw. einem dort befindlichen Werkstück unproblematisch. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Laserlichtquellen UV-Quellen, insbesondere UV-Quellen deren Laserstrahlbündel ein Strahlprofil jeweils gleicher Intensität aufweist.
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UV-Laserstrahlen werden insbesondere bei SLA-Anwendungen benötigt. Gleiche Intensitäten der Laserstrahlbündel ermöglichen einfachere optische Anordnungen, insbesondere eine einfachere dritte optische Anordnung, da mit dieser Ausgestaltung ein homogenes Intensitätsspektrum in der langen Achse einfacher zu erreichen ist.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1A eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
- 1B den Intensitätsverlauf der durch die in 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in einer ersten Ebene,
- 1C den Intensitätsverlauf der durch die in 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in einer zweiten Ebene,
- 1D den Intensitätsverlauf der durch die in 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in einer dritten Ebene,
- 1E den Intensitätsverlauf der durch die in 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in einer vierten Ebene,
- 2A eine Darstellung einer optischen Anordnung aus dem Stand der Technik,
- 2B eine Darstellung einer weiteren optischen Anordnung aus dem Stand der Technik,
- 3 eine vereinfachte, schematische Darstellung mehrerer identischer Quellen und die von den Quellen erzeugten Laserstrahlbündel,
- 4 eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
- 5A ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Strahlteilern und einem Spiegel,
- 5B ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Strahlteilern und einem Spiegel,
- 6A ein Ausführungsbeispiel eines Transformators,
- 6B ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Transformatoren,
- 7A ein erstes Ausführungsbeispiel eines Homogenisierers, und
- 7B ein zweites Ausführungsbeispiel eines Homogenisierers.
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In 1A ist ein erstes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besitzt mehrere Laserlichtquellen (nicht gezeigt), die Laserlicht im Ultraviolettbereich erzeugen und in z-Richtung abstrahlen. Die Laserlichtquellen sind dabei in jeweils gleichen Abständen zueinander auf einer Linie, die parallel zur Arbeitsebene 24 und der x-Achse verläuft, angeordnet. Die Laserlichtquellen strahlen Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c von gleicher Divergenz und Intensität in Richtung der Arbeitsebene 30 ab. Die Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c treffen vor einem ersten Abstand A (nicht gezeigt) auf eine zweite optische Anordnung 18. Diese umfasst insgesamt sechs zweite Untereinheiten 18a, 18b, 18c, 18d, 18e und 18f, wobei die drei zweiten optischen Untereinheiten 18a, 18b und 18c drei Transformatoren 24a, 24b und 24c umfassen und wobei die drei zweiten optischen Untereinheiten 18d, 18e und 18f drei Homogenisierer 22a, 22b und 22c umfassen. Die Transformatoren sind dazu eingerichtet, das jeweils auf sie gerichtete Laserstrahlbündel mit einer vordefinierten Divergenz in der x-Richtung aufweiten. Das heißt, dass die Transformatoren jeweils ein Laserstrahlbündel vordefinierter Divergenz erzeugen. Genauer gesagt erzeugen die Transformatoren ein trapezförmiges Intensitätsprofil der Laserstrahlbündel in x-Richtung. Die drei Homogenisierer 22a, 22b und 22c sind in jeweils einem der drei Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c angeordnet. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine erste optische Anordnung, die aber in 1A ebenso wie die Laserlichtquellen nicht gezeigt ist.
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Die Vorrichtung 10 erzeugt eine Laserlinie (hier nicht dargestellt) im Bereich der Arbeitsebene 30, um ein Werkstück (hier nicht dargestellt) zu bearbeiten, das im Bereich der Arbeitsebene 30 platziert ist. Die Laserlinie verläuft dabei in einer Richtung parallel zur x-Achse. Die Laserlinie besitzt eine Linienbreite, die hier in Richtung einer orthogonal zur x-Achse (und z-Achse) verlaufenden y-Achse betrachtet wird. Dementsprechend korrespondiert die x-Achse mit der langen Achse und die y-Achse korrespondiert mit der kurzen Achse des auf der Arbeitsebene 30 gebildeten Strahlprofils. Anders ausgedrückt besitzt das Strahlprofil eine lange Achse LA mit einer Langachsstrahlbreite in x-Richtung und eine kurze Achse SA mit einer Kurzachsstrahlbreite in y-Richtung. Die jeweilige Strahlbreite kann beispielsweise als Breite des Intensitätsprofils I(x, y) bei 50% der Maximalintensität (FWHM, Full Width at Half Maximum) oder beispielsweise als Breite zwischen den 90% Intensitätswerten (Full Width at 90% Maximum, FW@90%) oder auf andere Weise definiert sein.
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In einigen (bevorzugten) Ausführungsbeispielen kann das Werkstück eine Oberflächenschicht aus amorphem Silizium beinhalten, die mit Hilfe der Laserlinie zu polykristallinem Silizium umgewandelt wird. Zur Bearbeitung kann die Laserlinie dabei in einer Bewegungsrichtung relativ zu dem Werkstück in der Arbeitsebene der Arbeitsebene 30 bewegt werden.
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Bedingt durch die Divergenz der Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c kommt es nach einer bestimmten Weglänge, dem ersten Abstand A, strahlabwärts (d.h. in z-Richtung) zu einer Überlagerung der Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c. Tatsächlich kommt es bereits ab der ersten Ebene 32 zu einer Überlagerung Strahlbündel 16a, 16b und 16c. Strahlabwärts hin zur vierten Ebene 36 nimmt die Überlagerung der einzelnen Bündel immer stärker zu.
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Die Position der Arbeitsebene 30 ist so gewählt, dass sich hier die Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c derart überlagern, dass ein homogenes Intensitätsprofil der Laserlinie entsteht. Denn neben der telezentrischen Abbildung der Laserstrahlen auf der Arbeitsebene 30 durch die Homogenisierer 22a, 22b und 22c ist es wichtig, dass der Intensitätsverlauf des Laserlichts auf der Arbeitsebene 30 homogen ist. Durch die Homogenisierer 22a, 22b und 22c weisen die Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c zwar einzeln gesehen ein homogenes Intensitätsspektrum auf, allerdings entstehen durch die Überlagerung der Strahlbündel im Bereich der vierten Ebene 36 Intensitätsspitzen, die den homogenen Intensitätsverlauf zerstören. Dies geht auch aus 1E hervor, welche das Intensitätsspektrum der Laserlinie in der vierten Ebene 36 in x-Richtung zeigt. Andererseits ist der Intensitätsverlauf in der ersten und zweiten Ebenen 32 und 34 ebenfalls nicht komplett homogen, da einige Bereiche in diesen Ebenen weniger stark ausgeleuchtet sind als andere. Dies ist in den 1B und 1C erkennbar, welche den Intensitätsverlauf in den Ebenen 32 bzw. 34 zeigen. Lediglich in der dritten Ebene bzw. der Arbeitsebene 30 liegt neben einem homogenen Winkelspektrum auch ein homogenes Intensitätsspektrum der Laserlinie vor (siehe 1D).
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1B zeigt den Intensitätsverlauf der durch die in 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in der ersten Ebene 32. Der Intensitätsverlauf I(x) ist insbesondere entlang der langen Achse, also in x-Richtung, gezeigt. Das Intensitätsprofil der einzelnen Laserbündel 16a, 16b und 16c ist entlang dieser Achse trapezförmig. Dadurch, dass das Intensitätsprofil der einzelnen Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c trapezförmig ist und der Überlapp der einzelnen Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c in der ersten Ebene 32 noch recht gering ist, entstehen an den sich überlagernden Stellen Intensitätseinbrüche.
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1C zeigt den Intensitätsverlauf der durch die in 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in der zweiten Ebene 34. Der Intensitätsverlauf I(x) ist insbesondere entlang der langen Achse, also in x-Richtung, gezeigt. Dadurch, dass der Überlapp der einzelnen Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c in der zweiten Ebene 34 etwas größer ist als in der ersten Ebene 32 fallen die Intensitätseinbrüche etwas geringer aus als in 1B.
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1D zeigt den Intensitätsverlauf I(x) der durch die in 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in der dritten Ebene bzw. der Arbeitsebene 30. Hier ist der Überlapp der Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c derart, dass das entstehende Intensitätsprofil I(x) weitestgehend homogen (d.h. konstant) ist. Das heißt, dass die Intensität der Laserlinie an den Stellen überlappender Laserstrahlbündel (im Wesentlichen) genauso hoch ist wie an den Stellen, an denen kein Überlapp vorliegt.
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1E zeigt den Intensitätsverlauf I(x) der durch die in 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in der vierten Ebene 36. In dieser Ebene ist der Überlapp der trapezförmigen Intensitätsverläufe der einzelnen Laserstrahlbündel schon so groß, dass Intensitätsspitzen im Intensitätsprofil I(x) der zusammengefügten Laserlinie entstehen.
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2A zeigt eine optische Anordnung aus dem Stand der Technik. Die optische Anordnung umfasst einen (nicht-abbildenden) Homogenisierer 22, umfassend ein Mikrolinsenarray und eine Fokussiereinheit 28. Dabei trifft ein Strahlbündel 16 das Mikrolinsenarray. Das Mikrolinsenarray ist dazu eingerichtet, einzelne Strahlsegmente des Laserstrahlbündels 16 zu durchmischen bzw. zu überlagern, sodass der Intensitätsverlauf bezüglich derjenigen Richtung homogenisiert ist, in welcher sich der Strahlbündelquerschnitt länglich erstreckt (hier x-Richtung). An das Mikrolinsenarray, welches eine telezentrische Abbildung bzw. ein homogenes Winkelspektrum erzeugt, schließt sich strahlabwärts (d.h. in z-Richtung) eine plan-konvexe Linse als Fokussiereinheit 28 an. Der Abstand a zwischen Homogenisierer 22 und Fokussiereinheit 28 ist dabei derart bemessen, dass die Linse das homogene Winkelspektrum auf die Arbeitsebene 30 abbildet bzw. eine Abbildung erzeugt, die telezentrisch ist. Insbesondere entspricht der Abstand a gerade der Brennweite der Linse (sogenanntes „2f-Setup“). Mit anderen Worten, ist der Abstand a derart gewählt, dass Winkelspektrum der Laserstrahlen gegenüber der Oberflächennormalen der Arbeitsebene 30 an jeder Stelle der Arbeitsebene 30 gleich ist. Problematisch an dieser optischen Anordnung ist, dass die durch eine solche Anordnung bereitgestellten Laserlinien nicht in sinnvoller Weise gestitcht werden können. Aufgrund der Größe der Linsen im Vergleich zu der auf der Arbeitsebene abgebildeten Laserlinie, kann selbst bei direkter Aneinanderreihung mehrerer derartiger optischer Anordnungen keine Laserlinie mit homogener Intensität erreicht werden. Mithin ist eine derartige optische Anordnung beispielsweise für SLA-Anwendungen nicht geeignet.
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2B zeigt ebenfalls eine optische Anordnung aus dem Stand der Technik. Wie die in 2A gezeigte optische Anordnung besteht die hier gezeigte optische Anordnung auch aus einem Homogenisierer 22 und einer Fokussiereinheit 28 in Form einer Linse. Im Prinzip unterscheidet sich der in 2B gezeigte Aufbau von dem in 2A gezeigten Aufbau lediglich durch die Größe des Abstandes a zwischen Homogenisierer 22 und Fokussiereinheit 28. Durch den gewählten Abstand a wird bewirkt, dass die Linienlänge des Laserstrahls entlang der x-Richtung auf der Arbeitsebene 30 länger ist als die Ausdehnung der Fokussiereinheit in dieser Dimension. Damit ist ein intensitätshomogenes stitching grundsätzlich möglich. Allerdings ist der in 2B gewählte Abstand a derart, dass die Abbildung, welche die Linse erzeugt, nicht telezentrisch ist. Damit ist das Winkelspektrum der auf der Arbeitsebene 30 eintreffenden Laserstrahlen nicht homogen. Beispielhaft gezeigt ist ein Punkt auf der Arbeitsebene 30, bei dem der Einfallswinkel θ > 0° ist, sowie ein Punkt, bei dem der Einfallswinkel θ < 0° ist. Eine derartige Anordnung ist für SLA-Anwendungen mithin nicht geeignet.
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3 zeigt eine vereinfachte, schematische Darstellung mehrerer identischer Quellen 12a, 12b, 12c und 12d und die von den Quellen 12a, 12b, 12c und 12d erzeugten Laserstrahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d. Die Quellen 12a, 12b, 12c und 12d erzeugen dabei Strahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d mit Gaußprofil in der x-Achse, wobei die Strahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d jeweils die gleiche Divergenz aufweisen. Die Quellen 12a, 12b, 12c und 12d sind entlang einer Linie entlang der x-Achse in äquidistanten Abständen zueinander angeordnet. Bedingt durch die Divergenz der Laserstrahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d kommt es in z-Richtung (d.h. strahlabwärts) ab einem gewissen Abstand von den Quellen zu einer Überlagerung der einzelnen, zunächst voneinander getrennten Laserstrahlbündel. Gezeigt sind insbesondere die parallel zur x-Achse verlaufenden Ebenen E1, E2, E3 und E4 sowie (schematisch) die in diesen Ebenen entlang der x-Achse entstehenden Intensitätsprofile der einzelnen Strahlbündel.
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In der Ebene E1 der Quellen 12a, 12b, 12c und 12d sind die einzelnen Laserstrahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d noch voneinander getrennt. D.h. in dieser Ebene sind die Gaußprofile eindeutig voneinander getrennt. In der Ebene E2 kommt es bereits zu leichten Überlagerungen der Laserstrahlbündel, was sich im Intensitätsverlauf in y-Richtung in der Ebene E2 durch eine Überlagerung der Gaußprofile äußert. Es entsteht eine Einhüllende mit schwankendem Intensitätsverlauf. In der Ebene E3 sind die Überlagerungen derart, dass der Intensitätsverlauf der Einhüllenden entlang der x-Richtung (bis auf an den Rändern) im Wesentlichen konstant ist. Das Intensitätsspektrum in der Ebene E3 ist demnach homogen. In der Ebene E4 ist der Überlapp der einzelnen Strahlbündel bereits derart groß, dass in der Einhüllenden mehrere Intensitätsmaxima entstehen. Damit ist in der Ebene E4 das Intensitätsspektrum entlang der x-Achse nicht homogen.
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Gleichzeitig sind die von den Laserlichtquellen 12a, 12b, 12c und 12c erzeugten Gaußstrahlen winkelhomogen bzw. erzeugen in den jeweiligen Ebenen E1 bis E4 ein winkelhomogenes Spektrum. Insgesamt ergibt sich allerdings lediglich in Ebene E3 ein sowohl winkel- als auch intensitätshomogenes Spektrum. Damit wäre lediglich die Ebene E3 als Arbeitsebene für eine SLA-Anwendung geeignet.
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In Bezug auf die Überlagerung der einzelnen Strahlbündel ist es vorteilhaft bei einer derartigen Anordnung etwaige optische Anordnungen bzw. Einheiten in einer Ebene anzuordnen, in der die Bündel noch getrennt sind, also insbesondere in einer Ebene (strahlabwärts) vor der Ebene E2. Nur so ist sichergestellt, dass die einzelnen Strahlbündel durch getrennte Untereinheiten in den Strahlbündeln adressiert werden können.
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Was die Ausdehnung der Gesamtquelle, d.h. die Ausdehnung der Quellen 12a, 12b, 12c und 12d in ihrer Gesamtheit angeht, so ist diese (in etwa) gleich der (intensitätshomogenen) Linienlänge in der Ebene E3. Gleichzeitig hat in der Ebene E3 das Winkelspektrum an jeder Stelle der langen Achse gleiche Breite.
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4 zeigt eine ein zweites Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung 10. Für den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung 10 wird auf das erste Ausführungsbeispiel in 1 verwiesen. In 4 ist insbesondere gezeigt, dass die Vorrichtung 10 neben der zweiten optischen Anordnung 18, bestehend aus den Transformatoren 24a, 24b und 24c und den Homogenisierern 22a, 22b und 22c als sechs zweite optische Untereinheiten 18a bis 18f, eine erste optische Anordnung 14, bestehend aus insgesamt neun ersten Untereinheiten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h und 14i umfasst. Die Untereinheiten bilden dabei strahlbündelweise eine Fokussiereinheit in Bezug auf die kurze Achse (SA). Mit anderen Worten bilden die ersten Untereinheiten 14a, 14d und 14g eine Fokussiereinheit für das Laserstrahlbündel 16a. Die ersten Untereinheiten 14b, 14e und 14h bilden eine Fokussiereinheit für das Laserstrahlbündel 16b und die ersten Untereinheiten 14c, 14f und 14i bilden eine Fokussiereinheit für das Laserstrahlbündel 16c. Die erste optische Anordnung 14 ist strahlabwärts (d.h. in z-Richtung) hinter der zweiten optischen Anordnung 18 (Transformatoren und Homogonisierer) angeordnet. Insbesondere befindet sich neben der zweiten optischen Anordnung 18 auch die erste optische Anordnung 14 in einem Bereich, in dem sich die einzelnen Strahlbündel 16a, 16b und 16c noch nicht überlapppen. Mit anderen Worten befindet sich neben der zweiten optischen Anordnung auch die erste optische Anordnung in z-Richtung vor dem ersten Abstand A. Folglich können die einzelnen Optikkanäle, umfassend die Optiken in den jeweiligen Strahlbündeln 16a, 16b und 16c, separat adressiert werden. Insbesondere reicht es bei einer Fehlfunktion einer Untereinheit aus die entsprechende Untereinheit auszutauschen. Der Austausch einer etwaigen Großoptik und die damit verbundenen Umstände und Kosten entfallen dementsprechend.
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In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die erste optische Anordnung 14 in den jeweiligen Kanälen eine Fokussiereinheit, die dazu eingerichtet ist, in der kurzen Achse (d.h. in y-Richtung) ein Gauß- oder Tophat-Profil zu erzeugen, dessen Breite ungefähr 20µm beträgt.
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In der Vorrichtung des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels sind die einzelnen ersten und zweiten Untereinheiten ferner (jeweils) getrennt voneinander in lateralen und longitudinalen Freiheitsgraden justierbar. Insbesondere können die gezeigten Untereinheiten (jeweils) in x-, y- und z-Richtung verschoben werden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen können die Untereinheiten ferner in eine dieser Richtungen geneigt werden. Somit können die aus den einzelnen Optikkanälen auf der Arbeitsebene 30 entstehenden Linienprofile in einfacher Weise manipuliert werden und zu einer „glatten“ Gesamtlinien in der Arbeitsebene gestitcht werden, d.h. zu einer Gesamtlinie die in der Arbeitsebene 30 sowohl intensitäts- als auch winkelhomogen ist.
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Grundsätzlich ist zur Realisierung eines winkelhomogenen Spektrums in der langen Achse der jeweiligen Laserstrahlbündel und zur Adressierung der einzelnen Kanäle bezüglich der langen Achse keine Unterteilung der ersten optischen Anordnung 18 in mehrere erste Untereinheiten notwendig. Im Prinzip kann hierfür eine beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte, Großoptik verwendet werden.
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5A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Strahlteilern und einem Spiegel. Insbesondere zeigt 5A einen ersten Strahlteiler 26a, der ein eingehendes Laserstrahlbündel 16 in zwei Teilstrahlen bzw. Teilstrahlbündel trennt. Während eines der beiden Teilstrahlbündel in z-Richtung geleitet wird, strahlt das andere Teilstrahlbündel einen zweiten Strahlteiler 26b an, welcher sich in x-Richtung hinter dem ersten Strahlteiler befindet. Dieser teilt das ihn treffende Teilstrahlbündel wiederum in weitere zwei Teilstrahlbündel auf. Ein weiterer Teilstrahler 26c trennt das auftreffende Strahlbündel weiter auf. Das vom Strahlteiler 26c in x-ausgehende Laserstrahlbündel wird dann durch einen Spiegel 38 in z-Richtung umgelenkt. Dadurch entsteht aus den von den Strahlteilern 26a, 26b und 26c jeweils in z-Richtung abgestrahlten Teilstrahlbündeln sowie aus dem von dem Spiegel 38 umgelenkten Teilstrahlbündel ein aufgeteiltes Laserstrahlbündel 16'. Mithin kann die in 5A gezeigte optische Anordnung in Kombination mit einer Quelle, die ein winkelhomogenes Spektrum aussendet, als eine zweite Untereinheit für die hier offenbarte Vorrichtung 10 herangezogen werden. Grundsätzlich ist der Einsatz eines Strahlteilers aber auch in der ersten optischen Anordnung 18 der Vorrichtung 10 denkbar. Da ein Strahlteiler auch keinen Einfluss auf das Winkelspektrum eines Laserstrahls hat, kann er prinzipiell auch strahlabwärts hinter der zweiten optischen Anordnung platziert werden.
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5B zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Strahlteilern und einem Spiegel. Im Unterschied, zu dem in 5A gezeigten ersten Ausführungsbeispiel wird hier der Strahlteiler 26a neben einem Laserstrahlbündel 16 aus der x-Richtung auch mit einem Laserstrahl 17 aus der z-Richtung bestrahlt. Dadurch kann die Intensität der ausgehenden Laserstrahlbündel16' erhöht werden. Auch die Anordnung des zweiten Ausführungsbeispiels kann als zweite optische Untereinheit für die Vorrichtung 10 dienen. Gleichwohl kann der Strahlteiler in anderen optischen Anordnungen der Vorrichtung 10 eingesetzt werden.
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6A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Transformators 24. Der Transformator 24 weitet ein eingehendes Laserstrahlbündel 16 in ein breiteres Laserstrahlbündel 16' auf. Der Transformator 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel realisiert wie der Transformator, der in der eingangs genannten
WO 2018/019374 A1 im Detail beschrieben ist. Dementsprechend ist die
WO 2018/019374 A1 hier in Bezug auf den Transformator durch Bezugnahme aufgenommen. Der Transformator des gezeigten Ausführungsbeispiels umfasst ein (für das eingehende Laserstrahlbündel) transparentes, monolithisches, plattenförmiges Element mit einer Vorderseite und einer parallel zur Vorderseite verlaufenden Rückseite. Die Vorderseite und die Rückseite besitzen auf der Innenseite des Elements eine reflektierende Beschichtung, sodass das einfallende Strahlbündel 16 innerhalb des Elements mehrfache Reflexionen erfährt (hier nicht gezeigt), bevor es aufgeweitet, d.h. als wesentlich breiteres Laserstrahlbündel 16', auf der Rückseite austritt. Der Transformator 24 kann für den Fall, dass bereits ein winkelhomogenes Laserstrahlbündel 16 auf ihn trifft in der erfindungsgemäßen Vorrichtung als alleiniger Bestandteil einer zweiten optischen Untereinheit eingesetzt werden. Gleichwohl kann er auch lediglich Teil einer zweiten optischen Untereinheit sein, die beispielsweise ferner einen Homogenisierer umfasst.
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6B zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Transformatoren 24. Dabei sind vier Transformatoren 24a, 24b 24c und 24d in einer Reihe parallel zur x-Achse angeordnet. Aus der z-Richtung werden die Transformatoren jeweils mit einem Laserstrahlbündel 16a, 16b, 16c bzw. 16d angestrahlt. Der Transformator 24a wandelt den Laserstrahl 16a in ein Strahlbündel 16a' um. Das Laserstrahlbündel 16a' weist eine wesentlich größere Breite entlang der x-Achse auf. Das Aspektverhältnis des eingehenden Bündels wurde somit verändert. Die Transformatoren 24b, 24c und 24d verbreiternihrerseits die Laserstrahlen 16b, 16c und 16d in die Laserstrahlbündel 16b', 16c' und 16d' ebenfalls. Die in 6B gezeigte optische Anordnung kann als Teil einer zweiten optischen Anordnung 18für die Vorrichtung 10 verwendet werden. Die Transformatoren ermöglichen insbesondere, dass etwa ein strahlabwärts nachfolgender Homogenisierer eine breite Ausleuchtung erfährt und damit ein leichtes Stitching benachbarter Laserlinien möglich wird. Ebenso denkbar ist, dass die gezeigten Transformatoren in Alleinstellung als zweite optische Anordnung 18 dienen. Eine homogene Winkelverteilung auf der Arbeitsebene ist dann aber nur möglich, wenn bereits die eingehenden Laserstrahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d winkelhomogen sind.
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7A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Homogenisierers 22. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Homogenisierer 22 ein Mikrolinsenarray. Ein eingangsseitiges Laserstrahlbündel 16 wird dabei über das Mikrolinsenarray in äquidistant getrennte Strahlen bzw. Strahlbündel gleicher Divergenz getrennt.
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7B zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Homogenisierers 22. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der (abbildende) Homogenisierer 22 zwei Mikrolinsenarrays. Das strahlabwärts gesehen erste Mikrolinsenarray wird zur Aufteilung des einfallenden Strahls in mehrere Strahlenbündel verwendet, während das (strahlabwärts gesehen) zweite Mikrolinsenanordnung bewirkt, dass die Bilder der einzelnen Strahlenbündel des ersten Arrays überlagert und auf die Arbeitsebene (nicht gezeigt) projiziert werden. Wie bei dem in 7B gezeigten Homogenisierer wird ein eingangsseitiges Laserstrahlbündel 16 in äquidistant getrennte Strahlen gleicher Divergenz getrennt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/019374 [0002]
- WO 2018/019374 A1 [0006, 0007, 0060]
