WO2016030112A1 - Anordnung zur abtastung einer objektfläche mit mehreren laserstrahlen und verfahren zum betrieb der anordnung - Google Patents

Anordnung zur abtastung einer objektfläche mit mehreren laserstrahlen und verfahren zum betrieb der anordnung Download PDF

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WO2016030112A1
WO2016030112A1 PCT/EP2015/067360 EP2015067360W WO2016030112A1 WO 2016030112 A1 WO2016030112 A1 WO 2016030112A1 EP 2015067360 W EP2015067360 W EP 2015067360W WO 2016030112 A1 WO2016030112 A1 WO 2016030112A1
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scanning
scanning device
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plane
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Lasse Büsing
Jochen Stollenwerk
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
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    • G02B27/0031—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration for scanning purposes

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for scanning an object surface with laser radiation, in particular for laser processing, in which a
  • Partial beams is divided, which via a scan ⁇ device for scanning a range of
  • Object surface can be dynamically deflected.
  • the invention also relates to a method of operating the device.
  • the efficient use of ultrashort pulsed laser radiation with a high average power requires methods for rapid distribution of the energy on the object surface or workpiece surface to be processed.
  • An alternative to fast scanning devices is the parallel processing with multiple partial beams.
  • the injected beam is split over a beam splitter into a plurality of partial beams, so that on the workpiece an equal ⁇ time processing by multiple laser spots, for example, be arranged in the form of a grid can, can be done.
  • scanning devices such as galvanometer scanners, all sub-beams are guided simultaneously over the workpiece.
  • the partial beams are dynamically deflected by a scanning device and directed to the surface of a solar cell via an F-theta objective. In this way, several laser spots are generated on the surface, with which the surface of the solar cell in several places at the same time
  • the diffractive optical element is rotatable about an axis parallel to the axis of the coupled-in laser beam in order to be able to change the orientation of the pattern of laser spots generated on the object surface.
  • the object of the present invention is an arrangement for scanning an object surface with a plurality of laser beams and a method for
  • the proposed arrangement has at least one beam splitter for splitting a coupled laser beam into a plurality of partial beams and a
  • This scanning device via which the partial beams for scanning a portion of the object surface, for example ⁇ a workpiece surface, can be dynamically deflected.
  • This scanning device may, for example, be a galvanometer scanner, which preferably is used for dynamic beam deflection in two mutually perpendicular directions
  • an imaging optical system is arranged, which is formed for imaging the beam splitter, in particular a beam exit plane of the beam splitter ⁇ in the scanning device and generates an intermediate focus, in which the individual
  • Partial beams are spatially separated from each other.
  • this imaging optics is preferably a so-called relay optics, with which an Irl mapping is generated.
  • the deflected by the scanning sub-beams are via a focusing optics of
  • the arrangement comprises in known manner a control device, via which the scanning device for the dynamic deflection of the partial beams corresponding to the desired scanning paths on the
  • Object surface is controlled.
  • the proposed arrangement is characterized in that in the region of the intermediate focus of the imaging optics, a beam offset module is arranged, which for each or
  • optical transpa ⁇ rentes parallel planar member with at least one actuator, by which the element can be rotated.
  • the plane-parallel element is so in the
  • Sub-beam when passing through the element undergoes a dependent of the rotational position parallel beam offset.
  • the respective sub-beam can be offset by appropriate rotation of the plane-parallel element stepwise or dynamically parallel and then meets at a correspondingly different angle to the scanning device.
  • Beam offset module variably modifiable part ⁇ rays a separate plane-parallel element - or more in the beam path of the respective sub-beam successively connected plane-parallel elements - is provided with one or more corresponding actuators, the individual sub-beams can be influenced independently of each other in the beam path.
  • the control device is in this case designed so that it can control the individual actuators independently.
  • all partial beams are influenced independently of one another by the beam offset module. In some cases, however, it may also be sufficient to variably influence only a selection of the partial beams, in which case only the respective plane-parallel element in the beam path of the selected partial beams is provided with an actuator.
  • the preferably still existing plane-parallel elements in the beam paths of the remaining partial beams are then fixed, ie not rotatable, installed.
  • it may be sufficient to compensate only for the sub-beams in the corners or at the edge of the the object surface generated spot arrays is possible because the position errors are there largest.
  • plane-parallel element is preferably rotatably mounted about two different ⁇ Liche axes and can be ⁇ ent speaking with one or more actuators independently rotate about both axes.
  • the axes are chosen so that the beam offset over the two axes of rotation in two mutually perpendicular
  • Directions is generated.
  • two plane-parallel elements in the beam path of the sub-beam one behind the other, each of which is then independently of the other via an actuator about a different axis rotatable.
  • the actuators can be, for example, piezo actuators. But there are others too
  • Driving mechanisms for the rotation of the plane-parallel elements possible, for example, drive mechanisms, such as are used in galvanometer scanners.
  • positional errors of the partial beams or laser spots on the object surface can be at least partially compensated for by way of dynamic actuation of the actuators, as occurs in multi-beam systems when passing through the scanning device.
  • the actuators can be dynamically and synchronously with the scanning device to compensate for position errors for each individual of the partial beams individually.
  • the suitable control can be determined beforehand by measuring the position errors for each partial beam in the case of different scanning positions of the scanning device.
  • the result can then be stored, for example, in a LUT (look-up table) or in another form as control information, which is accessed by the control device during the activation of the scanning device, in order to simultaneously actuate the actuators correctly. It is also possible to appropriate
  • a diffractive optical element As a beam splitter in the proposed arrangement preferably a diffractive optical element (DOE) is used, as it is also commercially available. If the beam splitter divides the coupled-in laser beam into a plurality of sub-beams which lie on a line, then for the at least partial compensation of the positioning error a rotatability of the plane-parallel elements by only one is possible
  • This axis should then be chosen so that it allows a parallel offset of the partial beams on this line.
  • the offset of the focusing optics can also be compensated with the beam offset module at the same time become. This is done with prior measurement of positioning errors automatically, as in this
  • Another possible application of the beam ⁇ offset module in the proposed arrangement is to adjust the spot array generated by the beam splitter onto the object surface.
  • the spot distances can be varied specifically with the beam offset module in one or two dimensions. In this way, the flexibility of the entire scanning optics increases and an adaptation to different process requirements is considerably simplified.
  • the arrangement is not limited to ultrashort pulses, i. use for fs or ps lasers.
  • a use with ns lasers or CW lasers is of course possible if a corresponding correction of positioning errors or a change in the spot distance is required.
  • the arrangement can be used in the field of laser material processing.
  • Fig. 1 shows an exemplary structure of the proposed arrangement in a schematic representation. In this arrangement, a coupled
  • Laser beam 1 via a beam splitter 2 divided into a plurality of partial beams 3. These sub-beams are imaged via an imaging optics consisting of a first relay lens 4 and a second relay lens 5 in the scanning device 6. By this scanning device 6, the partial beams are dynamic
  • a lens 7 as a focusing optics on the surface of the Object 8 distracted.
  • a diffractive optical element can ⁇ example, be used.
  • Beam splitter 2 fulcrum of the deflection system or the scanning device 6 and the entrance pupil of the
  • the partial beams 3 can be influenced or modified independently of one another. In the pre- ⁇ chosen arrangement is therefore to each other,
  • a beam offset module 10 is used, through which an adjustable and dynamically changeable parallel beam offset of the respective
  • Partial beam 3 can be done. This beam offset allows the positions of the individual spots in the focus or on the object surface to be varied.
  • the beam offset module 10 for each partial beam 3 in the present example in each case a transparent plane ⁇ parallel plate 11, which is rotatably mounted in each case in two different ⁇ directions.
  • Rotation is generated via corresponding actuators, which are controlled by a control device, not shown in the figure, of the arrangement.
  • Fig. 2 is a diagram for illustrating the operation of the ⁇ lichung beam displacement module 10 the arrangement.
  • the propagation of a light beam at an angle through a plane-parallel glass plate of thickness d and the refractive index n leads to a
  • a corresponding plane-parallel plate 11 is rotatably mounted for each of the sub-beams 3, the beam offset for the individual sub-beams 3 can be controlled independently.
  • Fig. 2b shows a view of several parallel partial beams 3, in whose
  • Beam path is arranged in each case a plane-parallel plate 11.
  • One of these partial beams 3 is offset in parallel by corresponding rotation of the plane-parallel plate 11.
  • Fig. 2c shows this a spatial representation of an array of 4x4 partial beams 3.
  • the storage of the individual plane-parallel plates 11 in the beam offset module 10 and the actuators connected to these plates are not shown.
  • Drive principle can be realized here different constructions that are known to those skilled in the field of scanning devices.
  • FIG. 4 additionally shows a simulation of the maximum position error for a spot array with 4x4 spots at a spot spacing of 7 mm and one
  • the possible compensation of the spot position error within a large deflection angle range is clearly recognizable.
  • the proposed arrangement can be

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abtastung einer Objektfläche mit Laserstrahlung, die wenigstens einen Strahlteiler (2) zur Aufteilung eines eingekoppelten Laserstrahls (1) in mehrere Teilstrahlen (3), eine Scaneinrichtung (6) zur Abtastung eines Bereiches der Objektfläche mit den Teilstrahlen (3) sowie eine zwischen dem Strahlteiler (2) und der Scaneinrichtung (6) angeordneten Abbildungsoptik (4, 5) aufweist, die zur Abbildung des Strahlteilers (2) in die Scaneinrichtung (6) ausgebildet ist und einen Zwischenfokus (9) erzeugt, in dem die Teilstrahlen (3) räumlich getrennt voneinander sind. Im Bereich des Zwischenfokus (9) ist ein Strahlversatzmodul (10) angeordnet, das für jeden oder wenigstens einige der Teilstrahlen (3) getrennt wenigstens ein drehbar gelagertes, optisch transparentes planparalleles Element (11) mit wenigstens einem Aktor aufweist, durch den das Element (11) gedreht werden kann. Das planparallele Element (11) ist dabei so im Strahlengang des Teilstrahls (3) angeordnet, dass der Teilstrahl (3) beim Durchgang durch das Element (11) einen von der Drehstellung abhängigen parallelen Strahlversatz erfährt. Durch geeignete Drehung der planparallelen Elemente (11) im Strahlversatzmodul (10) lassen sich Positionierungsfehler der Laserspots, die durch die Scaneinrichtung (6) verursacht werden, zumindest teilweise dynamisch kompensieren.

Description

Anordnung zur Abtastung einer Objektfläche mit mehreren Laserstrahlen und Verfahren zum Betrieb der Anordnung
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abtastung einer Objektfläche mit Laserstrahlung, insbesondere zur Laserbearbeitung, bei der ein
Laserstrahl mit einem Strahlteiler in mehrere
Teilstrahlen aufgeteilt wird, die über eine Scan¬ einrichtung zur Abtastung eines Bereiches der
Objektfläche dynamisch abgelenkt werden können. Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung .
Insbesondere auf dem Gebiet der Materialbear- beitung sind für die effiziente Nutzung von ultrakurz gepulster Laserstrahlung mit hoher mittlerer Leistung Verfahren zur schnellen Verteilung der Energie auf der zu bearbeitenden Objekt- bzw. Werkstückoberfläche erforderlich. Eine Alternative zu schnellen Scan- einrichtungen stellt die Parallelbearbeitung mit mehreren Teilstrahlen dar. Dazu wird der eingekoppelte Strahl über einen Strahlteiler in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt, so dass auf dem Werkstück eine gleich¬ zeitige Bearbeitung durch mehrere Laserspots, die z.B. in Form eines Gitters angeordnet sein können, erfolgen kann. Mit Hilfe von Scaneinrichtungen, wie beispielsweise Galvanometer-Scannern, werden dabei alle Teilstrahlen simultan über das Werkstück geführt. Stand der Technik
So ist beispielsweise aus 0. Haupt et al . , „Multi- spot laser processing of crystalline solar cells", Proc. of SPIE, Vol. 7921 (2011), Seiten 79210V-1 bis 790210V-9, eine entsprechende Anordnung zur Abtastung einer Objektfläche mit Laserstrahlung bekannt, bei der ein eingekoppelter Laserstrahl durch ein diffraktives optisches Element (DOE) in mehrere Teilstrahlen
aufgeteilt wird. Die Teilstrahlen werden über eine Scaneinrichtung dynamisch abgelenkt und über ein F- Theta Objektiv auf die Oberfläche einer Solarzelle gerichtet. Auf diese Weise werden mehrere Laserspots auf der Oberfläche erzeugt, mit denen die Oberfläche der Solarzelle an mehreren Stellen gleichzeitig
bearbeitet werden kann. Eine in gleicher Weise
aufgebaute Anordnung ist auch in der WO 2011/116968 A2 beschrieben. Das diffraktive optische Element (DOE) ist dabei in einer Ausgestaltung um eine Achse parallel zur Achse des eingekoppelten Laserstrahls drehbar, um die Orientierung des auf der Objektfläche erzeugten Musters aus Laserspots verändern zu können.
Die Verwendung von Scaneinrichtungen bei mehreren Teilstrahlen führt jedoch bereits bei Ablenkwinkeln von wenigen Grad zu signifikanten Positionierungsfehlern der einzelnen Spots zueinander bzw. zu einer vom Scanwinkel abhängigen Verzerrung des auf der Objektoberfläche gebildeten Spot-Arrays. Insbesondere bei der Mikrostrukturierung, die ein großes Einsatzgebiet von Ultrakurzpuls-Strahlquellen darstellt, ist eine präzise Positionierung der einzelnen Spots jedoch essentiell. Bisher werden daher beim Einsatz derartiger Multi- strahlsysteme mit mehreren Teilstrahlen die mit der Scaneinrichtung erzeugten Ablenkwinkel deutlich eingeschränkt, um die Positionierungsfehler zu minimieren.
Bei Einstrahlsystemen ist es beispielsweise aus M. Hafez et al . , „Study of the beam path distortion profiles generated by a two-axis tilt single-mirror laser Scanner", Optical Engineering, Vol. 42 No. 4 (2003), Seiten 1048 bis 1057, oder aus P.E. Verboven, "Distortion correction formulas for pre-obj ective dual galvanometer laser scanning", Appl . Opt . 28 No . 20
(1988), Seiten 4172 bis 4173, bekannt, die durch die Scaneinrichtung verursachten Positionierungsfehler zu berechnen und durch geeignete Ansteuerung der
Scaneinrichtung zumindest teilweise zu kompensieren. Eine derartige Kompensation über die Scaneinrichtung ist jedoch bei Multistrahlsystemen nicht mehr möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Abtastung einer Objektfläche mit mehreren Laserstrahlen sowie ein Verfahren zum
Betrieb der Anordnung anzugeben, die eine dynamische Kompensation oder Teilkompensation von Positionierungsfehlern während der Abtastung ermöglichen. Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß Patent¬ anspruch 1 gelöst. Patentanspruch 10 gibt ein
bevorzugtes Verfahren zum Betrieb der Anordnung an. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung oder des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patent¬ ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden
Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. Die vorgeschlagene Anordnung weist wenigstens einen Strahlteiler zur Aufteilung eines eingekoppelten Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen sowie eine
Scaneinrichtung auf, über die die Teilstrahlen zur Abtastung eines Bereiches der Objektfläche, beispielsw¬ eise einer Werkstückoberfläche, dynamisch abgelenkt werden können. Bei dieser Scaneinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Galvanometer-Scanner handeln, der vorzugsweise für eine dynamische Strahlablenkung in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen
ausgebildet ist. Auch andere bekannte Scaneinrichtungen für eine dynamische Strahlablenkung eines Laserstrahls sind selbstverständlich möglich. Zwischen dem Strahlteiler und der Scaneinrichtung ist eine Abbildungsoptik angeordnet, die zur Abbildung des Strahlteilers, insbesondere einer Strahlaustrittsebene des Strahl¬ teilers, in die Scaneinrichtung ausgebildet ist und einen Zwischenfokus erzeugt, in dem die einzelnen
Teilstrahlen räumlich voneinander getrennt sind. Bei dieser Abbildungsoptik handelt es sich vorzugsweise um eine sogenannte Relay-Optik, mit der eine Irl-Abbildung erzeugt wird. Die durch die Scaneinrichtung abgelenkten Teilstrahlen werden über eine Fokussieroptik der
Anordnung auf die abzutastende Objektfläche projiziert oder fokussiert. Die Anordnung weist in bekannter Weise eine Steuereinrichtung auf, über die die Scaneinrichtung zur dynamischen Ablenkung der Teilstrahlen entsprechend der gewünschten Abtastbahnen auf der
Objektoberfläche ansteuerbar ist. Die vorgeschlagene Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich des Zwischenfokus der Abbildungsoptik ein Strahlversatzmodul angeordnet ist, das für jeden oder
wenigstens für einige der Teilstrahlen getrennt wenigstens ein drehbar gelagertes, optisch transpa¬ rentes planparalleles Element mit wenigstens einem Aktor aufweist, durch den das Element gedreht werden kann. Das planparallele Element ist dabei so im
Strahlengang des Teilstrahls angeordnet, dass der
Teilstrahl beim Durchgang durch das Element einen von der Drehstellung abhängigen parallelen Strahlversatz erfährt. Damit kann der jeweilige Teilstrahl durch entsprechende Drehung des planparallelen Elementes schrittweise oder dynamisch parallel versetzt werden und trifft dann unter einem entsprechend anderen Winkel auf die Scaneinrichtung. Da für jeden der mit dem
Strahlversatzmodul variabel beeinflussbaren Teil¬ strahlen ein eigenes planparalleles Element - oder auch mehrere im Strahlengang des jeweiligen Teilstrahls hintereinander geschaltete planparallele Elemente - mit einem oder mehreren entsprechenden Aktoren vorgesehen ist, können die einzelnen Teilstrahlen unabhängig voneinander im Strahlverlauf beeinflusst werden. Die Steuereinrichtung ist hierbei so ausgebildet, dass sie die einzelnen Aktoren unabhängig voneinander ansteuern kann. Vorzugsweise werden alle Teilstrahlen durch das Strahlversatzmodul unabhängig voneinander beeinflusst. In einigen Fällen kann es jedoch auch ausreichend sein, nur eine Auswahl der Teilstrahlen variabel zu beeinflussen, wobei dann nur das jeweilige planparallele Element im Strahlengang der ausgewählten Teilstrahlen mit einem Aktor versehen ist. Die vorzugsweise dennoch vorhandenen planparallelen Elemente in den Strahlen- gängen der restlichen Teilstrahlen sind dann fest, d.h. nicht drehbar, verbaut. So kann es beispielsweise bei einigen Anwendungen genügen, wenn eine Kompensation nur für die Teilstrahlen in den Ecken oder am Rand des auf der Objektfläche erzeugten Spotarrays möglich ist, da die Positionsfehler dort am größten werden.
Steht für jeden der mit dem Strahlversatzmodul variabel beeinflussbaren Teilstrahlen nur ein planparalleles Element zur Verfügung, so ist dieses
planparallele Element vorzugsweise um zwei unterschied¬ liche Achsen drehbar gelagert und lässt sich ent¬ sprechend mit einem oder mehreren Aktoren unabhängig voneinander um beide Achsen drehen. Die Achsen sind dabei so gewählt, dass der Strahlversatz über die beiden Drehachsen in zwei zueinander senkrechten
Richtungen erzeugbar ist. Um einen derartigen Strahlversatz in zwei zueinander senkrechten Richtungen unabhängig voneinander erzeugen zu können, ist es auch möglich, zwei planparallele Elemente im Strahlengang des Teilstrahls hintereinander anzuordnen, von denen dann jedes unabhängig vom anderen über einen Aktor um eine andere Achse drehbar ist.
Bei den Aktoren kann es sich beispielsweise um Piezo-Aktoren handeln. Es sind jedoch auch andere
Antriebsmechanismen für die Drehung der planparallelen Elemente möglich, beispielsweise Antriebsmechanismen, wie sie in Galvanometer-Scannern zum Einsatz kommen.
Mit der vorgeschlagenen Anordnung lassen sich über eine dynamische Ansteuerung der Aktoren Positionsfehler der Teilstrahlen bzw. Laserspots auf der Objektober- fläche zumindest teilweise kompensieren, wie sie bei Multistrahlsystemen beim Durchgang durch die Scaneinrichtung auftreten. Die Aktoren lassen sich dabei dynamisch und synchron mit der Scaneinrichtung ansteuern, um Positionsfehler für jeden einzelnen der Teilstrahlen individuell zu kompensieren. Die geeignete Ansteuerung kann dabei vorab durch eine Messung der Positionsfehler für jeden Teilstrahl bei unterschied- liehen Scanstellungen der Scaneinrichtung bestimmt werden. Das Ergebnis kann dann beispielsweise in einer LUT (Look-Up-Table) oder in einer anderen Form als Steuerinformation abgespeichert werden, auf die die Steuereinrichtung während der Ansteuerung der Scanein- richtung zugreift, um gleichzeitig die Aktoren korrekt anzusteuern. Es ist auch möglich, entsprechende
Positionierungsfehler vorab zu berechnen und die zur Korrektur erforderliche Drehung der planparallelen Elemente bzw. die entsprechend erforderliche Steuerung der Aktoren dann wiederum für unterschiedliche
Scanstellungen in der Steuereinrichtung zu speichern.
Als Strahlteiler kommt bei der vorgeschlagenen Anordnung vorzugsweise ein diffraktives optisches Element (DOE) zum Einsatz, wie es auch kommerziell erhältlich ist. Teilt der Strahlteiler den eingekoppelten Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen auf, die auf einer Linie liegen, so ist für die zumindest teilweise Kompensation des Positionierungsfehlers eine Drehbarkeit der planparallelen Elemente um nur eine
Achse ausreichend. Diese Achse sollte dann so gewählt sein, dass sie einen Parallelversatz der Teilstrahlen auf dieser Linie ermöglicht. Zusätzlich zur dynamischen Kompensation der durch die Scaneinrichtung hervorgerufenen Positionierungsfehler kann mit dem Strahlversatzmodul gleichzeitig auch die Verzeichnung der Fokussieroptik kompensiert werden. Dies erfolgt bei vorheriger Vermessung der Positionierungsfehler automatisch, da in diese
Positionierungsfehler dann diese Verzeichnung bereits eingeflossen ist.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Strahl¬ versatzmoduls in der vorgeschlagenen Anordnung besteht in der Anpassung der durch den Strahlteiler erzeugten Spotanordnung auf der Objektoberfläche. So können die Spotabstände mit dem Strahlversatzmodul gezielt in einer oder zwei Dimensionen variiert werden. Auf diese Weise steigt die Flexibilität der gesamten Abtastoptik und eine Adaption an verschiedene Prozessanforderungen wird erheblich vereinfacht.
Die Anordnung lässt sich selbstverständlich nicht nur für Ultrakurzpulse, d.h. für fs- oder ps-Laser einsetzen. Auch ein Einsatz mit ns-Lasern oder CW- Lasern ist selbstverständlich möglich, wenn eine entsprechende Korrektur von Positionierungsfehlern oder eine Änderung des Spotabstandes erforderlich ist.
Besonders vorteilhaft lässt sich die Anordnung dabei im Bereich der Lasermaterialbearbeitung einsetzen.
Selbstverständlich sind jedoch auch andere Anwendungen möglich, bei denen eine Objektfläche mit mehreren
Laserstrahlen gleichzeitig abgetastet werden soll, sowie Anwendungen im Bereich der Strahlformung und - führung .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Anordnung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen
Anordnung; drei Darstellungen a) - c) zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Strahlversatzmoduls ; ein Beispiel für eine Simulation eines 4x4 Spot-Arrays ohne und mit aktiver Kompensation der Positionsfehler mit der vorgeschlagenen Anordnung; und ein Vergleich der Spot-Positionsfehler ohne und mit aktiver Kompensation in Abhängigkeit des mit der Scaneinrichtung erzeugten Ablenkwinkels.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau der vorgeschlagenen Anordnung in schematischer Darstellung. Bei dieser Anordnung wird ein eingekoppelter
Laserstrahl 1 über einen Strahlteiler 2 in mehrere Teilstrahlen 3 aufgeteilt. Diese Teilstrahlen werden über eine Abbildungsoptik bestehend aus einer ersten Relay-Linse 4 und einer zweiten Relay-Linse 5 in die Scaneinrichtung 6 abgebildet. Durch diese Scaneinrichtung 6 werden die Teilstrahlen dynamisch
entsprechend der gewünschten Abtastbahnen durch ein Objektiv 7 als Fokussieroptik auf die Oberfläche des Objekts 8 abgelenkt. Als Strahlteiler 2 kann beispiels¬ weise ein diffraktives optisches Element eingesetzt werden . Durch das Abbildungssystem aus den beiden Relay-
Linsen 4, 5 wird einerseits gewährleistet, dass
Strahlteiler 2, Drehpunkt des Ablenksystems bzw. der Scaneinrichtung 6 sowie die Eintrittspupille des
Objektivs 8 im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Zum anderen erzeugt dieses Abbildungssystem einen
Zwischenfokus 9, in dem alle Teilstrahlen 3 räumlich separiert verlaufen, wie dies in der Figur 1 schema¬ tisch angedeutet ist. Durch diese räumliche Trennung können die Teilstrahlen 3 unabhängig voneinander beeinflusst bzw. modifiziert werden. Bei der vorge¬ schlagenen Anordnung wird daher zur voneinander
unabhängigen Modifikation bzw. Beeinflussung der einzelnen Teilstrahlen 3 ein Strahlversatzmodul 10 eingesetzt, durch das ein einstellbarer und dynamisch veränderbarer paralleler Strahlversatz des jeweiligen
Teilstrahls 3 erfolgen kann. Durch diesen Strahlversatz lassen sich die Positionen der einzelnen Spots im Fokus bzw. auf der Objektoberfläche variieren. Hierzu weist das Strahlversatzmodul 10 für jeden Teilstrahl 3 im vorliegenden Beispiel jeweils eine transparente plan¬ parallele Platte 11 auf, die jeweils in zwei unter¬ schiedlichen Richtungen drehbar gelagert ist. Die
Drehung wird über entsprechende Aktoren erzeugt, die von einer in der Figur nicht dargestellten Steuer- einrichtung der Anordnung angesteuert werden.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung zur Veranschau¬ lichung der Funktionsweise des Strahlversatzmoduls 10 der Anordnung. Die Propagation eines Lichtstrahls unter einem Winkel durch eine planparallele Glasplatte der Dicke d und dem Brechungsindex n führt zu einem
Parallelversatz des Strahls von
Figure imgf000013_0001
Dies ist in der Fig. 2a) angedeutet. Durch
entsprechende Drehung der planparallelen Platte 11 um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene lässt sich der Strahlversatz verändern. Da für jeden der Teilstrahlen 3 eine entsprechende planparallele Platte 11 drehbar gelagert angeordnet ist, lässt sich der Strahlversatz für die einzelnen Teilstrahlen 3 unabhängig voneinander steuern. Fig. 2b) zeigt hierzu eine Ansicht mehrerer parallel verlaufender Teilstrahlen 3, in deren
Strahlengang jeweils eine planparallele Platte 11 angeordnet ist. Einer dieser Teilstrahlen 3 wird hierbei durch entsprechende Drehung der planparallelen Platte 11 parallel versetzt.
Durch Anordnung einer der Anzahl der Teilstrahlen 3 entsprechenden Anzahl von planparallelen Platten 11 lassen sich alle Teilstrahlen 3 und damit auch die auf der Objektfläche erzeugten Spots unabhängig voneinander in zwei Raumrichtungen bewegen, wenn die planparallelen Platten um zwei unterschiedliche Drehachsen gedreht werden können. Fig. 2c) zeigt hierzu eine räumliche Darstellung für ein Array aus 4x4 Teilstrahlen 3. Die Lagerung der einzelnen planparallelen Platten 11 im Strahlversatzmodul 10 sowie die mit diesen Platten verbundenen Aktoren sind nicht dargestellt. Je nach Antriebsprinzip lassen sich hier unterschiedliche Konstruktionen verwirklichen, die dem Fachmann aus dem Gebiet der Scaneinrichtungen bekannt sind. Bei einer Synchronisation der Ansteuerung der einzelnen Aktoren des Strahlversatzmoduls 10 mit dem Strahlablenksystem bzw. der Scaneinrichtung 6 können Spot-Positionsfehler innerhalb eines vergleichsweise großen Winkelbereichs der Strahlablenkung kompensiert werden. Fig. 3 zeigt hierzu in der Ecke eines
Scanfeldes für ein Spot-Array mit 4x4 Spots die
Sollpositionen „+" der Spots, die Spot-Positionen ohne Kompensation und die Spot-Positionen „0" mit aktiver Kompensation bei einer Auslenkung von 7°.
Fig. 4 zeigt zusätzlich eine Simulation des maximalen Positionsfehlers für ein Spot-Array mit 4x4 Spots bei einem Spotabstand von 7 mm und einer
Brennweite der Fokussieroptik von 100 mm in Abhängig- keit des Ablenkwinkels Θ der Scaneinrichtung. Die mögliche Kompensation des Spot-Positionsfehlers innerhalb eines großen Ablenkwinkelbereiches ist dabei deutlich erkennbar. Durch die vorgeschlagene Anordnung lassen sich
Scanwinkel-abhängige Spot-Positionsfehler dynamisch kompensieren. Nur durch diese Kompensation können Scaneinrichtungen in vollem Umfang bei Multistrahl- applikationen eingesetzt werden. Bezugs zeichenliste
1 Laserstrahl
2 Strahlteiler
3 Teilstrahlen
4 erste Relay-Linse
5 zweite Relay-Linse
6 Scaneinrichtung
7 Obj ektiv
8 Objekt
9 Zwischenfokus
10 Strahlversatzmodul
11 planparallele Platte

Claims

Patentansprüche
Anordnung zur Abtastung einer Objektfläche mit Laserstrahlung, insbesondere zur Laserbearbeitung, die wenigstens
- einen Strahlteiler (2), der zur Aufteilung eines eingekoppelten Laserstrahls (1) in mehrere Teil¬ strahlen (3) ausgebildet ist,
- eine Scaneinrichtung (6), über die die
Teilstrahlen (3) zur Abtastung eines Bereiches der Objektfläche dynamisch abgelenkt werden können,
- eine Fokussieroptik (7) für die Projektion oder Fokussierung der Teilstrahlen (3) auf die
Objektfläche und
- eine Steuereinrichtung aufweist, über die die Scaneinrichtung (6) zur dynamischen Ablenkung der Teilstrahlen (3) ansteuerbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- zwischen dem Strahlteiler (2) und der Scaneinrichtung (6) eine Abbildungsoptik (4, 5) zur
Abbildung des Strahlteilers (2) in die Scaneinrichtung (6) angeordnet ist, die einen Zwischenfokus (9) erzeugt, in dem die Teilstrahlen (9) räumlich voneinander getrennt sind,
- im Bereich des Zwischenfokus (9) ein Strahlversatzmodul (10) angeordnet ist, das für jeden oder wenigstens für einige der Teilstrahlen (3) getrennt wenigstens ein drehbar gelagertes, optisch transparentes planparalleles Element (11) mit wenigstens einem Aktor aufweist, durch den das Element (11) gedreht werden kann, und - die Steuereinrichtung zur getrennten Ansteuerung der Aktoren ausgebildet ist,
- wobei das planparallele Element (11) so im
Strahlengang des Teilstrahls (3) angeordnet ist, dass der Teilstrahl (3) beim Durchgang durch das Element (11) einen von einer Drehstellung des Elements (11) abhängigen parallelen Strahlversatz erfährt .
Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das planparallele Element (11) um zwei Achsen drehbar ist, durch die ein Strahlversatz in zwei zueinander senkrechten Richtungen erzeugbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass für jeden der Teilstrahlen (3) oder der wenigstens einigen Teilstrahlen (3) getrennt zwei planparallele Elemente (11) mit wenigstens jeweils einem Aktor im Strahlengang des Teilstrahls (3) hintereinander angeordnet sind, von denen jedes um eine andere Achse drehbar ist, um einen Strahlversatz in zwei zueinander senkrechten Richtungen erzeugen zu können.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass das Strahlversatzmodul (10) für jeden der Teilstrahlen (3) ein drehbar gelagertes, optisch transparentes planparalleles Element (11)
aufweist, wobei das planparallele Element (11) nur jeweils für eine Auswahl an Teilstrahlen (3) drehbar gelagert ist und wenigstens einen Aktor aufweist, durch den das Element (11) gedreht werden kann.
Anordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahl an Teilstrahlen (3) durch
Teilstrahlen (3) gebildet ist, die in einen äußeren Bereich eines durch die Projektion oder Fokussierung auf der Objektfläche gebildeten Spotarrays projiziert oder fokussiert werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die Aktoren synchron zur Ablenkung der Teilstrahlen (3) durch die Scaneinrichtung (6) ansteuert .
Anordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die Aktoren auf Basis einer abge¬ speicherten Steuerinformation zur zumindest teilweisen Kompensation von Abbildungsfehlern ansteuert, die bei der Ablenkung der Teilstrahlen (3) durch die Scaneinrichtung (6) und/oder beim Durchgang durch die Fokussieroptik (7) auftreten.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abbildungsoptik (4, 5) eine Relay-Optik ist .
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der Strahlteiler (2) ein diffraktives optisches Element ist.
Verfahren zum Betrieb der Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die
einzelnen Aktoren des Strahlversatzmoduls (10) so angesteuert werden, dass Abbildungsfehler bei der Abtastung der Objektfläche durch die Teilstrahlen (3) zumindest teilweise kompensiert werden, die bei der Ablenkung der Teilstrahlen (3) durch die Scaneinrichtung (6) und/oder beim Durchgang durch die Fokussieroptik (7) auftreten.
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