WO2023160946A1 - Line-generating optical system - Google Patents

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WO2023160946A1
WO2023160946A1 PCT/EP2023/052136 EP2023052136W WO2023160946A1 WO 2023160946 A1 WO2023160946 A1 WO 2023160946A1 EP 2023052136 W EP2023052136 W EP 2023052136W WO 2023160946 A1 WO2023160946 A1 WO 2023160946A1
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WO
WIPO (PCT)
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focus
illumination beam
focusing lens
line
focusing
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/052136
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German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Heimes
Christoph Irion
Tim Hieronymus
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Publication date
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    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702Auxiliary equipment
    • B23K26/705Beam measuring device
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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    • B23K26/04Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046Automatically focusing the laser beam
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • GPHYSICS
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat

Definitions

  • the present invention relates to a line optics system for generating a defined laser line on a working plane.
  • Such a line optical system is basically known from US 2006/182155 A1.
  • the linear laser illumination of such a linear optical system can advantageously be used to thermally process a workpiece.
  • the workpiece can be, for example, a plastic material on a glass plate, which serves as a carrier material.
  • the plastic material can in particular be a film on which organic light-emitting diodes, so-called OLEDs, and/or thin-film transistors are produced.
  • OLED films are increasingly being used for displays in smartphones, tablets, televisions and other screen display devices. After the electronic structures have been produced, the film must be detached from the glass carrier.
  • Another widely used application for the sequential illumination of a workpiece with a defined laser line can be the line-by-line melting of amorphous be silicon on a carrier plate.
  • the laser line is moved at a defined speed relative to the workpiece surface.
  • the comparatively inexpensive amorphous silicon can be converted into higher-quality polycrystalline silicon by melting it and then cooling it down.
  • SLA Solid State Laser Annealing
  • SLS Sequential Lateral Solidification
  • ELA Excimer Laser Annealing
  • a laser line is required on the work plane, which is as long as possible in one direction in order to cover the widest possible work area, and which is very short in comparison to this in the other direction, in order to provide a suitable for the respective process provide the required energy density. Accordingly, a long, thin laser line with a very large aspect ratio of line length to line width is desirable. For typical applications, a line length of 100mm or more with a linewidth of the order of 20pm may be desirable.
  • the direction in which the laser line runs is usually referred to as the long axis (LA) and the line width as the short axis (SA) of the so-called beam profile.
  • the laser line should have a defined intensity curve in both axes.
  • the laser line it is often desirable for the laser line to have an intensity profile that is as rectangular or trapezoidal as possible in the long axis, with the latter being advantageous if several laser lines are to be joined together to form a longer overall line.
  • a rectangular intensity profile so-called top hat profile
  • a Gaussian profile is often desired in the short axis.
  • WO 2018/019374 A1 discloses a device for generating such a laser line with numerous details relating to the elements of the optical arrangement.
  • the optical arrangement here includes a collimator that collimates a raw laser beam, as well as a beam transformer, a homogenizer and a focusing stage.
  • the beam transformer takes the collimated raw beam and expands it in the long axis. In principle, the beam transformer can also accept several raw laser beams from several laser sources and combine them into an expanded laser beam with higher power.
  • the homogenizer produces the desired beam profile in the long axis.
  • the focusing stage focuses the reshaped laser beam on a defined position in the area of the working plane.
  • the known device is suitable for LLO and SLA applications and can be implemented using laser radiation with wavelengths ranging from the infrared (IR) to the ultraviolet (UV) range.
  • the optical properties can change in line focus systems. Reasons for this are, for example, thermal lenses of the optics or mechanical expansion due to temperature changes. This can lead to a shift in the focal position of the laser line.
  • This problem is known in cutting optics and line focus systems.
  • a focusing optics of the line focus system was previously controlled on the basis of a characteristic.
  • This characteristic indicates the position of the focusing optics as a function of time.
  • the characteristic curve is determined in advance, for example in a calibration process, and can be used, for example in the form of control data, by a control unit of the line optics system in order to regulate the focusing optics during operation.
  • the document DE 10 2018 200 078 A1 shows an optical system for generating an illumination line.
  • the optical system includes a laser beam source for generating a laser beam along an optical axis.
  • the optical system comprises a beam shaping device, which is set up to shape the laser beam in such a way that a beam profile of the laser beam has a long axis and a short axis, and an imaging device (e.g. a focusing lens) arranged downstream of the beam shaping device in the beam path of the laser beam is set up to image the laser beam thus shaped as an illumination line.
  • an imaging device e.g. a focusing lens
  • the beam shaping device comprises at least one telescope arrangement, which comprises a first lens group and a second lens group, the first lens group and the second lens group having an optical refractive power at least with respect to the short axis.
  • the optical system includes first moving means for moving at least one of the first and second lens groups along the optical axis.
  • the optical system includes a second moving device for moving the imaging device along the optical axis.
  • the optical system also includes a control unit which is set up to control the first and second movement device in such a way that the at least one of the first and second lens groups and the imaging device are moved while the laser Beam source generates the laser beam.
  • control data are stored in a memory of the control unit.
  • a line optics system for generating a defined laser line on a working plane.
  • the line optics system has at least one laser light source for generating at least one laser beam, an optical arrangement, a camera system and a control device.
  • the optical arrangement is set up to generate an illumination beam from the at least one laser beam along a beam path, with the illumination beam defining a beam direction that intersects the working plane, with the illumination beam forming the defined laser line in the area of the working plane, with the optical arrangement in the Beam path has a focusing unit with a focusing lens for focusing the illumination beam, wherein the focusing lens is movable parallel to the beam direction.
  • the camera system is set up to observe the illumination beam at at least three defined positions downstream of the focusing lens, with the illumination beam having a focus state at each of the at least three defined positions.
  • the control device is set up to determine a focus position of the focus of the focusing lens on the basis of the focus states at the at least three defined positions and to regulate a position of the focusing lens parallel to the beam direction in such a way that the focus position is arranged in the working plane.
  • the at least one laser light source can be a UV laser light source for generating a UV laser beam or an IR laser light source for generating an IR laser beam.
  • the at least one laser light source can be set up to generate more than one laser to generate a beam.
  • a plurality of laser light sources can be provided, each laser light source being set up to generate a respective laser beam.
  • the optical arrangement is set up to generate the illumination beam from the at least one laser beam along a beam path.
  • the illumination beam has a linear beam profile in the area of the working plane.
  • the illumination beam thus generates the defined laser line in the working plane.
  • the illumination beam has a beam profile in the region of the working plane which has a long axis with a long-axis beam width and a short axis with a short-axis beam width perpendicular to the beam direction.
  • the optical system can have a series of beam-guiding and beam-shaping optics along the beam path.
  • the optical arrangement can be movable relative to the working plane along a direction of movement, preferably parallel to the working plane, in order to process a workpiece with the aid of the illumination beam.
  • the optical arrangement has the focusing unit.
  • the focusing unit is set up to focus the illumination beam.
  • the focusing unit can focus the illumination beam in the short-axis direction.
  • the focusing unit serves to focus the short axis of the laser line.
  • the focusing unit is preferably arranged in the beam path after the beam-guiding and beam-shaping optics.
  • the focussing unit has a focussing lens.
  • the focusing lens can have one or more optics.
  • the focus of the focusing lens is at a focus position downstream of the focusing lens.
  • the focal position of the focus of the focusing lens is the position downstream of the focusing lens at which the focusing lens focuses the illumination beam.
  • the focus position thus defines a distance down the beam from the focusing objective, at which the focus of the focusing objective lies.
  • beam down is to be understood in relation to the beam path and the beam direction of the illumination beam and means that something in the beam path or in Beam direction is arranged below.
  • the focal position of the focus of the focusing objective is in the beam path or in the beam direction of the illumination beam, ie behind the focusing objective.
  • the focusing lens can also be moved parallel to the beam direction.
  • the focusing objective is mounted in such a way that it can be moved parallel to the direction of the beam.
  • the focusing unit can have a movement device, for example. By moving the focusing lens, the position of the focus of the focusing lens can be adjusted.
  • the line optics system can also have other optics downstream of the focusing unit, such as protective glasses, deflection mirrors and the like.
  • the other optics preferably have no beam-shaping or focusing function.
  • the camera system is set up to observe the illumination beam at at least three defined positions downstream of the focusing lens. Observing means that the camera system records, for example, one or more images of the illumination beam in which the illumination beam is imaged at the respective defined positions.
  • the at least three positions are arranged after the focusing lens in the beam direction of the illumination beam.
  • the camera system can be set up to observe the illumination beam at three defined positions downstream of the focusing objective.
  • the camera system can be set up to observe the illumination beam at more than three, in particular four, five or six, defined positions downstream of the focusing lens.
  • the defined positions are different.
  • the defined positions can preferably be arranged consecutively in the beam direction with the same spacing.
  • the focusing lens has a different distance in the beam direction from each of the defined positions.
  • a focus state of the illumination beam also varies with the distance from the focusing lens.
  • the focus state describes the focusing at a specific position relative to the focusing lens.
  • the focus state how strongly the illumination beam is focused at the respective position.
  • the focus state indicates a degree of focus at the respective position. Focusing is at its maximum at the focus position, i.e. in the focus of the focusing lens. The further one moves away from the focus position parallel to the beam direction, the lower the focusing becomes.
  • a specific focal state of the illumination beam is therefore assigned to each of the defined positions.
  • the control device is set up to determine the focus position of the focus of the focusing lens on the basis of the focus states of at least three of the defined positions and to regulate a position of the focusing lens parallel to the beam direction in such a way that the focus position is arranged in the working plane.
  • the control device preferably analyzes the focus states at the defined positions observed by means of the camera system in order to determine the focus position on the basis thereof.
  • the control device can then regulate the position of the focusing lens accordingly on the basis of the determined focus position.
  • the position of the focusing lens is adjusted in such a way that the focus position is shifted into the working plane. In this way, the short axis of the laser line is focused in the working plane.
  • control device can in particular have a control unit and a data processing unit.
  • the data processing unit can, for example, carry out calculation steps to determine the focus position.
  • the control unit can, for example, generate control commands by means of which the position of the focusing objective is controlled.
  • the control commands can be used to control a movement device that is set up to move the focusing lens.
  • the line optics system according to the invention is designed in such a way that the focus position can be determined online, ie during operation, and tracked accordingly, ie regulated.
  • a few positions along the beam direction are observed using the camera system.
  • the few positions can be imaged on a camera using a suitable optical system. Recordings of the illumination beam at these positions can then be processed via an algorithm and the exact focus position can be determined. The position of the focusing lens can be adjusted accordingly.
  • the line optics system according to the invention thus makes it possible to determine the focus position of the focusing lens during operation and to regulate it accordingly, so that the illumination beam, in particular the laser line, is focused in the working plane.
  • the camera system is arranged downstream of the working plane.
  • the illumination beam is thus observed in the beam path after the working plane.
  • the illuminating beam can be observed either after it has passed the working plane or after it has been reflected at the working plane.
  • the camera system can be arranged in such a way that it can observe a reflected beam of the illumination beam at the working plane.
  • the reflected beam is a back reflection of the illuminating beam at the work plane.
  • the illumination beam can be reflected on a surface of a workpiece to be machined with the laser line, which is arranged in the working plane. The back reflection can then be observed using the camera system. In this way, in addition to the focus shift, a variation in the working plane can also be compensated.
  • the camera system can also be arranged behind the working plane.
  • the working plane lies between the camera system and the focusing unit.
  • the camera system can thus observe an illumination beam that passes the work plane.
  • the focus position can be determined and adjusted when no workpiece is arranged in the working plane or when the laser line has been used to cut completely through the workpiece that the laser line can pass the working plane and reach the camera system.
  • the line optics system has further optics which are arranged downstream of the focusing unit, the further optics being set up to split the illumination beam, with part of the illumination beam pointing in the direction of the working plane and another part of the illumination beam pointing in direction of the camera system.
  • further optics such as a deflection mirror or a protective glass
  • the additional optics can, for example, split the illumination beam into two parts.
  • the additional optics can be constructed in such a way that they reflect part of the illumination beam and allow another part of the illumination beam to pass through, that is to say transmit it. Either the transmitted or the reflected part runs in the direction of the working plane, whereas the corresponding other part runs in the direction of the camera system and is observed by it.
  • the reflected part of the illuminating beam can be referred to as a back reflection of the illuminating beam at the additional optics.
  • the camera system can be set up to observe the back reflection of the illumination beam on the further optics.
  • the further optics have a protective glass through which the illumination beam runs in the direction of the working plane, with a back reflection being observed on the protective glass by means of the camera system.
  • the camera system can also be set up to observe the transmitted part of the illumination beam.
  • the further optics can have a partially transparent, in particular semi-transparent, deflection mirror.
  • the deflection mirror can deflect, i.e. reflect, the illumination beam in the direction of the working plane, in which case the transmitted part of the illumination beam that has passed through the deflection mirror can be observed by means of the camera system.
  • the camera system has at least one camera for recording at least one image, the at least one image having images of the illumination beam at the at least three defined positions.
  • the at least one image has an image for each defined position.
  • Each of these images thus forms the illumination beam at the respective defined position in the respective focus state.
  • the illumination beam is thus shown in the images with different degrees of focus.
  • the control device can determine the corresponding focus states at the corresponding defined positions.
  • the camera system can have a camera for recording an image, this image having images of the illumination beam at the at least three defined positions. These images are preferably imaged spaced from each other in the image. This means that the images in the image do not overlap. In particular, the images in the image are offset from each other in the short axis direction. In this way, all focus states can be mapped at the at least three defined positions in one image.
  • the camera system can also have a plurality of cameras, with each camera taking a respective image.
  • Each image has an image of the illumination beam at one of the at least three defined positions.
  • a corresponding image is recorded by the cameras for each defined position.
  • the number of cameras and the number of images correspond to the number of defined positions, with each image depicting the illumination beam in a corresponding focus state.
  • the camera system has a beam splitter which is designed to split the illumination beam into partial beams, the at least one camera being designed to display the partial beams in the to form at least one image, the images of the partial beams corresponding to the images of the illumination beam at the at least three defined positions.
  • the number of partial beams corresponds to the number of defined positions.
  • the partial beams are spaced apart from one another. This means that the partial beams run side by side, in particular parallel to one another, and do not overlap in the image.
  • the sub-beams can be offset from each other in the direction of the short axis.
  • the partial beams are recorded with this camera. In this way, the partial beams can be imaged together in one image, preferably next to one another.
  • each partial beam can be recorded with one of the cameras.
  • the number of partial beams corresponds to the number of cameras and the number of images recorded.
  • each partial beam can be displayed in its own image.
  • the imaging of a partial beam corresponds to the imaging of the illumination beam at a defined position.
  • each partial beam is used to image the illumination beam at one of the at least three defined positions.
  • the paths or transit times of the partial beams up to the camera in which they are recorded are different. Due to the different lengths of travel, imaging is achieved at different defined positions.
  • the images of the partial beams therefore form the illumination beam at different distances from the focusing objective and thus also in different focus states.
  • the beam splitter can be constructed in such a way that the partial beams pass through the beam splitter with paths of different lengths. This can be implemented in particular by means of one or more deflection mirrors in the beam splitter.
  • the beam splitter can be set up to lengthen the travel paths of the partial beams in such a way that the at least three defined positions in the beam direction are arranged one after the other with the same spacing.
  • the beam splitter thus makes it possible in a simple manner to observe the illumination beam at at least three defined positions using a camera system.
  • control device is set up to determine a focus value of each focus state at the at least three positions based on the at least one image, wherein the focus position of the focus of the focusing lens is determined based on the determined focus values.
  • a focus value indicates a measure of the focussing, ie the sharpness of the image, at a defined position of the illumination beam in the direction of the beam.
  • the focus value has a global extremum at the focus position of the focus of the focusing lens.
  • the progression of the focus values in the beam direction can be modeled as a parabola-like progression, with the position of the extremum corresponding to the focus position.
  • an overdetermined system of equations is obtained, which can be solved, for example, by means of a regression calculation, in particular the least squares method, in order to determine the position of the extremum.
  • another function that has a global extremum in particular a Gaussian function or an even polynomial function with degree four or higher, can also be used to model the course of the focus values.
  • the number of defined positions to be observed by means of the camera system is preferably greater than or equal to the degree of the polynomial function plus one.
  • a beam profile of the illumination beam in the direction of the short axis is determined for each image of the illumination beam in the at least one image, with each focus value being determined on the basis of the beam profile of the corresponding image.
  • the beam profile is an intensity profile that represents the intensity profile of the illumination beam in the direction of the short axis at the respective defined position.
  • the respective beam profile can be determined in particular on the basis of a projection of the pixels of the corresponding image in the at least one image along the direction of the long axis onto the direction of the short axis.
  • the beam profile can preferably be a rectangular intensity profile (a so-called top hat profile) or a Gaussian profile.
  • the focus value can be a steepness (also called edge steepness) of the beam profile, for example. The steepness describes the gradient in the edge area of the beam profile, i.e. on a flank of the beam profile. The smaller the value, the slope is, the steeper the slope.
  • the focus value can also be the inverse of the slope, for example.
  • the focus value is then the smaller, the steeper the edge is.
  • the focus value can also be the width of the beam profile.
  • the width of the beam profile can be taken to be the width of the region of the beam profile in which the intensity values are equal to or greater than 1/e 2 , 50% or 90% of the maximum of the beam profile.
  • the slope of the beam profile is at a maximum and the inverse of the slope and the width of the beam profile are at a minimum. In order to determine the focus position, the position in the beam direction can thus be determined at which the steepness of the beam profile of the illumination beam is minimal in the direction of the short axis.
  • the position in the beam direction can also be determined at which the inverse of the steepness or the width of the beam profile of the illumination beam is minimal in the direction of the short axis.
  • the steepness and the width in the beam direction follow a parabolic curve, with the position of the extremum, in particular the minimum or maximum, corresponding to the focus position of the focus of the focusing objective.
  • a position of the working plane downstream of the focusing lens is predetermined, with the control device being set up to regulate the position of the focusing lens parallel to the beam direction in such a way that the focus position of the focus of the focusing lens varies from the determined focus position to the predetermined position of the working plane is moved.
  • the position of the working plane is thus a target position of the focus position and the focus position determined by means of the control device is an actual position of the focus position.
  • the position of the focusing lens parallel to the beam direction is thus regulated in such a way that the focus position is shifted from the actual position to the desired position.
  • a displacement vector can be formed from a difference between the desired position and the actual position, according to which the focusing lens is moved.
  • the position of the working plane can be determined in advance, in particular by the user.
  • the camera system is arranged in such a way that one of the defined positions is the target position of the focus position corresponds.
  • the illumination beam can be observed via the additional optics described above.
  • the control device can then regulate the position of the focusing objective in such a way that the focus position is shifted to the corresponding, defined position.
  • the line optics system has a movement device for moving the focusing lens parallel to the beam direction, the control device being set up to control the movement device in order to regulate the position of the focusing lens.
  • the control device can send control commands to the movement device, with the movement device then moving the focusing lens in accordance with these control commands.
  • the movement device can have a linear guide, for example, along which the focusing lens can be moved parallel to the beam direction.
  • the linear guide thus provides a guide for the focusing lens parallel to the beam direction.
  • the movement device can also have a drive device that can move the focusing objective parallel to the beam direction, in particular along the linear guide.
  • the control device can control the drive device.
  • the optical arrangement also has beam-guiding and beam-shaping optics which are set up to generate the illumination beam from the at least one laser beam.
  • the optical arrangement preferably has a row of beam-guiding and beam-shaping optics along the beam path, by means of which the illumination beam is generated. These optics are preferably arranged in the beam path in front of the focusing unit. The illumination beam generated by the beam-guiding and beam-shaping optics is focused by the focusing unit in the working plane.
  • the optical arrangement can have, for example, a beam transformer, a homogenizer and large optics as beam-guiding and beam-shaping optics.
  • the beam transformer can be arranged in the beam path after the laser light source.
  • the beam transformer is set up to expand the at least one laser beam in a direction transverse to the beam direction, in particular in the direction of the long axis.
  • the beam transformer serves to optimize the aspect ratio of the illumination beam even further and/or even more efficiently with regard to the desired laser line.
  • the homogenizer can be arranged in the beam path after the beam transformer.
  • the homogenizer is set up to distribute the at least one, preferably expanded, laser beam homogeneously in the long axis.
  • the homogenizer thus serves to achieve a homogeneous intensity distribution of the illumination beam along the long axis.
  • the large optics are preferably arranged in the beam path after the homogenizer.
  • the large optics are used to shape the beam profile in the working plane.
  • the large optics can have, for example, one or more optical elements (e.g. Fourier lenses) along the beam path, which generate the linear beam profile in the area of the working plane.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a new line optical system
  • 3 shows two representations of the displacement of the focus position of a focusing lens
  • 4 shows four representations of different arrangements of a camera system in the beam path of a line optics system
  • FIG. 5 shows two representations of two different embodiments of a camera system
  • FIG. 6 shows three diagrams for representing a focus value distribution for three different focus positions
  • FIG. 7 shows a representation of a further embodiment of a camera system for recording an image and a diagram of an intensity profile of the image
  • FIG. 9 shows two diagrams for representing a beam profile and a focus value distribution at a specific focus position
  • FIG. 10 shows a diagram that shows the course of the focus shift over time and the corresponding readjustment of the focusing objective
  • FIG. 11 shows a representation of a further embodiment of a camera system for recording an image as well as a diagram of an intensity profile of the image and the corresponding focus value distribution.
  • an exemplary embodiment of the new line optical system is denoted by the reference number 10 in its entirety.
  • the line optics system 10 generates a laser line 24 in the area of a working plane 26 in order to machine a workpiece (not shown here) that is placed in the area of the working plane 26 .
  • the laser line 24 runs in a direction that is referred to below as the x-axis.
  • the laser line has a line width that is viewed here in the direction of a y-axis running orthogonally to the x-axis. Accordingly, the x-axis below corresponds to the long axis and the The y-axis corresponds to the short axis of the beam profile formed on the working plane 26 .
  • the beam profile has a long axis with a long-axis beamwidth in the x-direction and a short axis with a short-axis beamwidth in the y-direction.
  • the respective beam width can, for example, be defined as the width of the intensity profile I (x, y) at 50% of the maximum intensity (FWHM, Full Width at Half Maximum) or, for example, as the width between the 90% intensity values (Full Width at 90% Maximum, FW@90% ) or defined in some other way.
  • the workpiece may include a surface layer of amorphous silicon that is converted to polycrystalline silicon using the laser line 24 .
  • the laser line 24 can be moved in a direction of movement relative to the working plane 26 .
  • the workpiece can be a transparent carrier plate from which an adhering film, for example an OLED film, is to be detached.
  • the line optics system 10 has at least one laser light source 12 .
  • the laser light source 12 can be a solid-state laser.
  • Laser light source 12 generates at least one laser beam 20.
  • laser light source 12 can generate a plurality of laser beams.
  • the line optics system 10 has a plurality of laser light sources 12, with each laser light source 12 generating at least one laser beam 20.
  • the line optics system 10 also has an optical arrangement 14 .
  • the optical arrangement 14 is set up to generate an illumination beam 22 from the at least one laser beam 20 along a beam path.
  • the illumination beam 22 defines a beam direction that intersects the working plane 26 .
  • the illumination beam 22 has a beam profile which, perpendicular to the beam direction, has a long axis with a long-axis beam width and a short axis with a short-axis beam width.
  • the illumination beam 22 has a linear beam profile in the area of the working plane 26 .
  • the illumination beam 22 thus generates the laser line 24 in the working plane 26.
  • the optical arrangement has a row of beam-guiding and beam-shaping optics 16 and a focusing unit 18 along the beam path.
  • the focusing unit 18 is arranged downstream of the beam-guiding and beam-shaping optics 16 .
  • the beam-guiding and beam-shaping optics 16 are set up to generate the illumination beam 22 from the at least one laser beam 20 .
  • the optical arrangement can have, for example, a beam transformer, a homogenizer and large optics as beam-guiding and beam-shaping optics 16 .
  • the focusing unit 18 is set up to focus the illumination beam 22 . In particular, the focusing unit 18 focuses the illumination beam 22 in the short-axis direction.
  • the focusing unit 18 has a focusing lens 28 for focusing the illumination beam 22 .
  • the focusing lens 28 may include one or more optics.
  • the focusing lens 28 can be moved parallel to the beam direction.
  • the focusing unit 18 has a movement device 30 which is set up to move the focusing lens 28 parallel to the beam direction.
  • the movement device 30 has a linear guide 32 and a drive device 34 .
  • the linear guide 32 thus provides a guide for the focusing lens 28 parallel to the beam direction.
  • the focusing lens 28 can be moved along the linear guide 32 .
  • the drive device 34 is set up to move the focusing objective 28 parallel to the beam direction, in particular along the linear guide 32 .
  • the line optics system 10 also has a camera system 36 .
  • the camera system 36 is set up to observe the illumination beam 22 downstream of the focusing lens 28 .
  • the camera system 36 is set up to observe the illumination beam 22 at a defined position downstream of the focusing lens 28 .
  • the illumination beam 22 has a specific focus state at this defined position.
  • the camera system 36 has an imaging system 38 and a camera 40 .
  • the imaging system 38 images the illumination beam 22 onto the camera 40 .
  • the camera 40 is set up to record an image of the illumination beam 22 .
  • the camera 40 is arranged in such a way that it takes an image of the illumination beam 22 at the defined position downstream of the beam of the focusing lens 28 receives. The image thus has an image of the illumination beam 22 at the defined position.
  • the camera system 36 is set up in particular to observe the illumination beam 22 at at least three defined positions downstream of the focusing lens 28, the illumination beam 22 having a specific focus state at each of the defined positions.
  • the camera system 36 has at least one camera 40 that records at least one image that has images of the illumination beam 22 at the at least three defined positions.
  • the camera system 36 has only one camera 40 for recording an image, this image having the images of the illumination beam 22 at the at least three defined positions.
  • the camera system 36 can also have a plurality of cameras 40, with each camera 40 recording an image and each image having an image of the illumination beam 22 at one of the defined positions.
  • the camera system 36 can have a beam splitter 42 .
  • the beam splitter 42 can be arranged in the beam path between the imaging system 38 and the camera 40 .
  • the beam splitter 42 is set up to split the illumination beam 22 to be observed into partial beams.
  • the at least one camera 40 is set up to image the partial beams in the at least one image, with the images of the partial beams corresponding to the images of the illumination beam 22 at the at least three defined positions.
  • the beam splitter 42 is constructed in such a way that the partial beams pass through the beam splitter 42 with paths of different lengths.
  • the partial beams can be recorded with a camera 40 and displayed together in one image, preferably side by side. Alternatively, the partial beams can be recorded with a plurality of cameras 40 and each imaged in separate images.
  • the line optics system 10 also has a control device 44 .
  • the control device 44 is set up to regulate the position of the focusing lens 28 parallel to the beam direction.
  • the control device 44 can, for example, send corresponding control commands to the movement device 30 .
  • the movement equipment Device 30 can then be moved by means of the drive device 34, the focusing lens 28 according to the control commands along the linear guide 32.
  • the control device 44 can receive data from the camera system 36 .
  • the data may include one or more captured images.
  • the control device 44 regulates the position of the focusing lens based on the data from the camera system 36.
  • control device 26 can have various sub-units, for example, which each control a component of the line optics system 10 and/or process data.
  • the control device 44 can have, for example, a control unit and a data processing unit.
  • the control unit can, for example, generate control commands by means of which the position of the focusing objective is controlled.
  • the data processing unit can, for example, carry out calculation steps based on which the data received from the camera system 36 are analyzed. On the basis of this analysis, the position of the focusing objective 28 is then regulated accordingly, in particular the corresponding control commands are generated.
  • the control device 44 can be connected to or have a non-volatile data memory in which a computer program is stored.
  • controller 4 is a general purpose computer, such as a commercially available personal computer running Windows®, Linux, or MacOS, and the computer program from memory includes program code designed and configured to implement control of focusing lens 28 .
  • the controller 44 is a logic circuit such as a Field Programmable Gate Array (FPGA), an Application-Specific Integrated Circuit (ASIC), a microcontroller, or any other appropriate programmable electrical circuit.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • ASIC Application-Specific Integrated Circuit
  • microcontroller or any other appropriate programmable electrical circuit.
  • the regulation of the focusing objective 28, in particular control and determination steps can be implemented with the logic circuit, so that the logic circuit for implementing the regulation of the focusing objective 28 is designed and constructed.
  • any measured programming language or hardware description language can be used, such as C, VHDL and the like.
  • the control device 44 is set up to determine a focus position of the focus of the focusing lens 28 on the basis of the focus states at the at least three defined positions and to regulate a position of the focusing lens 28 parallel to the beam direction in such a way that the focus position is arranged in the working plane 26 is.
  • the control device 44 can analyze the focus states at the defined positions observed by means of the camera system 36 in order to determine the focus position on the basis thereof.
  • the control device 44 can then regulate the position of the focusing lens 28 accordingly on the basis of the determined focus position.
  • the position of the focusing objective 28 is adjusted in such a way that the focus position is shifted into the working plane 26 .
  • FIG. 2(A) a focusing lens 28 is shown as an example that focuses an illumination beam at a focus position 46 .
  • Two beam profiles of the illumination beam 22 in the direction of the short axis are shown in FIGS. 2(B) and 2(C).
  • 2(B) shows a Gaussian profile.
  • 2(C) shows a rectangular beam profile, a so-called top hat profile.
  • Both beam profiles from FIGS. 2(B) and (C) have a steepness in the edge area or edge area of the beam profile.
  • the steepness suppresses the drop in intensity y over the path x on the edge, i.e. in the edge area of the beam profile.
  • the flank is the edge area of the profile where the gradient is greatest.
  • the slope is thus defined by the quotient y/x.
  • the inverse of the slope is defined as the quotient x/y.
  • Both beam profiles of Figures 2(B) and (C) also have a width.
  • the width of the beam profile can be taken to be the width of the region of the beam profile in which the intensity values are equal to or greater than 1/e 2 , 50% or 90% of the maximum value of the intensity of the beam profile.
  • the beam profile of the illumination beam has a minimum width and a maximum steepness in the direction of the short axis. The further one moves away from the focus position 46 parallel to the beam direction, the smaller the steepness of the beam profile becomes and the larger the width and the inverse of the steepness of the beam profile become.
  • the slope, the inverse of the slope or the width of the beam profile can thus be used to describe the focus state of the illumination beam at a specific position in the beam direction.
  • the slope, the inverse of the slope or the width of the beam profile can be a focus value of the focus state.
  • Fig. 3 (A) is shown as an example of how the focus position 46 of the focusing lens 28 can shift during operation due to thermal effects, while the position of the focusing lens 28 does not change.
  • the original focus position is denoted by reference number 46 .
  • the shifted focus position is denoted by reference numeral 46'.
  • Fig. 3 (B) is shown as an example of how the focus position 46 of the focusing lens 28 can be regulated.
  • the focusing lens 28 can be moved along the linear guide 32 .
  • the focusing lens is shifted in the direction of the focus position, for example, with the position of the shifted focusing lens being denoted by the reference numeral 28".
  • the shifting of the focusing lens 28 also shifts the focus position 46 accordingly, with the shifted focus position is denoted by reference numeral 46''.
  • FIG. 4 shows four exemplary arrangements of the camera system 36 in the beam path of the line optics system 10, on which the camera system 36 can observe the illumination beam 22.
  • the camera system 36 is arranged behind the working plane 26. In FIG. In this arrangement, the camera system 36 observes the illumination beam 22 as it passes through the working plane.
  • a deflection mirror 48 is arranged in the beam path between the focusing lens 28 and the working plane 26, which deflects the illumination beam 22 in the direction of the working plane 26.
  • the deflection mirror 48 is partially transparent.
  • the camera system 36 is arranged in such a way that the part let through by the deflection mirror 48 runs in the direction of the camera system 36 . In this arrangement, the camera system 36 observes the part of the illumination beam 22 that is allowed to pass through the deflection mirror 48.
  • the illumination beam 22 is reflected at the working plane 26.
  • the camera system 36 is arranged in such a way that the illumination beam reflected at the working plane 26 runs in the direction of the camera system 36 . In this arrangement, the camera system 36 observes the illumination beam 22 reflected at the working plane.
  • further optics 50 for example a protective glass, are arranged in the beam path between the focusing lens 28 and the working plane 26, through which the illumination beam 22 passes in the direction of the working plane 26.
  • a part of the illumination beam 22 is reflected at the additional optics 50 .
  • the camera system 36 is arranged in such a way that the part of the illumination beam 22 reflected on the further optics 50 runs in the direction of the camera system 36 . In this arrangement, the camera system 36 observes the part of the illumination beam 22 reflected by the further optics 50.
  • FIG. 5(A) shows an exemplary embodiment of a camera system 36 of the line optics system 10 from FIG. 1, with which the illumination beam 22 of the line optics system 10 can be observed at a defined position.
  • the illumination beam 22, in particular the working plane 26, is imaged onto the camera 40 by means of the imaging system 38.
  • the mapping plane the imaging of the illumination beam 22 in the camera is denoted by the reference numeral 52 .
  • the camera system 36 and the camera 40 are preferably arranged in such a way that the imaging plane 52 lies at a target position of the focus position 46 . However, the imaging plane 52 can also be arranged at any desired position in the beam direction.
  • FIG. 5(B) shows a further exemplary embodiment of the camera system 36 of the line optics system 10 from FIG. 1, with which the illumination beam 22 of the line optics system 10 can be observed at three defined positions.
  • the illumination beam 22 is imaged on the camera 40 by means of the imaging system 38 .
  • the camera system 36 additionally has the beam splitter 42 .
  • the beam splitter 42 divides the illumination beam 22 into three partial beams.
  • the partial beams run parallel to one another from the beam splitter 42 to the camera 40 and are imaged on the camera 40 .
  • the partial beams are spaced apart and do not overlap. In an image recorded by the camera 40, the partial beams are thus displayed next to one another, that is to say at a distance from one another.
  • the partial beams have paths of different lengths within the beam splitter 42 . Due to the different lengths of travel of the partial beams, the partial beams are imaged in different imaging planes 52, 52', 52" in the camera. A first partial beam is in plane 52', a second partial beam in plane 52 and a third partial beam in plane 52 " pictured.
  • the paths of the partial beams in the beam splitter 42 are such that the imaging planes 52, 52', 52" are consecutive and offset from one another at the same distance. In particular, the imaging plane 52 is arranged between the imaging planes 52' and 52" and points to the same distance up.
  • the partial beams of the illumination beam 22 are thus imaged on the camera 40 at different defined positions downstream of the focusing lens 28 and thus also with different focus states.
  • the three images of the partial beams of the illumination beam 22 on the camera 40 are thus three images of the illumination beam 22 at three defined positions zi, Z2, Z3 downstream of the focusing lens 28.
  • the first partial beam is at position zi
  • the third partial beam is imaged at position Z3.
  • the camera system 36 and the camera 40 are preferably arranged in such a way that the imaging plane 52 of the second partial beam lies at a target position of the focus position 46 .
  • the imaging plane 52 of the second partial beam is arranged at the focal position 46 .
  • the imaging plane 52' is arranged in front of the focus position 46 and the imaging plane 52" behind the focus position 46.
  • the camera 40 takes the beam profiles (image at position zi), at (image at position Z2) and behind (image at Position Z3) of the focus position 46 on.
  • the beam profile of the illumination beam 22 can be a Gaussian profile or a rectangular intensity profile, a so-called top hat profile.
  • the control device 44 can analyze the corresponding imaged beam profile for each image of the partial beams, ie at each of the three defined positions zi, Z2, Z3, in order to determine the focus state at the respective position zi, Z2, Z3.
  • the slope, the inverse of the slope or the width of the beam profile can be determined as the focus value Si, S2, S3 of the focus state.
  • FIG. 6 shows how the focus values Si, S2, S3 determined at the three defined positions zi, Z2, Z3 change when the focus position 46 of the focus of the focusing lens 28 changes, in particular due to heating of the optics , shifts.
  • the inverse of the steepness is used as the focus value in FIG.
  • the focus value distribution 56, 56', 56" is plotted in the beam direction (z-direction) for different positions of the focus position 46.
  • the focus value distributions 56, 56', 56" have a parabola-shaped course, the minimum of the parabola being at the location of the focus position 46 .
  • a focus value distribution 56 is shown in FIG. 6(A), the focus position 46 being at position Z2.
  • the focus value distribution 56 thus has its minimum at position Z2.
  • Fig. 6(B) is a focus value distribution 56', wherein the focus position 46 is shifted in the beam direction (z-direction) from the illustration in Fig. 6(A).
  • the minimum of Focus value distribution 56′ lies downstream of positions zi, Z2, Z3 in the vicinity of position Z3.
  • the beam profile 56 is drawn in with a dashed line for comparison.
  • Fig. 6(C) there is a focus value distribution 56", the focus position 46 being shifted further in the beam direction (z-direction) compared to the representations in Fig. 6(A) and (B).
  • the minimum of the focus value distribution 56 ' is located further downstream of the position Z1, Z2, Z3 in from the position Z3 compared to Fig. 6(B).
  • the beam profile 56 is drawn in dashed line for comparison.
  • the width of the respective beam profiles at positions zi, Z2, Z3 can also be used as the focus value, with the width changing in the same way at the respective positions.
  • FIG. 7(A) A further embodiment of the camera system 36 of the line optics system from FIG. 1 is shown in FIG. 7(A).
  • the camera system 36 has basically the same structure as the camera system 36 shown in FIG. 5(B).
  • the imaging system 38 is designed as a telescope arrangement.
  • the telescope arrangement enlarges the image of the illumination beam 22 by a factor k. The enlargement thus leads to a change in scale.
  • the illumination beam 22 is reflected multiple times in the beam splitter 42 between two mirrors.
  • the mirrors are arranged parallel to one another and have a distance d from one another.
  • One of the mirrors is partially transparent, with the partial beams being transmitted through this mirror in the direction of the camera 40 . Due to the different number of reflections between the mirrors, the partial beams have paths of different lengths. The path difference between two adjacent partial beams is 2d.
  • FIG. 7(B) shows an intensity profile of an image taken with the camera 40 of the camera system 36 of FIG. 7(A) along the short axis direction (y-direction).
  • the illumination beam 22 has a rectangular beam profile.
  • the intensity profile has the images of the beam profiles of the three partial beams of the illumination beam 22 .
  • the beam profiles are arranged next to one another in the intensity profile, ie spaced apart from one another in the direction of the short axis.
  • FIGS. 8(A) to (E) show five measurements of the beam profiles at positions zi, Z2, Z3 and the corresponding focus value distributions at different focus positions.
  • the focus position was shifted by 250 pm each time.
  • the focus position is approximately at position Z2.
  • the focus position is -500 pm in Fig. 8(A), -250 pm in Fig. 8(B), in 8(C) at 0 pm, in Fig. 8(D) at 250 pm and in Fig. 8(E) at 500 pm.
  • the position of the focus values Si, S2, S3 at the respective positions zi, Z2, Z3 also changes in accordance with the shift in the focus position.
  • the focus value distribution follows a parabola, as shown in FIG. 6, for example. This is the case, for example, for a Gaussian beam.
  • the gradient, the inverse of the gradient or the width of the beam profile at each position zi, Z2, Z3 can be determined as the focus value.
  • the focus position at the time of image recording can be determined using the formula:
  • ⁇ z is the distance between positions zi, Z2, Z3.
  • the focusing lens 28 is at a position Pi.
  • the camera system 36 carries out a measurement at a point in time h.
  • the camera system 36 observes the illumination beam 22 at at least three defined positions.
  • the camera system 36 observes the illumination beam 22 at the positions zi, Z2, Z3 by means of the camera 40, as previously described.
  • the control device 44 determines a focus value of the focus state at the corresponding defined position.
  • the control device 44 analyzes the beam profile at each defined position in order to determine the focus value of the focus state at the corresponding defined position.
  • the focus values Si, S2, S3 are determined at the positions zi, Z2, Z3. This is shown again as an example in FIGS. 9(A) and (B).
  • Fig. 9(A) shows the beam profiles at positions zi, Z2, Z3.
  • 9(B) shows the corresponding focus value distribution of the focus values Si , S2, S3.
  • the slope, the inverse of the slope or the width of the beam profile can be determined as focus values.
  • control device 44 determines the focus position on the basis of the focus values determined.
  • the method described above can be used for this purpose, in which case the quantities A and B are first determined, and the focusing position can then be determined on the basis of the quantities A and B.
  • the control device 44 then regulates the position of the focusing lens 28 in such a way that the focal position of the focus of the focusing lens 28 is arranged in the working plane 26 .
  • the position of the working plane is predetermined and gives a target position for the focus position.
  • the focus position determined by the controller 44 is an actual position of the focus position.
  • the control device 44 regulates the position of the focusing lens 28 in such a way that the focus position moves from the actual position to the desired position at a predetermined speed vo.
  • the focusing lens 28 is moved between the desired and actual position according to the difference, in particular the difference vector.
  • the speed vo can, for example, be specified in advance, in particular by a user.
  • Position S2 lie.
  • the focusing lens 28 becomes the position proceed with the speed vo.
  • control steps can then be repeated at a later point in time t2, with the focusing lens 28 then being moved further starting from the position P2.
  • control steps mentioned above can be repeated at regular time intervals in order to regularly readjust the focus position of the focus of the focusing lens during operation of the line optics system.
  • FIG. 10 shows simulation results in which the run-in behavior of the focus position according to equation was modulated in time.
  • the representation also contains the focus position determined by the method described and corresponding compensation ⁇ z CO m P by moving the lens.
  • the simulation shows that the measuring principle and the proposed method for tracking the focus during operation, i.e. for so-called online tracking of the focus, is sufficient.
  • FIG. 11(A) Another embodiment of a camera system for capturing an image is described in FIG. 11(A).
  • This embodiment differs from the embodiment of FIG. 7(A) in that the beam splitter 42 is set up to split the illumination beam 22 into more than three partial beams.
  • the camera system 36 can observe more than three defined positions downstream of the focusing lens 28 .
  • the number of positions to be observed corresponds to the number of partial beams.
  • the number of defined positions to be observed can be, for example, between four and 20, preferably between five and 15, in particular seven or ten. In the present embodiment of FIG. 11, seven defined positions are observed.
  • the defined positions are preferably arranged one after the other at equal intervals in the beam direction (z-direction).
  • the camera 40 of the camera system 36 can record an image in which the partial beams are imaged.
  • Fig. 11(B) an intensity profile of the image picked up by the camera 40 along the short axis direction (y-direction) is shown.
  • the beam profiles of the partial beams are arranged next to one another in the intensity profile.
  • the controller 44 can then determine a focus value for each of the defined positions based on the beam profiles.
  • the focus value history of the determined focus values is shown in Fig. 11(C).
  • the focus position can then be determined using a correspondingly adapted method.
  • Another function can also be used for modeling the course of the focus values, which has a global extremum, in particular a Gaussian function or an even polynomial function with degree four or higher.
  • the number of defined positions to be observed by means of the camera system 36 is preferably greater than or equal to the degree of the polynomial function plus one.

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Abstract

The invention relates to a line-generating optical system (10) for generating a defined laser line (24) on a working plane (26), comprising at least one laser light source (12) for generating at least one laser beam (20); an optical assembly (14) which is designed to generate an illumination beam (22) from the at least one laser beam (20) along a beam path, wherein the illumination beam (22) defines a beam direction which intersects the working plane (26), the illumination beam (22) forms the defined laser line (24) in the region of the working plane (26), the optical assembly (14) has a focusing unit (18) with a focusing lens (28) in the beam path for focusing the illumination beam (22), and the focusing lens (28) can move parallel to the beam direction; a camera system (36) which is designed to monitor the illumination beam (22) at at least three defined positions downstream of the focusing lens (28), said illumination beam (22) having a focus state at each of the at least three defined positions; and a controller (44) which is designed to determine the position of the focus of the focusing lens (28) on the basis of the focus states at the at least three defined positions and to control the position of the focusing lens (28) parallel to the beam direction such that the focus position is arranged on the working plane (26).

Description

Linienoptiksystem line optics system
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Linienoptiksystem zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene. The present invention relates to a line optics system for generating a defined laser line on a working plane.
[0002] Ein solches Linienoptiksystem ist dem Grunde nach aus US 2006/182155 A1 bekannt. Such a line optical system is basically known from US 2006/182155 A1.
[0003] Die linienförmige Laserbeleuchtung eines solchen Linienoptiksystems 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.[0003] The linear laser illumination of such a linear optical system can advantageously be used to thermally process a workpiece. The workpiece can be, for example, a plastic material on a glass plate, which serves as a carrier material. The plastic material can in particular be a film on which organic light-emitting diodes, so-called OLEDs, and/or thin-film transistors are produced. OLED films are increasingly being used for displays in smartphones, tablets, televisions and other screen display devices. After the electronic structures have been produced, the film must be detached from the glass carrier.
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. This can be done with laser illumination in the form of a thin laser line, which is moved at a defined speed relative to the glass plate and in doing so detaches the adhesive bond of the film through the glass plate. In practice, such an application is often referred to as LLO or Laser Lift Off.
[0004] 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. Another widely used application for the sequential illumination of a workpiece with a defined laser line can be the line-by-line melting of amorphous be silicon on a carrier plate. Here, too, the laser line is moved at a defined speed relative to the workpiece surface. The comparatively inexpensive amorphous silicon can be converted into higher-quality polycrystalline silicon by melting it and then cooling it down. In practice, such an application is often referred to as Solid State Laser Annealing SLA, Sequential Lateral Solidification (SLS) or Excimer Laser Annealing (ELA).
[0005] 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 100mm und mehr bei einer Linienbreite in einer Größenordnung von 20pm wünschenswert sein. Man bezeichnet die Richtung, in der die Laserlinie verläuft, üblicherweise als lange Achse (LA) 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. Wünschenswert ist häufig, dass die Laserlinie in der langen Achse ein möglichst rechteckiges oder trapezförmiges Intensitätsprofil besitzt, wobei Letzteres vorteilhaft sein kann, wenn mehrere Laserlinien zu einer längeren Gesamtlinie aneinandergesetzt werden sollen. In der kurzen Achse ist je nach Anwendung häufig ein rechteckförmiges Intensitätsprofil (sogenanntes Top Hat Profil) oder ein Gaußprofil gewünscht. For such applications, a laser line is required on the work plane, which is as long as possible in one direction in order to cover the widest possible work area, and which is very short in comparison to this in the other direction, in order to provide a suitable for the respective process provide the required energy density. Accordingly, a long, thin laser line with a very large aspect ratio of line length to line width is desirable. For typical applications, a line length of 100mm or more with a linewidth of the order of 20pm may be desirable. The direction in which the laser line runs is usually referred to as the long axis (LA) and the line width as the short axis (SA) of the so-called beam profile. As a rule, the laser line should have a defined intensity curve in both axes. It is often desirable for the laser line to have an intensity profile that is as rectangular or trapezoidal as possible in the long axis, with the latter being advantageous if several laser lines are to be joined together to form a longer overall line. Depending on the application, a rectangular intensity profile (so-called top hat profile) or a Gaussian profile is often desired in the short axis.
[0006] WO 2018/019374 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen einer solchen Laserlinie mit zahlreichen Details, die die Elemente der optischen Anordnung betreffen. Die optische Anordnung beinhaltet hier einen Kollimator, der einen Laserrohstrahl kollimiert, sowie einen Strahltransformator, einen Homogenisierer und eine Fokussierstufe. Der Strahltransformator nimmt den kollimierten Rohstrahl auf und weitet ihn in der langen Achse auf. Prinzipiell kann der Strahltransformator auch mehrere Laserrohstrahlen von mehreren Laserquellen aufnehmen und zu einem aufgeweiteten Laserstrahl mit höherer Leistung kombinieren. Der Homogenisierer erzeugt das gewünschte Strahlprofil in der langen Achse. Die Fokussierstufe fokussiert den umgeformten Laserstrahl auf eine definierte Position im Bereich der Arbeitsebene. Die bekannte Vorrichtung eignet sich für LLO- und SLA-Anwendungen und kann mit Laserstrahlung mit Wellenlängen aus dem Infrarotbereich (IR) bis hin zum ultravioletten Bereich (UV) implementiert werden. WO 2018/019374 A1 discloses a device for generating such a laser line with numerous details relating to the elements of the optical arrangement. The optical arrangement here includes a collimator that collimates a raw laser beam, as well as a beam transformer, a homogenizer and a focusing stage. The beam transformer takes the collimated raw beam and expands it in the long axis. In principle, the beam transformer can also accept several raw laser beams from several laser sources and combine them into an expanded laser beam with higher power. The homogenizer produces the desired beam profile in the long axis. The focusing stage focuses the reshaped laser beam on a defined position in the area of the working plane. The known device is suitable for LLO and SLA applications and can be implemented using laser radiation with wavelengths ranging from the infrared (IR) to the ultraviolet (UV) range.
[0007] Bei hoher Laserleistung kann es in Linienfokussystemen zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften kommen. Gründe hierfür sind beispielsweise thermische Linsen der Optiken oder eine mechanische Ausdehnung aufgrund von Temperaturänderungen. Dies kann zu einer Verschiebung der Fokuslage der Laserlinie führen. [0007] At high laser power, the optical properties can change in line focus systems. Reasons for this are, for example, thermal lenses of the optics or mechanical expansion due to temperature changes. This can lead to a shift in the focal position of the laser line.
[0008] Dieses Problem ist bei Schneidoptiken und Linienfokussystemen bekannt. Zur Kompensation wurde bisher eine Fokussieroptik des Linienfokussystems auf Grundlage einer Kennlinie geregelt. Diese Kennlinie gibt die Position der Fokussieroptik an Abhängigkeit der Zeit an. Die Kennlinie wird im Voraus, beispielsweise in einem Kalibrationsprozess, bestimmt und kann beispielsweise in Form von Steuerdaten von einer Steuereinheit des Linienoptiksystems verwendet werden, um die Fokussieroptik im Betrieb zu Regeln. This problem is known in cutting optics and line focus systems. To compensate, a focusing optics of the line focus system was previously controlled on the basis of a characteristic. This characteristic indicates the position of the focusing optics as a function of time. The characteristic curve is determined in advance, for example in a calibration process, and can be used, for example in the form of control data, by a control unit of the line optics system in order to regulate the focusing optics during operation.
[0009] Beispielsweise zeigt die Druckschrift DE 10 2018 200 078 A1 ein optisches System zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie. Das optische System umfasst eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls entlang einer optischen Achse. Ferner umfasst das optische System eine Strahlformungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl derart zu formen, dass ein Strahlprofil des Laserstrahls eine lange Achse und eine kurze Achse aufweist, und eine im Strahlengang des Laserstrahls der Strahlformungseinrichtung nachgeordnete Abbildungseinrichtung (beispielsweise ein Fokussierungsobjektiv), die dazu eingerichtet ist, den so geformten Laserstrahl als eine Beleuchtungslinie abzubilden. Die Strahlformungseinrichtung umfasst mindestens eine Teleskopanordnung, welche eine erste Linsengruppe und eine zweite Linsengruppe umfasst, wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe mindestens bezüglich der kurzen Achse eine optische Brechkraft aufweisen. Das optische System umfasst eine erste Bewegungseinrichtung zum Bewegen mindestens einer der ersten und zweiten Linsengruppe entlang der optischen Achse. Das optische System umfasst eine zweite Bewegungseinrichtung zum Bewegen der Abbildungseinrichtung entlang der optischen Achse. Das optische System umfasst ferner eine Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, die erste und zweite Bewegungseinrichtung so anzusteuern, dass die mindestens eine der ersten und zweiten Linsengruppe sowie die Abbildungseinrichtung bewegt wird, während die Laser- Strahlquelle den Laserstrahl erzeugt. Zur Steuerung der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung sind Steuerdaten in einem Speicher der Steuereinheit gespeichert. [0009] For example, the document DE 10 2018 200 078 A1 shows an optical system for generating an illumination line. The optical system includes a laser beam source for generating a laser beam along an optical axis. Furthermore, the optical system comprises a beam shaping device, which is set up to shape the laser beam in such a way that a beam profile of the laser beam has a long axis and a short axis, and an imaging device (e.g. a focusing lens) arranged downstream of the beam shaping device in the beam path of the laser beam is set up to image the laser beam thus shaped as an illumination line. The beam shaping device comprises at least one telescope arrangement, which comprises a first lens group and a second lens group, the first lens group and the second lens group having an optical refractive power at least with respect to the short axis. The optical system includes first moving means for moving at least one of the first and second lens groups along the optical axis. The optical system includes a second moving device for moving the imaging device along the optical axis. The optical system also includes a control unit which is set up to control the first and second movement device in such a way that the at least one of the first and second lens groups and the imaging device are moved while the laser Beam source generates the laser beam. To control the first and second movement device, control data are stored in a memory of the control unit.
[0010] Die bekannten Linienoptiksysteme lassen aber noch Raum für Verbesserungen, insbesondere hinsichtlich der Regelung der Fokussieroptik. However, the known line optics systems still leave room for improvement, in particular with regard to the regulation of the focusing optics.
[0011] Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Linienoptiksystem bereitzustellen, das eine verbesserte Regelung der Fokussieroptik aufweist. Against this background, it is an object of the present invention to provide a line optics system that has improved control of the focusing optics.
[0012] Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt durch ein Linienoptiksystem zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene gelöst. Das Linienoptiksystem weist mindestens eine Laserlichtquelle zum Erzeugen mindestens eines Laserstrahls, eine optische Anordnung, ein Kamerasystem und eine Steuereinrichtung auf. Die optische Anordnung ist dazu eingerichtet, aus dem mindestens einen Laserstrahl einen Beleuchtungsstrahl entlang eines Strahlengangs zu erzeugen, wobei der Beleuchtungsstrahl eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene schneidet, wobei der Beleuchtungsstrahl im Bereich der Arbeitsebene die definierte Laserlinie ausbildet, wobei die optische Anordnung in dem Strahlengang eine Fokussiereinheit mit einem Fokussierobjektiv zur Fokussierung des Beleuchtungsstrahls aufweist, wobei das Fokussierobjektiv parallel zur Strahlrichtung bewegbar ist. Das Kamerasystem ist dazu eingerichtet, den Beleuchtungsstrahl an mindestens drei definierten Positionen strahlabwärts des Fokussierobjektiv zu beobachten, wobei der Beleuchtungsstrahl an jeder der mindestens drei definierten Positionen einen Fokuszustand aufweist. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, auf Grundlage der Fokuszustände an den mindestens drei definierten Positionen eine Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs zu bestimmen und eine Position des Fokussierobjektivs parallel zur Strahlrichtung derart zu regeln, dass die Fokusposition in die Arbeitsebene angeordnet ist. [0012] According to one aspect, this object is achieved by a line optics system for generating a defined laser line on a working plane. The line optics system has at least one laser light source for generating at least one laser beam, an optical arrangement, a camera system and a control device. The optical arrangement is set up to generate an illumination beam from the at least one laser beam along a beam path, with the illumination beam defining a beam direction that intersects the working plane, with the illumination beam forming the defined laser line in the area of the working plane, with the optical arrangement in the Beam path has a focusing unit with a focusing lens for focusing the illumination beam, wherein the focusing lens is movable parallel to the beam direction. The camera system is set up to observe the illumination beam at at least three defined positions downstream of the focusing lens, with the illumination beam having a focus state at each of the at least three defined positions. The control device is set up to determine a focus position of the focus of the focusing lens on the basis of the focus states at the at least three defined positions and to regulate a position of the focusing lens parallel to the beam direction in such a way that the focus position is arranged in the working plane.
[0013] Die mindestens eine Laserlichtquelle kann eine UV-Laserlichtquelle zum Erzeugen eines UV-Laserstrahls oder eine IR-Laserlichtquelle zur Erzeugung eines IR-Laserstrahls sein. Die mindestens eine Laserlichtquelle kann dazu eingerichtet sein, mehr als einen Laser- strahl zu erzeugen. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Laserlichtquellen vorgesehen sein, wobei jede Laserlichtquelle dazu eingerichtet ist, jeweils einen Laserstrahl zu erzeugen. The at least one laser light source can be a UV laser light source for generating a UV laser beam or an IR laser light source for generating an IR laser beam. The at least one laser light source can be set up to generate more than one laser to generate a beam. In particular, a plurality of laser light sources can be provided, each laser light source being set up to generate a respective laser beam.
[0014] Die optische Anordnung ist dazu eingerichtet, den Beleuchtungsstrahl aus dem mindestens einen Laserstrahl entlang eines Strahlengangs zu erzeugen. Der Beleuchtungsstrahl hat im Bereich der Arbeitsebene ein linienförmiges Strahlprofil. Der Beleuchtungsstrahl erzeugt somit in der Arbeitsebene die definierte Laserlinie. Mit anderen Worten besitzt der Beleuchtungsstrahl im Bereich der Arbeitsebene ein Strahlprofil, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahl breite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist. Zum Erzeugen des Beleuchtungsstrahls aus dem mindestens einen Laserstrahl kann die optische entlang des Strahlengangs eine Reihe von strahlführenden und strahlformenden Optiken aufweisen. Die optische Anordnung kann zudem relativ zu der Arbeitsebene entlang einer Bewegungsrichtung, vorzugsweise parallel zu der Arbeitsebene, bewegbar sein, um ein Werkstück mit Hilfe des Beleuchtungsstrahls zu bearbeiten. The optical arrangement is set up to generate the illumination beam from the at least one laser beam along a beam path. The illumination beam has a linear beam profile in the area of the working plane. The illumination beam thus generates the defined laser line in the working plane. In other words, the illumination beam has a beam profile in the region of the working plane which has a long axis with a long-axis beam width and a short axis with a short-axis beam width perpendicular to the beam direction. To generate the illumination beam from the at least one laser beam, the optical system can have a series of beam-guiding and beam-shaping optics along the beam path. In addition, the optical arrangement can be movable relative to the working plane along a direction of movement, preferably parallel to the working plane, in order to process a workpiece with the aid of the illumination beam.
[0015] Die optische Anordnung weist die Fokussiereinheit auf. Die Fokussiereinheit ist dazu eingerichtet, den Beleuchtungsstrahl zu fokussieren. Insbesondere kann die Fokussiereinheit den Beleuchtungsstrahl in der Richtung der kurzen Achse fokussieren. Mit anderen Worten dient die Fokussiereinheit zur Fokussierung der kurzen Achse der Laserlinie. Die Fokussiereinheit ist vorzugsweise im Strahlengang nach den strahlführenden und strahlformenden Optiken angeordnet. The optical arrangement has the focusing unit. The focusing unit is set up to focus the illumination beam. In particular, the focusing unit can focus the illumination beam in the short-axis direction. In other words, the focusing unit serves to focus the short axis of the laser line. The focusing unit is preferably arranged in the beam path after the beam-guiding and beam-shaping optics.
[0016] Zur Fokussierung des Beleuchtungsstrahls weist die Fokussiereinheit ein Fokussierobjektiv auf. Das Fokussierobjektiv kann eine oder mehrere Optiken aufweisen. Der Fokus des Fokussierobjektivs liegt an einer Fokusposition strahlabwärts des Fokussierobjektivs. Mit anderen Worten ist die Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs die Position strahlabwärts des Fokussierobjektivs, an der das Fokussierobjektiv den Beleuchtungsstrahl fokussiert. Die Fokusposition definiert somit einen Abstand strahlabwärts zu dem Fokussierobjektiv, an dem der Fokus des Fokussierobjektivs liegt. Der Begriff „strahlabwärts“ ist bezüglich des Strahlengangs und der Strahlrichtung des Beleuchtungsstrahls zu verstehen und bedeutet, dass etwas im Strahlengang bzw. in Strahlrichtung nachfolgend angeordnet ist. Mit anderen Worten liegt die Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs im Strahlengang bzw. in Strahlrichtung des Beleuchtungsstrahls nach, sprich hinter, dem Fokussierobjektiv. [0016] In order to focus the illumination beam, the focussing unit has a focussing lens. The focusing lens can have one or more optics. The focus of the focusing lens is at a focus position downstream of the focusing lens. In other words, the focal position of the focus of the focusing lens is the position downstream of the focusing lens at which the focusing lens focuses the illumination beam. The focus position thus defines a distance down the beam from the focusing objective, at which the focus of the focusing objective lies. The term "beam down" is to be understood in relation to the beam path and the beam direction of the illumination beam and means that something in the beam path or in Beam direction is arranged below. In other words, the focal position of the focus of the focusing objective is in the beam path or in the beam direction of the illumination beam, ie behind the focusing objective.
[0017] Das Fokussierobjektiv ist des Weiteren parallel zur Strahlrichtung bewegbar. Mit anderen Worten ist das Fokussierobjektiv so gelagert, dass es parallel zur Strahlrichtung bewegt werden kann. Zur Bewegung des Fokussierobjektivs kann die Fokussiereinheit beispielsweise eine Bewegungseinrichtung aufweisen. Durch eine Bewegung des Fokussierobjektivs kann die Position des Fokus des Fokussierobjektivs eingestellt werden. [0017] The focusing lens can also be moved parallel to the beam direction. In other words, the focusing objective is mounted in such a way that it can be moved parallel to the direction of the beam. To move the focusing lens, the focusing unit can have a movement device, for example. By moving the focusing lens, the position of the focus of the focusing lens can be adjusted.
[0018] Das Linienoptiksystem kann strahlabwärts der Fokussiereinheit auch noch weitere Optiken aufweisen, wie beispielsweise Schutzgläser, Umlenkspiegel und dergleichen. Die weiteren Optiken haben vorzugsweise keine strahlformende oder fokussierende Funktion. The line optics system can also have other optics downstream of the focusing unit, such as protective glasses, deflection mirrors and the like. The other optics preferably have no beam-shaping or focusing function.
[0019] Das Kamerasystem ist dazu eingerichtet, den Beleuchtungsstrahl an mindestens drei definierten Positionen strahlabwärts des Fokussierobjektiv zu beobachten. Beobachten bedeutet, dass das Kamerasystem beispielsweise ein oder mehrere Bilder des Beleuchtungsstrahls aufnimmt, in dem oder in denen der Beleuchtungsstrahl an den jeweiligen definierten Positionen abgebildet ist. Die mindestens drei Positionen sind in Strahlrichtung des Beleuchtungsstrahls nach dem Fokussierobjektiv angeordnet. In einer Ausführungsform kann das Kamerasystem dazu eingerichtet sein, den Beleuchtungsstrahl an drei definierten Positionen strahlabwärts des Fokussierobjektiv zu beobachten. In anderen Ausführungsformen kann das Kamerasystem dazu eingerichtet sein, den Beleuchtungsstrahl an mehr als drei, insbesondere vier, fünf oder sechs, definierten Positionen strahlabwärts des Fokussierobjektiv zu beobachten. Die definierten Positionen sind unterschiedlich. Die definierten Positionen können vorzugsweise in der Strahlrichtung aufeinanderfolgend mit gleichem Abstand angeordnet sein. The camera system is set up to observe the illumination beam at at least three defined positions downstream of the focusing lens. Observing means that the camera system records, for example, one or more images of the illumination beam in which the illumination beam is imaged at the respective defined positions. The at least three positions are arranged after the focusing lens in the beam direction of the illumination beam. In one embodiment, the camera system can be set up to observe the illumination beam at three defined positions downstream of the focusing objective. In other embodiments, the camera system can be set up to observe the illumination beam at more than three, in particular four, five or six, defined positions downstream of the focusing lens. The defined positions are different. The defined positions can preferably be arranged consecutively in the beam direction with the same spacing.
[0020] Das Fokussierobjektiv hat in der Strahlrichtung zu jeder der definierten Positionen einen anderen Abstand. Mit Abstand zu dem Fokussierobjektiv variiert auch ein Fokuszustand des Beleuchtungsstrahls. Der Fokuszustand beschreibt die Fokussierung an einer bestimmten Position relativ zu dem Fokussierobjektiv. Insbesondere beschreibt der Fokus- zustand, wie stark der Beleuchtungsstrahl an der jeweiligen Position fokussiert ist. Mit anderen Worten gibt der Fokuszustand einen Grad der Fokussierung an der jeweiligen Position an. An der Fokusposition, sprich im Fokus des Fokussierobjektivs, ist die Fokussierung maximal. Umso weiter man sich von der Fokusposition parallel zur Strahlrichtung entfernt, umso geringer wird die Fokussierung. Jeder der definierten Positionen ist daher ein bestimmter Fokuszustand des Beleuchtungsstrahls zugeordnet. The focusing lens has a different distance in the beam direction from each of the defined positions. A focus state of the illumination beam also varies with the distance from the focusing lens. The focus state describes the focusing at a specific position relative to the focusing lens. In particular, the focus state how strongly the illumination beam is focused at the respective position. In other words, the focus state indicates a degree of focus at the respective position. Focusing is at its maximum at the focus position, i.e. in the focus of the focusing lens. The further one moves away from the focus position parallel to the beam direction, the lower the focusing becomes. A specific focal state of the illumination beam is therefore assigned to each of the defined positions.
[0021] Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, auf Grundlage der Fokuszustände mindestens drei der definierten Positionen die Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs zu bestimmen und eine Position des Fokussierobjektivs parallel zur Strahlrichtung derart zu regeln, dass die Fokusposition in die Arbeitsebene angeordnet ist. Die Steuereinrichtung analysiert vorzugsweise die mittels des Kamerasystems beobachteten Fokuszustände an den definierten Positionen, um auf deren Grundlage die Fokusposition zu bestimmen. Auf Basis der bestimmten Fokusposition kann die Steuereinrichtung dann die Lage des Fokussierobjektivs entsprechend regeln. Insbesondere wird die Lage des Fokussierobjektivs so eingestellt, dass die Fokusposition in die Arbeitsebene verschoben wird. Auf diese Weise wird die kurze Achse der Laserlinie in der Arbeitsebene fokussiert. The control device is set up to determine the focus position of the focus of the focusing lens on the basis of the focus states of at least three of the defined positions and to regulate a position of the focusing lens parallel to the beam direction in such a way that the focus position is arranged in the working plane. The control device preferably analyzes the focus states at the defined positions observed by means of the camera system in order to determine the focus position on the basis thereof. The control device can then regulate the position of the focusing lens accordingly on the basis of the determined focus position. In particular, the position of the focusing lens is adjusted in such a way that the focus position is shifted into the working plane. In this way, the short axis of the laser line is focused in the working plane.
[0022] Die Steuereinrichtung kann dazu insbesondere eine Regelungseinheit und eine Datenverarbeitungseinheit aufweisen. Die Datenverarbeitungseinheit kann beispielsweise Berechnungsschritte zum Bestimmen der Fokusposition durchführen. Die Regelungseinheit kann beispielsweise Steuerbefehle erzeugen, mittels denen die Position des Fokussierobjektivs geregelt wird. Beispielsweise kann mittels der Steuerbefehle eine Bewegungseinrichtung gesteuert werden, die dazu eingerichtet ist, das Fokussierobjektiv zu bewegen. [0022] For this purpose, the control device can in particular have a control unit and a data processing unit. The data processing unit can, for example, carry out calculation steps to determine the focus position. The control unit can, for example, generate control commands by means of which the position of the focusing objective is controlled. For example, the control commands can be used to control a movement device that is set up to move the focusing lens.
[0023] Das erfindungsgemäße Linienoptiksystem ist derart gestaltet, dass die Fokusposition online, sprich im Betrieb, bestimmt und entsprechend nachgeführt, sprich geregelt, werden kann. Wenige Positionen entlang der Strahlrichtung werden dabei mittels des Kamerasystems beobachtet. Beispielsweise können dabei die wenigen Positionen über ein geeignetes Optiksystem auf eine Kamera abgebildet werden. Über einen Algorithmus können dann Aufnahmen des Beleuchtungsstrahls an den diesen Positionen prozessiert und die genaue Fokusposition bestimmt werden. Entsprechend kann die Position des Fokussierobjektivs eingestellt werden. The line optics system according to the invention is designed in such a way that the focus position can be determined online, ie during operation, and tracked accordingly, ie regulated. A few positions along the beam direction are observed using the camera system. For example, the few positions can be imaged on a camera using a suitable optical system. Recordings of the illumination beam at these positions can then be processed via an algorithm and the exact focus position can be determined. The position of the focusing lens can be adjusted accordingly.
[0024] Das erfindungsgemäße Linienoptiksystem ermöglicht somit, im Betrieb die Fokusposition des Fokussierobjektivs zu bestimmen und entsprechend nach zu regeln, so dass der Beleuchtungsstrahl, insbesondere die Laserlinie, in der Arbeitsebene fokussiert ist. The line optics system according to the invention thus makes it possible to determine the focus position of the focusing lens during operation and to regulate it accordingly, so that the illumination beam, in particular the laser line, is focused in the working plane.
[0025] Die eingangs gestellte Aufgabe wird somit vollumfänglich gelöst. [0025] The task set at the outset is thus achieved in its entirety.
[0026] In einer ersten Ausgestaltung des Linienoptiksystems ist das Kamerasystem strahlabwärts der Arbeitsebene angeordnet. In a first embodiment of the line optics system, the camera system is arranged downstream of the working plane.
[0027] Der Beleuchtungsstrahl wird somit im Strahlengang nach der Arbeitsebene beobachtet. Dazu kann der Beleuchtungsstrahl entweder beobachtet werden, nachdem er die Arbeitsebene passiert hat oder nachdem er an der Arbeitsebene reflektiert worden ist. The illumination beam is thus observed in the beam path after the working plane. For this purpose, the illuminating beam can be observed either after it has passed the working plane or after it has been reflected at the working plane.
[0028] Insbesondere kann das Kamerasystem derart angerordnet sein, dass es einen reflektierten Strahl des Beleuchtungsstrahls an der Arbeitsebene beobachten kann. Der reflektierte Strahl ist ein Rückreflex des Beleuchtungsstrahls an der Arbeitsebene. Insbesondere kann im Betrieb der Beleuchtungsstrahl an einer Oberfläche eines mit der Laserlinie zu bearbeitenden Werkstücks reflektiert werden, das in der Arbeitsebene angeordnet ist. Der Rückreflex kann dann mittels des Kamerasystems beobachtet werden. Auf diese Weise kann neben der Fokusverschiebung auch eine Variation der Arbeitsebene kompensiert werden. In particular, the camera system can be arranged in such a way that it can observe a reflected beam of the illumination beam at the working plane. The reflected beam is a back reflection of the illuminating beam at the work plane. In particular, during operation the illumination beam can be reflected on a surface of a workpiece to be machined with the laser line, which is arranged in the working plane. The back reflection can then be observed using the camera system. In this way, in addition to the focus shift, a variation in the working plane can also be compensated.
[0029] Alternativ kann das Kamerasystem auch hinter der Arbeitsebene angeordnet. Die Arbeitsebene liegt dabei zwischen dem Kamerasystem und der Fokussiereinheit. Das Kamerasystem kann dadurch einen Beleuchtungsstrahl beobachten, der die Arbeitsebene passiert. Bei dieser Anordnung des Kamerasystems kann die Fokusposition dann bestimmt und angepasst werden, wenn kein Werkstück in der Arbeitsebene angeordnet ist oder wenn mittels der Laserlinie vollständig durch das Werkstück geschnitten wurde, so dass die Laserlinie die Arbeitsebene passieren und zu dem Kamerasystem gelangen kann. Alternatively, the camera system can also be arranged behind the working plane. The working plane lies between the camera system and the focusing unit. The camera system can thus observe an illumination beam that passes the work plane. With this arrangement of the camera system, the focus position can be determined and adjusted when no workpiece is arranged in the working plane or when the laser line has been used to cut completely through the workpiece that the laser line can pass the working plane and reach the camera system.
[0030] In einer weiteren Ausgestaltung weist das Linienoptiksystem eine weitere Optik auf, die strahlabwärts der Fokussiereinheit angeordnet ist, wobei die weitere Optik dazu eingerichtet ist, den Beleuchtungsstrahl aufzuteilen, wobei ein Teil des Beleuchtungsstrahls in Richtung der Arbeitsebene und ein weiterer Teil des Beleuchtungsstrahls in Richtung des Kamerasystems verläuft. In a further configuration, the line optics system has further optics which are arranged downstream of the focusing unit, the further optics being set up to split the illumination beam, with part of the illumination beam pointing in the direction of the working plane and another part of the illumination beam pointing in direction of the camera system.
[0031] Wie zuvor bereits erläutert kann im Strahlenlang nach der Fokussiereinheit eine weitere Optik, wie beispielsweise ein Umlenkspiegel oder ein Schutzglas, angeordnet sein, über die der Beleuchtungsstrahl in Richtung der Arbeitsebene gelangt. Die weitere Optik kann beispielsweise den Beleuchtungsstrahl in zwei Teile aufteilen. Insbesondere kann die weitere Optik derart aufgebaut sein, dass sie einen Teil des Beleuchtungsstrahls reflektiert und einen anderen Teil des Beleuchtungsstrahls hindurchlässt, sprich transmittiert. Entweder der transmittierte oder der reflektierte Teil verlaufen in Richtung der Arbeitsebene, wohingegen der entsprechend andere Teil in Richtung des Kamerasystems verläuft und von diesem beobachtet wird. Der reflektierte Teil des Beleuchtungsstrahls kann als Rückreflex des Beleuchtungsstrahls an der weiteren Optik bezeichnet werden. As already explained above, further optics, such as a deflection mirror or a protective glass, can be arranged in the beam length after the focusing unit, via which the illumination beam reaches the working plane. The additional optics can, for example, split the illumination beam into two parts. In particular, the additional optics can be constructed in such a way that they reflect part of the illumination beam and allow another part of the illumination beam to pass through, that is to say transmit it. Either the transmitted or the reflected part runs in the direction of the working plane, whereas the corresponding other part runs in the direction of the camera system and is observed by it. The reflected part of the illuminating beam can be referred to as a back reflection of the illuminating beam at the additional optics.
[0032] Insbesondere kann das Kamerasystem dazu eingerichtet sein, den Rückreflex des Beleuchtungsstrahls an der weiteren Optik zu beobachten. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die weitere Optik ein Schutzglas aufweist, durch das der Beleuchtungsstrahl in Richtung der Arbeitsebene hindurchläuft, wobei ein Rückreflex an dem Schutzglas mittels des Kamerasystems beobachtet wird. In particular, the camera system can be set up to observe the back reflection of the illumination beam on the further optics. This is particularly advantageous when the further optics have a protective glass through which the illumination beam runs in the direction of the working plane, with a back reflection being observed on the protective glass by means of the camera system.
[0033] Alternativ kann das Kamerasystem auch dazu eingerichtet sein, den transmittierten Teil des Beleuchtungsstrahls zu beobachten. Dazu kann beispielsweise die weitere Optik einen teilweise durchlässigen, insbesondere halbdurchlässig, Umlenkspiegel aufweisen. Der Umlenkspiegel kann den Beleuchtungsstrahl in Richtung der Arbeitsebene umlenken, sprich reflektieren, wobei der durch den Umlenkspiegel durchgelassene, transmittierte Teil des Beleuchtungsstrahls mittels des Kamerasystems beobachtet werden kann. [0034] In einer weiteren Ausgestaltung des Linienoptiksystems weist das Kamerasystem mindestens eine Kamera zum Aufnehmen mindestens eines Bildes auf, wobei das mindestens eine Bild Abbildungen des Beleuchtungsstrahls an den mindestens drei definierten Positionen aufweist. Alternatively, the camera system can also be set up to observe the transmitted part of the illumination beam. For this purpose, for example, the further optics can have a partially transparent, in particular semi-transparent, deflection mirror. The deflection mirror can deflect, i.e. reflect, the illumination beam in the direction of the working plane, in which case the transmitted part of the illumination beam that has passed through the deflection mirror can be observed by means of the camera system. In a further embodiment of the line optics system, the camera system has at least one camera for recording at least one image, the at least one image having images of the illumination beam at the at least three defined positions.
[0035] Mit anderen Worten weist das mindestens eine Bild je eine Abbildung je definierter Position auf. Jede dieser Abbildungen bildet somit den Beleuchtungsstrahl an der jeweiligen definierten Position in dem jeweiligen Fokuszustand ab. Der Beleuchtungsstrahl ist somit in den Abbildungen unterschiedlich stark fokussiert abgebildet. Auf Basis dieser Abbildungen kann die Steuereinrichtung die entsprechenden Fokuszustände an den entsprechenden definierten Positionen bestimmen. In other words, the at least one image has an image for each defined position. Each of these images thus forms the illumination beam at the respective defined position in the respective focus state. The illumination beam is thus shown in the images with different degrees of focus. On the basis of these images, the control device can determine the corresponding focus states at the corresponding defined positions.
[0036] Insbesondere kann das Kamerasystem eine Kamera zum Aufnehmen eines Bildes aufweisen, wobei dieses Bild Abbildungen des Beleuchtungsstrahls an den mindestens drei definierten Positionen aufweist. Diese Abbildungen sind vorzugsweise in dem Bild voneinander beabstandet abgebildet. Dies bedeutet, dass die Abbildungen in dem Bild nicht überlappen. Insbesondere sind die Abbildungen in dem Bild in der Richtung der kurzen Achse zueinander verschoben bzw. versetzt. Auf diese Weise können in einem Bild alle Fokuszustände an den mindestens drei definierten Positionen abgebildet werden. In particular, the camera system can have a camera for recording an image, this image having images of the illumination beam at the at least three defined positions. These images are preferably imaged spaced from each other in the image. This means that the images in the image do not overlap. In particular, the images in the image are offset from each other in the short axis direction. In this way, all focus states can be mapped at the at least three defined positions in one image.
[0037] Alternativ kann das Kamerasystem auch eine Mehrzahl von Kameras aufweisen, wobei jede Kamera jeweils ein Bild aufnimmt. Jedes Bild weist eine Abbildung des Beleuchtungsstrahls an jeweils einer der mindestens drei definierten Positionen auf. Mit anderen Worten wird für jede definierte Position mittels der Kameras ein entsprechendes Bild aufgenommen. Die Anzahl der Kameras sowie die Anzahl der Bilder entsprechen dabei der Anzahl der definierten Positionen, wobei jedes Bild den Beleuchtungsstrahl in einem entsprechenden Fokuszustand abbildet. Alternatively, the camera system can also have a plurality of cameras, with each camera taking a respective image. Each image has an image of the illumination beam at one of the at least three defined positions. In other words, a corresponding image is recorded by the cameras for each defined position. The number of cameras and the number of images correspond to the number of defined positions, with each image depicting the illumination beam in a corresponding focus state.
[0038] In einer weiteren Ausgestaltung des Linienoptiksystems weist das Kamerasystem einen Strahlteiler auf, der dazu eingerichtet ist, den Beleuchtungsstrahl in Teilstrahlen aufzuteilen, wobei die mindestens eine Kamera dazu eingerichtet ist, die Teilstrahlen in dem mindestens einen Bild abzubilden, wobei die Abbildungen der Teilstrahlen den Abbildungen des Beleuchtungsstrahls an den mindestens drei definierten Positionen entsprechen. In a further refinement of the line optics system, the camera system has a beam splitter which is designed to split the illumination beam into partial beams, the at least one camera being designed to display the partial beams in the to form at least one image, the images of the partial beams corresponding to the images of the illumination beam at the at least three defined positions.
[0039] Die Anzahl der Teilstrahlen entspricht der Anzahl der definierten Positionen. Insbesondere sind die Teilstrahlen voneinander beabstandet. Dies bedeutet, dass die Teilstrahlen nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, verlaufen und im Bild nicht überlappen. Die Teilstrahlen können in der Richtung der kurzen Achse zueinander versetzt sein. In der Ausführungsform, in der das Kamerasystem eine Kamera aufweist, werden die Teilstrahlen mit dieser Kamera aufgenommen. Auf diese Weise können die Teilstrahlen gemeinsam in einem Bild, vorzugsweise nebeneinander, abgebildet werden. In der alternativen Ausführungsform, in der das Kamerasystem eine Mehrzahl von Kameras aufweist, kann jeder Teilstrahl mit je einer der Kameras aufgenommen werden. Insbesondere entspricht dabei die Anzahl der Teilstrahlen der Anzahl der Kameras und der Anzahl der aufgenommenen Bilder. Auf diese Weise kann jeder Teilstrahl in einem eigenen Bild abgebildet werden. Die Abbildung eines Teilstrahls entspricht der Abbildung des Beleuchtungsstrahls an einer definierten Position. Mit anderen Worten wird jeder Teilstrahl zur Abbildung des Beleuchtungsstrahls an je einer der mindestens drei definierten Positionen verwendet. Vorzugsweise sind die Laufwege bzw. die Laufzeiten der Teilstrahlen bis zu der Kamera, in der Sie aufgenommen werden, unterschiedlich. Aufgrund der unterschiedlich langen Laufwege wird eine Abbildung an unterschiedlichen definierten Positionen erreicht. Die Abbildungen der Teilstrahl bilden den Beleuchtungsstrahl somit in unterschiedlichen Abständen zu dem Fokussierobjektiv und damit auch in unterschiedlichen Fokuszuständen ab. Beispielsweise kann der Strahlteiler derart aufgebaut sein, dass die Teilstrahlen den Strahlteiler mit unterschiedlich langen Laufwegen durchlaufen. Dies kann insbesondere mittels einem oder mehreren Umlenkspiegeln in dem Strahlteiler realisiert sein. Insbesondere kann der Strahlteiler dazu eingerichtet sein, die Laufwege der Teilstrahlen derart zu verlängern, dass die mindestens drei definierten Positionen in der Strahlrichtung aufeinanderfolgend mit gleichem Abstand angeordnet sind. Mittels des Strahlteilers wird es somit auf einfache Weise ermöglicht, mittels eines Kamerasystems den Beleuchtungsstrahl an mindestens drei definierte Positionen zu beobachten. The number of partial beams corresponds to the number of defined positions. In particular, the partial beams are spaced apart from one another. This means that the partial beams run side by side, in particular parallel to one another, and do not overlap in the image. The sub-beams can be offset from each other in the direction of the short axis. In the embodiment in which the camera system has a camera, the partial beams are recorded with this camera. In this way, the partial beams can be imaged together in one image, preferably next to one another. In the alternative embodiment, in which the camera system has a plurality of cameras, each partial beam can be recorded with one of the cameras. In particular, the number of partial beams corresponds to the number of cameras and the number of images recorded. In this way, each partial beam can be displayed in its own image. The imaging of a partial beam corresponds to the imaging of the illumination beam at a defined position. In other words, each partial beam is used to image the illumination beam at one of the at least three defined positions. Preferably, the paths or transit times of the partial beams up to the camera in which they are recorded are different. Due to the different lengths of travel, imaging is achieved at different defined positions. The images of the partial beams therefore form the illumination beam at different distances from the focusing objective and thus also in different focus states. For example, the beam splitter can be constructed in such a way that the partial beams pass through the beam splitter with paths of different lengths. This can be implemented in particular by means of one or more deflection mirrors in the beam splitter. In particular, the beam splitter can be set up to lengthen the travel paths of the partial beams in such a way that the at least three defined positions in the beam direction are arranged one after the other with the same spacing. The beam splitter thus makes it possible in a simple manner to observe the illumination beam at at least three defined positions using a camera system.
[0040] In einer weiteren Ausgestaltung des Linienoptiksystems ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, einen Fokuswert jedes Fokuszustandes an den mindestens drei Positionen auf Grundlage des mindestens einen Bildes zu bestimmen, wobei die Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs auf Grundlage der bestimmten Fokuswerte bestimmt wird. In a further refinement of the line optics system, the control device is set up to determine a focus value of each focus state at the at least three positions based on the at least one image, wherein the focus position of the focus of the focusing lens is determined based on the determined focus values.
[0041] Ein Fokuswert gibt ein Maß für die Fokussierung, sprich der Abbildungsschärfe, an einer definierten Position des Beleuchtungsstrahls in Strahlrichtung an. Der Fokuswert hat an der Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs ein globales Extremum. Insbesondere kann der Verlauf der Fokuswerte in Strahlrichtung als parabelartigen Verlauf modelliert werden, wobei die Position des Extremums der Fokusposition entspricht. Durch die Bestimmung der Fokuswerte an mindestens drei Positionen in Strahlrichtung kann somit der Verlauf der Parabel und damit auch die Position des Extremums bestimmt werden. Wenn der Fokuswert an mehr als drei definierten Positionen bestimmt wird, erhält man ein überbestimmtes Gleichungssystem, das beispielsweise mittels Ausgleichsrechnung, insbesondere der Methode der kleinsten Quadrate, gelöst werden kann, um die Position des Extremums zu bestimmen. Alternativ kann zur Modellierung des Fokuswerteverlaufs auch eine andere Funktion verwendet werden, die ein globales Extremum aufweist, insbesondere eine Gauß-Funktion oder ein gerade Polynomfunktion mit Grad vier oder höher. Vorzugsweise ist die Anzahl der mittels des Kamerasystems zu beobachtenden, definierten Positionen größer oder gleich dem Grad der Polynomfunktion plus eins. [0041] A focus value indicates a measure of the focussing, ie the sharpness of the image, at a defined position of the illumination beam in the direction of the beam. The focus value has a global extremum at the focus position of the focus of the focusing lens. In particular, the progression of the focus values in the beam direction can be modeled as a parabola-like progression, with the position of the extremum corresponding to the focus position. By determining the focus values at at least three positions in the beam direction, the course of the parabola and thus also the position of the extremum can be determined. If the focus value is determined at more than three defined positions, an overdetermined system of equations is obtained, which can be solved, for example, by means of a regression calculation, in particular the least squares method, in order to determine the position of the extremum. Alternatively, another function that has a global extremum, in particular a Gaussian function or an even polynomial function with degree four or higher, can also be used to model the course of the focus values. The number of defined positions to be observed by means of the camera system is preferably greater than or equal to the degree of the polynomial function plus one.
[0042] In einer weiteren Ausgestaltung des Linienoptiksystems wird für jede Abbildung des Beleuchtungsstrahls in dem mindestens einen Bild ein Strahlprofil des Beleuchtungsstrahls in der Richtung der kurzen Achse bestimmt, wobei jeder Fokuswert auf Grundlage des Strahlprofils der entsprechenden Abbildung bestimmt wird. In a further refinement of the line optics system, a beam profile of the illumination beam in the direction of the short axis is determined for each image of the illumination beam in the at least one image, with each focus value being determined on the basis of the beam profile of the corresponding image.
[0043] Das Strahlprofil ist ein Intensitätsprofil, das den Intensitätsverlauf des Beleuchtungsstrahls in der Richtung der kurzen Achse an der jeweiligen definierten Position darstellt. Das jeweilige Strahlprofil kann insbesondere auf Basis einer Projektion der Bildpunkte der entsprechenden Abbildung in dem mindesten einen Bild entlang der Richtung der langen Achse auf die Richtung der kurzen Achse bestimmt werden. Das Strahlprofil kann vorzugsweise ein rechteckförmiges Intensitätsprofil (ein sogenanntes Top Hat Profil) oder ein Gaußprofil sein. Der Fokuswert kann beispielsweise eine Steilheit (auch Flankensteilheit genannt) des Strahlprofils sein. Die Steilheit beschreibt die Steigung im Randbereich des Strahlprofils, sprich an einer Flanke des Strahlprofils. Umso kleiner der Wert die Steilheit ist, umso steiler ist die Flanke. Der Fokuswert kann beispielsweise auch das Inverse der Steilheit sein. Der Fokuswert ist dann umso kleiner, umso steiler die Flanke ist. Alternativ kann der Fokuswert auch die Breite des Strahlprofils sein. Insbesondere kann als die Breite des Strahlprofils die Breite des Bereichs des Strahlprofils genommen werden, in dem die Intensitätswerte gleich oder größer als 1/e2, 50% oder 90% des Maximums des Strahlprofils sind. An der Fokusposition sind Steilheit des Strahlprofils maximal und das Inverse der Steilheit sowie die Breite des Strahlprofils minimal. Um die Fokusposition zu bestimmen, kann somit die Position in Strahlrichtung bestimmt werden, an der die Steilheit des Strahlprofils des Beleuchtungsstrahls in Richtung der kurzen Achse minimal ist. Alternativ kann auch die Position in Strahlrichtung bestimmt werden, an der das Inverse der Steilheit oder die Breite des Strahlprofils des Beleuchtungsstrahls in Richtung der kurzen Achse minimal ist. Insbesondere folgen die Steilheit und die Breite in Strahlrichtung einem parabelartigen Verlauf, wobei die Position des Extremums, insbesondere des Minimums bzw. Maximums, der Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs entspricht. Durch die Bestimmung der Steilheit oder Breite an drei Positionen in Strahlrichtung kann somit der Verlauf der Parabel und damit auch die Position des Extremums bestimmt werden. The beam profile is an intensity profile that represents the intensity profile of the illumination beam in the direction of the short axis at the respective defined position. The respective beam profile can be determined in particular on the basis of a projection of the pixels of the corresponding image in the at least one image along the direction of the long axis onto the direction of the short axis. The beam profile can preferably be a rectangular intensity profile (a so-called top hat profile) or a Gaussian profile. The focus value can be a steepness (also called edge steepness) of the beam profile, for example. The steepness describes the gradient in the edge area of the beam profile, i.e. on a flank of the beam profile. The smaller the value, the slope is, the steeper the slope. The focus value can also be the inverse of the slope, for example. The focus value is then the smaller, the steeper the edge is. Alternatively, the focus value can also be the width of the beam profile. In particular, the width of the beam profile can be taken to be the width of the region of the beam profile in which the intensity values are equal to or greater than 1/e 2 , 50% or 90% of the maximum of the beam profile. At the focus position, the slope of the beam profile is at a maximum and the inverse of the slope and the width of the beam profile are at a minimum. In order to determine the focus position, the position in the beam direction can thus be determined at which the steepness of the beam profile of the illumination beam is minimal in the direction of the short axis. Alternatively, the position in the beam direction can also be determined at which the inverse of the steepness or the width of the beam profile of the illumination beam is minimal in the direction of the short axis. In particular, the steepness and the width in the beam direction follow a parabolic curve, with the position of the extremum, in particular the minimum or maximum, corresponding to the focus position of the focus of the focusing objective. By determining the steepness or width at three positions in the direction of the beam, the course of the parabola and thus also the position of the extremum can be determined.
[0044] In einer weiteren Ausgestaltung des Linienoptiksystems ist eine Position der Arbeitsebene strahlabwärts des Fokussierobjektivs vorbestimmt, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Position des Fokussierobjektivs parallel zur Strahlrichtung derart zu regeln, dass die Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs von der bestimmten Fokusposition zu der vorbestimmten Position der Arbeitsebene verschoben wird. In a further configuration of the line optics system, a position of the working plane downstream of the focusing lens is predetermined, with the control device being set up to regulate the position of the focusing lens parallel to the beam direction in such a way that the focus position of the focus of the focusing lens varies from the determined focus position to the predetermined position of the working plane is moved.
[0045] Die Position der Arbeitsebene ist somit eine Soll-Position der Fokusposition und die mittels der Steuereinrichtung bestimmte Fokusposition ist ein Ist-Position der Fokusposition. Die Lage des Fokussierobjektivs in parallel zur Strahlrichtung wird somit derart geregelt, dass die Fokusposition von der Ist-Position zu der Soll-Position verschoben wird. Beispielsweise kann dazu ein Verschiebevektor aus einer Differenz von Soll-Position und Ist-Position gebildet werden, entsprechend dem das Fokussierobjektiv bewegt wird. Die Position der Arbeitsebene kann beispielsweise im Voraus, insbesondere vom Benutzer, festgelegt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kamerasystem derart angeordnet sein, dass eine der definierten Positionen der Soll-Position der Fokusposition entspricht. Beispielsweise kann dazu der Beleuchtungsstrahl über die zuvor beschriebene weitere Optik beobachtet werden. Die Steuereinrichtung kann dann die Lage des Fokussierobjektiv derart regeln, dass die Fokusposition zu der entsprechenden, definierten Positionen verschoben wird. The position of the working plane is thus a target position of the focus position and the focus position determined by means of the control device is an actual position of the focus position. The position of the focusing lens parallel to the beam direction is thus regulated in such a way that the focus position is shifted from the actual position to the desired position. For example, a displacement vector can be formed from a difference between the desired position and the actual position, according to which the focusing lens is moved. For example, the position of the working plane can be determined in advance, in particular by the user. In a preferred embodiment, the camera system is arranged in such a way that one of the defined positions is the target position of the focus position corresponds. For example, the illumination beam can be observed via the additional optics described above. The control device can then regulate the position of the focusing objective in such a way that the focus position is shifted to the corresponding, defined position.
[0046] In einer weiteren Ausgestaltung weist das Linienoptiksystem eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Fokussierobjektivs parallel zu der Strahlrichtung aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Bewegungseinrichtung zu steuern, um die Position des Fokussierobjektivs zu regeln. In a further refinement, the line optics system has a movement device for moving the focusing lens parallel to the beam direction, the control device being set up to control the movement device in order to regulate the position of the focusing lens.
[0047] Beispielsweise kann die Steuereinrichtung Steuerbefehle an die Bewegungseinrichtung senden, wobei die Bewegungseinrichtung dann das Fokussierobjektiv entsprechend dieser Steuerbefehle bewegt. Die Bewegungseinrichtung kann beispielsweise eine Linearführung aufweisen, entlang der das Fokussierungsobjektiv parallel zu der Strahlrichtung bewegt werden kann. Die Linearführung stellt somit eine Führung für das Fokussierobjektiv parallel zu der Strahlrichtung bereit. Die Bewegungseinrichtung kann des Weiteren eine Antriebseinrichtung aufweisen, die das Fokussierobjektiv parallel zu der Strahlrichtung, insbesondere entlang der Linearführung, bewegen kann. Insbesondere kann die Steuereinrichtung die Antriebseinrichtung steuern. [0047] For example, the control device can send control commands to the movement device, with the movement device then moving the focusing lens in accordance with these control commands. The movement device can have a linear guide, for example, along which the focusing lens can be moved parallel to the beam direction. The linear guide thus provides a guide for the focusing lens parallel to the beam direction. The movement device can also have a drive device that can move the focusing objective parallel to the beam direction, in particular along the linear guide. In particular, the control device can control the drive device.
[0048] In einer weiteren Ausgestaltung des Linienoptiksystems weist die optische Anordnung des Weiteren strahlführende und strahlformende Optiken auf, die dazu eingerichtet sind, aus dem mindestens einen Laserstrahl den Beleuchtungsstrahl zu erzeugen. In a further configuration of the line optics system, the optical arrangement also has beam-guiding and beam-shaping optics which are set up to generate the illumination beam from the at least one laser beam.
[0049] Die optische Anordnung weist vorzugsweise entlang des Strahlengangs eine Reihe von strahlführenden und strahlformenden Optiken aufweisen, mittels denen der Beleuchtungsstrahl erzeugt wird. Diese Optiken sind vorzugsweise im Strahlengang vor der Fokussiereinheit angeordnet. Der von den strahlführenden und strahlformenden Optiken erzeugte Beleuchtungsstrahl wird von der Fokussiereinheit in der Arbeitsebene fokussiert. Als strahlführenden und strahlformenden Optiken kann die optische Anordnung beispielsweise einen Strahltransformator, einen Homogenisierer und Großoptiken aufweisen. Der Strahltransformator kann im Strahlengang nach der Laserlichtquelle angeordnet sein. Der Strahltransformator ist dazu eingerichtet, den mindestens einen Laserstrahl in einer Richtung quer zu der Strahlrichtung, insbesondere in Richtung der langen Achse, aufzuweiten. Insbesondere dient der Strahltransformators dazu, das Aspektverhältnis des Beleuchtungsstrahls noch weiter und/oder noch effizienter im Hinblick auf die gewünschte Laserlinie zu optimieren. Der Homogenisierer kann im Strahlengang nach dem Strahltransformator angeordnet sein. Der Homogenisierer ist dazu eingerichtet, den mindestens einen, vorzugsweise aufgeweiteten, Laserstrahl in der langen Achse homogen zu verteilen. Der Homogenisierer dient somit dazu, eine homogene Intensitätsverteilung des Beleuchtungsstrahls entlang der langen Achse zu erreichen. Die Großoptiken sind vorzugsweise im Strahlengang nach dem Homogenisierer angeordnet. Die Großoptiken dienen zum Formen des Strahlprofils in der Arbeitsebene. Die Großoptiken können beispielweise ein oder mehrere optische Elemente (bspw. Fourierlinse) entlang des Strahlengangs aufweisen, die das linienförmige Strahlprofil im Bereich der Arbeitsebene erzeugen. The optical arrangement preferably has a row of beam-guiding and beam-shaping optics along the beam path, by means of which the illumination beam is generated. These optics are preferably arranged in the beam path in front of the focusing unit. The illumination beam generated by the beam-guiding and beam-shaping optics is focused by the focusing unit in the working plane. The optical arrangement can have, for example, a beam transformer, a homogenizer and large optics as beam-guiding and beam-shaping optics. The beam transformer can be arranged in the beam path after the laser light source. The The beam transformer is set up to expand the at least one laser beam in a direction transverse to the beam direction, in particular in the direction of the long axis. In particular, the beam transformer serves to optimize the aspect ratio of the illumination beam even further and/or even more efficiently with regard to the desired laser line. The homogenizer can be arranged in the beam path after the beam transformer. The homogenizer is set up to distribute the at least one, preferably expanded, laser beam homogeneously in the long axis. The homogenizer thus serves to achieve a homogeneous intensity distribution of the illumination beam along the long axis. The large optics are preferably arranged in the beam path after the homogenizer. The large optics are used to shape the beam profile in the working plane. The large optics can have, for example, one or more optical elements (e.g. Fourier lenses) along the beam path, which generate the linear beam profile in the area of the working plane.
[0050] 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. It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
[0051] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines neuen Linienoptiksystems; 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a new line optical system;
Fig. 2 Darstellungen der Abbildung des Beleuchtungsstrahls mittels eines Fokussierobjektivs und verschiedener Strahlprofile des Beleuchtungsstrahls; 2 representations of the imaging of the illumination beam by means of a focusing objective and different beam profiles of the illumination beam;
Fig. 3 zwei Darstellungen der Verschiebung der Fokusposition eines Fokussierobjektivs; Fig. 4 vier Darstellungen von verschiedenen Anordnungen eines Kamerasystems im Strahlengang eines Linienoptiksystems; 3 shows two representations of the displacement of the focus position of a focusing lens; 4 shows four representations of different arrangements of a camera system in the beam path of a line optics system;
Fig. 5 zwei Darstellungen von zwei verschiedenen Ausführungsformen eines Kamerasystems; 5 shows two representations of two different embodiments of a camera system;
Fig. 6 drei Diagramme zur Darstellung einer Fokuswertverteilung bei drei unterschiedlichen Fokuspositionen; 6 shows three diagrams for representing a focus value distribution for three different focus positions;
Fig. 7 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Kamerasystems zur Aufnahme eines Bildes sowie ein Diagramm eines Intensitätsprofils des Bildes; 7 shows a representation of a further embodiment of a camera system for recording an image and a diagram of an intensity profile of the image;
Fig. 8 mehrere Diagramme zur Darstellung von Strahlprofilen und Fokuswertverteilungen bei verschiedenen Fokuspositionen; 8 several diagrams for the representation of beam profiles and focus value distributions at different focus positions;
Fig. 9 zwei Diagramme zur Darstellung eines Strahlprofils und einer Fokuswertverteilung bei einer bestimmten Fokusposition; FIG. 9 shows two diagrams for representing a beam profile and a focus value distribution at a specific focus position; FIG.
Fig. 10ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Fokusverschiebung und die entsprechende Nachregelung des Fokussierobjektivs dargestellt; und FIG. 10 shows a diagram that shows the course of the focus shift over time and the corresponding readjustment of the focusing objective; FIG. and
Fig. 11 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Kamerasystems zur Aufnahme eines Bildes sowie je ein Diagramm eines Intensitätsprofils des Bildes und der entsprechenden Fokuswertverteilung. 11 shows a representation of a further embodiment of a camera system for recording an image as well as a diagram of an intensity profile of the image and the corresponding focus value distribution.
[0052] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Linienoptiksystems in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Linienoptiksystem 10 erzeugt eine Laserlinie 24 im Bereich einer Arbeitsebene 26, um ein Werkstück (hier nicht dargestellt) zu bearbeiten, das im Bereich der Arbeitsebene 26 platziert ist. Die Laserlinie 24 verläuft in einer Richtung, die im Folgenden als x-Achse bezeichnet ist. Die Laserlinie besitzt eine Linienbreite, die hier in Richtung einer orthogonal zur x-Achse verlaufenden y-Achse betrachtet wird. Dementsprechend korrespondiert die x-Achse im Folgenden mit der langen Achse und die y-Achse korrespondiert mit der kurzen Achse des auf der Arbeitsebene 26 gebildeten Strahlprofils. Anders ausgedrückt besitzt das Strahlprofil eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite in x-Richtung und eine kurze Achse 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. In FIG. 1, an exemplary embodiment of the new line optical system is denoted by the reference number 10 in its entirety. The line optics system 10 generates a laser line 24 in the area of a working plane 26 in order to machine a workpiece (not shown here) that is placed in the area of the working plane 26 . The laser line 24 runs in a direction that is referred to below as the x-axis. The laser line has a line width that is viewed here in the direction of a y-axis running orthogonally to the x-axis. Accordingly, the x-axis below corresponds to the long axis and the The y-axis corresponds to the short axis of the beam profile formed on the working plane 26 . In other words, the beam profile has a long axis with a long-axis beamwidth in the x-direction and a short axis with a short-axis beamwidth in the y-direction. The respective beam width can, for example, be defined as the width of the intensity profile I (x, y) at 50% of the maximum intensity (FWHM, Full Width at Half Maximum) or, for example, as the width between the 90% intensity values (Full Width at 90% Maximum, FW@90% ) or defined in some other way.
[0053] In einigen Ausführungsbeispielen kann das Werkstück eine Oberflächenschicht aus amorphem Silizium beinhalten, die mit Hilfe der Laserlinie 24 zu polykristallinem Silizium umgewandelt wird. Zur Bearbeitung kann die Laserlinie 24 dabei in einer Bewegungsrichtung relativ zu der Arbeitsebene 26 bewegt werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Werkstück eine transparente Trägerplatte sein, von der eine anhaftende Folie, beispielsweise eine OLED-Folie, gelöst werden soll. In some embodiments, the workpiece may include a surface layer of amorphous silicon that is converted to polycrystalline silicon using the laser line 24 . For processing, the laser line 24 can be moved in a direction of movement relative to the working plane 26 . In other exemplary embodiments, the workpiece can be a transparent carrier plate from which an adhering film, for example an OLED film, is to be detached.
[0054] Das Linienoptiksystem 10 weist mindestens eine Laserlichtquelle 12 auf. Die Laserlichtquelle 12 kann in bevorzugten Ausführungsbeispielen ein Festkörperlaser sein. Die Laserlichtquelle 12 erzeugt mindestens einen Laserstrahl 20. In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Laserlichtquelle 12 eine Mehrzahl von Laserstrahlen erzeugen. In alternativen Ausführungsbeispielen weist das Linienoptiksystem 10 eine Mehrzahl von Laserlichtquellen 12 auf, wobei jede Laserlichtquelle 12 mindestens einen Laserstrahl 20 erzeugt. The line optics system 10 has at least one laser light source 12 . In preferred exemplary embodiments, the laser light source 12 can be a solid-state laser. Laser light source 12 generates at least one laser beam 20. In preferred embodiments, laser light source 12 can generate a plurality of laser beams. In alternative exemplary embodiments, the line optics system 10 has a plurality of laser light sources 12, with each laser light source 12 generating at least one laser beam 20.
[0055] Das Linienoptiksystem 10 weist des Weiteren eine optische Anordnung 14 auf. Die optische Anordnung 14 ist dazu eingerichtet, einen Beleuchtungsstrahl 22 aus dem mindestens einen Laserstrahl 20 entlang eines Strahlengangs zu erzeugen. Der Beleuchtungsstrahl 22 definiert eine Strahlrichtung, die die Arbeitsebene 26 schneidet. Der Beleuchtungsstrahl 22 besitzt im Bereich der Arbeitsebene 26 ein Strahlprofil, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist. Mit anderen Worten hat der Beleuchtungsstrahl 22 im Bereich der Arbeitsebene 26 ein linienförmiges Strahlprofil. Der Beleuchtungsstrahl 22 erzeugt somit in der Arbeitsebene 26 die Laserlinie 24. [0056] Die optische Anordnung weist entlang des Strahlengangs eine Reihe von strahlführenden und strahlformenden Optiken 16 und eine Fokussiereinheit 18 auf. Die Fokussiereinheit 18 ist strahlabwärts von den strahlführenden und strahlformenden Optiken 16 angeordnet. The line optics system 10 also has an optical arrangement 14 . The optical arrangement 14 is set up to generate an illumination beam 22 from the at least one laser beam 20 along a beam path. The illumination beam 22 defines a beam direction that intersects the working plane 26 . In the region of the working plane 26, the illumination beam 22 has a beam profile which, perpendicular to the beam direction, has a long axis with a long-axis beam width and a short axis with a short-axis beam width. In other words, the illumination beam 22 has a linear beam profile in the area of the working plane 26 . The illumination beam 22 thus generates the laser line 24 in the working plane 26. The optical arrangement has a row of beam-guiding and beam-shaping optics 16 and a focusing unit 18 along the beam path. The focusing unit 18 is arranged downstream of the beam-guiding and beam-shaping optics 16 .
[0057] Die strahlführenden und strahlformenden Optiken 16 sind dazu eingerichtet, aus dem mindestens einen Laserstrahl 20 den Beleuchtungsstrahl 22 zu erzeugen. Als strahlführenden und strahlformenden Optiken 16 kann die optische Anordnung beispielsweise einen Strahltransformator, einen Homogenisierer und Großoptiken aufweisen. Die Fokussiereinheit 18 ist dazu eingerichtet, den Beleuchtungsstrahl 22 zu fokussieren. Insbesondere fokussiert die Fokussiereinheit 18 den Beleuchtungsstrahl 22 in der Richtung der kurzen Achse. The beam-guiding and beam-shaping optics 16 are set up to generate the illumination beam 22 from the at least one laser beam 20 . The optical arrangement can have, for example, a beam transformer, a homogenizer and large optics as beam-guiding and beam-shaping optics 16 . The focusing unit 18 is set up to focus the illumination beam 22 . In particular, the focusing unit 18 focuses the illumination beam 22 in the short-axis direction.
[0058] Zur Fokussierung des Beleuchtungsstrahls 22 weist die Fokussiereinheit 18 ein Fokussierobjektiv 28 auf. Das Fokussierobjektiv 28 kann eine oder mehrere Optiken aufweisen. Das Fokussierobjektiv 28 ist parallel zur Strahlrichtung bewegbar. Die Fokussiereinheit 18 weist eine Bewegungseinrichtung 30 auf, die dazu eingerichtet ist, das Fokussierobjektiv 28 parallel zu der Strahlrichtung zu bewegen. Die Bewegungseinrichtung 30 weist eine Linearführung 32 und eine Antriebseinrichtung 34 auf. Die Linearführung 32 stellt somit eine Führung für das Fokussierobjektiv 28 parallel zu der Strahlrichtung bereit. Entlang der Linearführung 32 ist das Fokussierobjektiv 28 bewegbar. Die Antriebseinrichtung 34 ist dazu eingerichtet, das Fokussierobjektiv 28 parallel zu der Strahlrichtung, insbesondere entlang der Linearführung 32, zu bewegen. The focusing unit 18 has a focusing lens 28 for focusing the illumination beam 22 . The focusing lens 28 may include one or more optics. The focusing lens 28 can be moved parallel to the beam direction. The focusing unit 18 has a movement device 30 which is set up to move the focusing lens 28 parallel to the beam direction. The movement device 30 has a linear guide 32 and a drive device 34 . The linear guide 32 thus provides a guide for the focusing lens 28 parallel to the beam direction. The focusing lens 28 can be moved along the linear guide 32 . The drive device 34 is set up to move the focusing objective 28 parallel to the beam direction, in particular along the linear guide 32 .
[0059] Das Linienoptiksystem 10 weist des Weiteren ein Kamerasystem 36 auf. Das Kamerasystem 36 ist dazu eingerichtet, den Beleuchtungsstrahl 22 strahlabwärts des Fokussierobjektivs 28 zu beobachten. Insbesondere ist das Kamerasystem 36 ist dazu eingerichtet, den Beleuchtungsstrahl 22 an einer definierten Position strahlabwärts des Fokussierobjektiv 28 zu beobachten. Der Beleuchtungsstrahl 22 hat an dieser definierten Position einen bestimmten Fokuszustand. Das Kamerasystem 36 weist ein abbildendes System 38 und eine Kamera 40 auf. Das abbildende System 38 bildet den Beleuchtungsstrahl 22 auf die Kamera 40 ab. Die Kamera 40 ist dazu eingerichtet, ein Bild des Beleuchtungsstrahls 22 aufzunehmen. Insbesondere ist die Kamera 40 derart angeordnet, dass Sie ein Bild des Beleuchtungsstrahls 22 an der definierten Position strahlabwärts des Fokussierobjektivs 28 aufnimmt. Das Bild weist somit eine Abbildung des Beleuchtungsstrahls 22 an der definierten Position auf. The line optics system 10 also has a camera system 36 . The camera system 36 is set up to observe the illumination beam 22 downstream of the focusing lens 28 . In particular, the camera system 36 is set up to observe the illumination beam 22 at a defined position downstream of the focusing lens 28 . The illumination beam 22 has a specific focus state at this defined position. The camera system 36 has an imaging system 38 and a camera 40 . The imaging system 38 images the illumination beam 22 onto the camera 40 . The camera 40 is set up to record an image of the illumination beam 22 . In particular, the camera 40 is arranged in such a way that it takes an image of the illumination beam 22 at the defined position downstream of the beam of the focusing lens 28 receives. The image thus has an image of the illumination beam 22 at the defined position.
[0060] Das Kamerasystem 36 ist insbesondere dazu eingerichtet, den Beleuchtungsstrahl 22 an mindestens drei definierten Positionen strahlabwärts des Fokussierobjektiv 28 zu beobachten, wobei der der Beleuchtungsstrahl 22 an jeder der definierten Positionen einen bestimmten Fokuszustand hat. Dazu weist das Kamerasystem 36 mindestens eine Kamera 40 auf, die mindestens ein Bild aufnimmt, das Abbildungen des Beleuchtungsstrahls 22 an den mindestens drei definierten Positionen aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kamerasystem 36 nur eine Kamera 40 zum Aufnehmen eines Bildes auf, wobei dieses Bild die Abbildungen des Beleuchtungsstrahls 22 an den mindestens drei definierten Positionen aufweist. In einer alternativen Ausführungsform kann das Kamerasystem 36 auch eine Mehrzahl von Kameras 40 aufweisen, wobei jede Kamera 40 jeweils ein Bild aufnimmt und jedes Bild eine Abbildung des Beleuchtungsstrahls 22 an jeweils einer der definierten Positionen aufweist. The camera system 36 is set up in particular to observe the illumination beam 22 at at least three defined positions downstream of the focusing lens 28, the illumination beam 22 having a specific focus state at each of the defined positions. For this purpose, the camera system 36 has at least one camera 40 that records at least one image that has images of the illumination beam 22 at the at least three defined positions. In a preferred embodiment, the camera system 36 has only one camera 40 for recording an image, this image having the images of the illumination beam 22 at the at least three defined positions. In an alternative embodiment, the camera system 36 can also have a plurality of cameras 40, with each camera 40 recording an image and each image having an image of the illumination beam 22 at one of the defined positions.
[0061] Das Kamerasystem 36 kann einen Strahlteiler 42 aufweisen. Der Strahlteiler 42 kann im Strahlengang zwischen dem abbildenden System 38 und der Kamera 40 angeordnet sein. Der Strahlteiler 42 ist dazu eingerichtet, den zu beobachtenden Beleuchtungsstrahl 22 in Teilstrahlen aufzuteilen. Die mindestens eine Kamera 40 ist dazu eingerichtet ist, die Teilstrahlen in dem mindestens einen Bild abzubilden, wobei die Abbildungen der Teilstrahlen den Abbildungen des Beleuchtungsstrahls 22 an den mindestens drei definierten Positionen entsprechen. Insbesondere ist der Strahlteiler 42 derart aufgebaut, dass die Teilstrahlen den Strahlteiler 42 mit unterschiedlich langen Laufwegen durchlaufen. Die Teilstrahlen können mit einer Kamera 40 aufgenommen und in einem Bild gemeinsam, vorzugsweise nebeneinander abgebildet werden. Alternativ können die Teilstrahlen mit einer Mehrzahl von Kameras 40 aufgenommen und in jeweils eigenen Bildern abgebildet werden. The camera system 36 can have a beam splitter 42 . The beam splitter 42 can be arranged in the beam path between the imaging system 38 and the camera 40 . The beam splitter 42 is set up to split the illumination beam 22 to be observed into partial beams. The at least one camera 40 is set up to image the partial beams in the at least one image, with the images of the partial beams corresponding to the images of the illumination beam 22 at the at least three defined positions. In particular, the beam splitter 42 is constructed in such a way that the partial beams pass through the beam splitter 42 with paths of different lengths. The partial beams can be recorded with a camera 40 and displayed together in one image, preferably side by side. Alternatively, the partial beams can be recorded with a plurality of cameras 40 and each imaged in separate images.
[0062] Das Linienoptiksystem 10 weist des Weiteren eine Steuereinrichtung 44 auf. Die Steuereinrichtung 44 ist dazu eingerichtet, die Position des Fokussierobjektivs 28 parallel zur Strahlrichtung zu regeln. Die Steuereinrichtung 44 kann dazu beispielsweise entsprechende Steuerbefehle an die Bewegungseinrichtung 30 senden. Die Bewegungseinrich- tung 30 kann dann mittels der Antriebseinrichtung 34 das Fokussierobjektiv 28 entsprechend der Steuerbefehle entlang der Linearführung 32 bewegt. Die Steuereinrichtung 44 kann des Weiteren Daten von dem Kamerasystem 36 empfangen. Die Daten können ein oder mehrere aufgenommene Bilder aufweisen. Die Steuereinrichtung 44 regelt die Position des Fokussierobjektivs basierend auf den Daten des Kamerasystems 36. The line optics system 10 also has a control device 44 . The control device 44 is set up to regulate the position of the focusing lens 28 parallel to the beam direction. For this purpose, the control device 44 can, for example, send corresponding control commands to the movement device 30 . The movement equipment Device 30 can then be moved by means of the drive device 34, the focusing lens 28 according to the control commands along the linear guide 32. Furthermore, the control device 44 can receive data from the camera system 36 . The data may include one or more captured images. The control device 44 regulates the position of the focusing lens based on the data from the camera system 36.
[0063] Zur Regelung der Position des Fokussierobjektivs 28 kann die Steuereinrichtung 26 kann beispielsweise verschiedene Untereinheiten aufweisen, die jeweils eine Steuerung einer Komponente des Linienoptiksystems 10 und/oder eine Verarbeitung von Daten durchführen. Die Steuereinrichtung 44 kann dazu beispielsweise eine Regelungseinheit und eine Datenverarbeitungseinheit aufweisen. Die Regelungseinheit kann beispielsweise Steuerbefehle erzeugen, mittels denen die Position des Fokussierobjektivs geregelt wird. Die Datenverarbeitungseinheit kann beispielsweise Berechnungsschritte basierend durchführen, in denen die von dem Kamerasystem 36 empfangenen Daten analysiert werden. Auf Basis dieser Analyse wird dann die Position des Fokussierobjektivs 28 entsprechend geregelt, insbesondere die entsprechenden Steuerbefehle erzeugt. In order to regulate the position of the focusing lens 28, the control device 26 can have various sub-units, for example, which each control a component of the line optics system 10 and/or process data. For this purpose, the control device 44 can have, for example, a control unit and a data processing unit. The control unit can, for example, generate control commands by means of which the position of the focusing objective is controlled. The data processing unit can, for example, carry out calculation steps based on which the data received from the camera system 36 are analyzed. On the basis of this analysis, the position of the focusing objective 28 is then regulated accordingly, in particular the corresponding control commands are generated.
[0064] Die Steuereinrichtung 44 kann mit einem nichtflüchtigen Datenspeicher, in dem ein Computerprogramm gespeichert ist, verbunden sein oder diesen aufweisen. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Steuereinrichtung 4 ein Mehrzweckcomputer, wie etwa ein handelsüblicher Personal Computer, der unter Windows®, Linux oder MacOS läuft, und das Computerprogramm aus dem Speicher weist einen Programmcode auf, der zum Implementieren der Regelung des Fokussierobjektivs 28 gestaltet und ausgebildet ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 44 ein logischer Schaltkreis, wie etwa ein vor Ort programmierbares Gate-Array (FPGA: Field Programmable Gate Array), ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC: Application- Specific Integrated Circuit), ein Mikrocontroller oder ein beliebiger anderer angemessener programmierbarer elektrischer Schaltkreis. Darin kann die Regelung des Fokussierobjektivs 28, insbesondere Steuer- und Bestimmungsschritte, mit dem logischen Schaltkreis implementiert werden, sodass der logische Schaltkreis zum Implementieren der Regelung des Fokussierobjektivs 28 gestaltet und ausgebildet ist. Zum Implementieren der Regelung des Fokussierobjektivs 28 in dem logischen Schaltkreis kann eine beliebige ange- messene Programmiersprache oder Hardwarebeschreibungssprache verwendet werden, wie etwa C, VHDL und dergleichen. The control device 44 can be connected to or have a non-volatile data memory in which a computer program is stored. In some embodiments, controller 4 is a general purpose computer, such as a commercially available personal computer running Windows®, Linux, or MacOS, and the computer program from memory includes program code designed and configured to implement control of focusing lens 28 . In an alternative embodiment, the controller 44 is a logic circuit such as a Field Programmable Gate Array (FPGA), an Application-Specific Integrated Circuit (ASIC), a microcontroller, or any other appropriate programmable electrical circuit. Therein, the regulation of the focusing objective 28, in particular control and determination steps, can be implemented with the logic circuit, so that the logic circuit for implementing the regulation of the focusing objective 28 is designed and constructed. To implement the control of the focusing lens 28 in the logic circuit, any measured programming language or hardware description language can be used, such as C, VHDL and the like.
[0065] Die Steuereinrichtung 44 ist dazu eingerichtet, auf Grundlage der Fokuszustände an den mindestens drei definierten Positionen eine Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs 28 zu bestimmen und eine Position des Fokussierobjektivs 28 parallel zur Strahlrichtung derart zu regeln, dass die Fokusposition in die Arbeitsebene 26 angeordnet ist. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 44 die mittels des Kamerasystems 36 beobachteten Fokuszustände an den definierten Positionen analysieren, um auf deren Grundlage die Fokusposition zu bestimmen. Auf Basis der bestimmten Fokusposition kann die Steuereinrichtung 44 dann die Lage des Fokussierobjektivs 28 entsprechend regeln. Insbesondere wird die Lage des Fokussierobjektivs 28 so eingestellt, dass die Fokusposition in die Arbeitsebene 26 verschoben wird. The control device 44 is set up to determine a focus position of the focus of the focusing lens 28 on the basis of the focus states at the at least three defined positions and to regulate a position of the focusing lens 28 parallel to the beam direction in such a way that the focus position is arranged in the working plane 26 is. For example, the control device 44 can analyze the focus states at the defined positions observed by means of the camera system 36 in order to determine the focus position on the basis thereof. The control device 44 can then regulate the position of the focusing lens 28 accordingly on the basis of the determined focus position. In particular, the position of the focusing objective 28 is adjusted in such a way that the focus position is shifted into the working plane 26 .
[0066] In Fig. 2(A) ist beispielhaft ein Fokussierobjektiv 28 dargestellt, dass einen Beleuchtungsstrahl an einer Fokusposition 46 fokussiert. In den Figuren 2(B) und 2(C) sind zwei Strahlprofile des Beleuchtungsstrahls 22 in Richtung der kurzen Achse dargestellt. Fig. 2(B) zeigt ein Gaußprofil. Fig. 2(C) zeigt ein rechteckiges Strahlprofil, ein sogenanntes Top Hat Profil. In FIG. 2(A) a focusing lens 28 is shown as an example that focuses an illumination beam at a focus position 46 . Two beam profiles of the illumination beam 22 in the direction of the short axis are shown in FIGS. 2(B) and 2(C). 2(B) shows a Gaussian profile. 2(C) shows a rectangular beam profile, a so-called top hat profile.
[0067] Beide Strahlprofile aus den Fig. 2(B) und (C) haben eine Steilheit im Flankenbereich bzw. Randbereich des Strahlprofils. Die Steilheit drückt den Intensitätsabfall y über der Wegstrecke x an der Flanke, sprich in dem Randbereich des Strahlprofils. Die Flanke ist der Randbereich des Profils, in dem die Steigung am größten ist. Die Steilheit ist somit durch den Quotienten y/x definiert. Entsprechend ist das Inverse der Steilheit als der Quotient x/y definiert. Both beam profiles from FIGS. 2(B) and (C) have a steepness in the edge area or edge area of the beam profile. The steepness suppresses the drop in intensity y over the path x on the edge, i.e. in the edge area of the beam profile. The flank is the edge area of the profile where the gradient is greatest. The slope is thus defined by the quotient y/x. Correspondingly, the inverse of the slope is defined as the quotient x/y.
[0068] Beide Strahlprofile aus den Fig. 2(B) und (C) haben des Weiteren eine Breite. Insbesondere kann als die Breite des Strahlprofils die Breite des Bereichs des Strahlprofils genommen werden, in dem die Intensitätswerte gleich oder größer als 1/e2, 50% oder 90% des Maximalwerts der Intensität des Strahlprofils sind. [0069] In der Fokusposition 46 hat das Strahlprofil des Beleuchtungsstrahls in Richtung der kurzen Achse eine minimale Breite und eine maximale Steilheit. Umso weiter man sich von der Fokusposition 46 parallel zur Strahlrichtung entfernt, umso kleiner wird die Steilheit des Strahlprofils und umso größer werden die Breite und das Inverse der Steilheit des Strahlprofils. Both beam profiles of Figures 2(B) and (C) also have a width. In particular, the width of the beam profile can be taken to be the width of the region of the beam profile in which the intensity values are equal to or greater than 1/e 2 , 50% or 90% of the maximum value of the intensity of the beam profile. In the focus position 46, the beam profile of the illumination beam has a minimum width and a maximum steepness in the direction of the short axis. The further one moves away from the focus position 46 parallel to the beam direction, the smaller the steepness of the beam profile becomes and the larger the width and the inverse of the steepness of the beam profile become.
[0070] Die Steilheit, das Inverse der Steilheit oder die Breite des Strahlprofils können somit zur Beschreibung des Fokuszustandes des Beleuchtungsstrahls an einer bestimmten Position in Strahlrichtung verwendet werden. Mit anderen Worten können die Steilheit, das Inverse der Steilheit oder die Breite des Strahlprofils ein Fokuswert des Fokuszustandes sein. The slope, the inverse of the slope or the width of the beam profile can thus be used to describe the focus state of the illumination beam at a specific position in the beam direction. In other words, the slope, the inverse of the slope or the width of the beam profile can be a focus value of the focus state.
[0071] In Fig. 3(A) ist beispielhaft dargestellt, wie sich die Fokusposition 46 des Fokussierobjektivs 28 im Betrieb aufgrund von thermischen Effekten verschieben kann, während sich die Lage des Fokussierobjektivs 28 nicht ändert. Die ursprüngliche Fokusposition ist mit dem Bezugszeichen 46 bezeichnet. Die verschobene Fokusposition ist mit dem Bezugszeichen 46' bezeichnet. In Fig. 3 (A) is shown as an example of how the focus position 46 of the focusing lens 28 can shift during operation due to thermal effects, while the position of the focusing lens 28 does not change. The original focus position is denoted by reference number 46 . The shifted focus position is denoted by reference numeral 46'.
[0072] In Fig. 3(B) ist beispielhaft dargestellt, wie sich die Fokusposition 46 des Fokussierobjektivs 28 geregelt werden kann. Das Fokussierobjektiv 28 kann entlang der Linearführung 32 bewegt werden. In der Darstellung der Fig. 3(B) wird das Fokussierobjektiv beispielhaft in Richtung der Fokusposition verschoben, wobei die Lage des verschobene Fokussierobjektiv mit dem Bezugszeichen 28" bezeichnet ist. Entsprechend wird durch die Verschiebung des Fokussierobjektiv 28 auch die Fokusposition 46 entsprechend verschoben, wobei die verschobene Fokusposition mit dem Bezugszeichen 46" bezeichnet ist. In Fig. 3 (B) is shown as an example of how the focus position 46 of the focusing lens 28 can be regulated. The focusing lens 28 can be moved along the linear guide 32 . In the representation of Fig. 3(B), the focusing lens is shifted in the direction of the focus position, for example, with the position of the shifted focusing lens being denoted by the reference numeral 28". Correspondingly, the shifting of the focusing lens 28 also shifts the focus position 46 accordingly, with the shifted focus position is denoted by reference numeral 46''.
[0073] In Fig. 4 sind vier beispielhafte Anordnungen des Kamerasystems 36 im Strahlengang des Linienoptiksystems 10 gezeigt, an denen das Kamerasystems 36 den Beleuchtungsstrahl 22 beobachten kann. [0074] In Fig. 4(A) ist das Kamerasystem 36 hinter der Arbeitsebene 26 angeordnet. Das Kamerasystem 36 beobachtet in dieser Anordnung den Beleuchtungsstrahl 22, wenn dieser durch die Arbeitsebene hindurchgeht. 4 shows four exemplary arrangements of the camera system 36 in the beam path of the line optics system 10, on which the camera system 36 can observe the illumination beam 22. In FIG. 4(A), the camera system 36 is arranged behind the working plane 26. In FIG. In this arrangement, the camera system 36 observes the illumination beam 22 as it passes through the working plane.
[0075] In Fig. 4(B) ist im Strahlengang zwischen dem Fokussierobjektiv 28 und der Arbeitsebene 26 ein Umlenkspiegel 48 angeordnet, der den Beleuchtungsstrahl 22 in Richtung der Arbeitsebene 26 umlenkt. Der Umlenkspiegel 48 ist teilweise durchlässig. Das Kamerasystem 36 ist so angeordnet, dass der durch den Umlenkspiegel 48 durchgelassene Teil in Richtung des Kamerasystems 36 verläuft. Das Kamerasystem 36 beobachtet in dieser Anordnung den durch den Umlenkspiegel 48 hindurchgelassenen Teil des Beleuchtungsstrahls 22. In FIG. 4(B), a deflection mirror 48 is arranged in the beam path between the focusing lens 28 and the working plane 26, which deflects the illumination beam 22 in the direction of the working plane 26. The deflection mirror 48 is partially transparent. The camera system 36 is arranged in such a way that the part let through by the deflection mirror 48 runs in the direction of the camera system 36 . In this arrangement, the camera system 36 observes the part of the illumination beam 22 that is allowed to pass through the deflection mirror 48.
[0076] In Fig. 4(C) ist wird der Beleuchtungsstrahl 22 an der Arbeitsebene 26 reflektiert. Das Kamerasystem 36 ist so angeordnet, dass der an der Arbeitsebene 26 reflektierte Beleuchtungsstrahl in Richtung des Kamerasystems 36 verläuft. Das Kamerasystem 36 beobachtet in dieser Anordnung den an der Arbeitsebene reflektierten Beleuchtungsstrahls 22. In FIG. 4(C), the illumination beam 22 is reflected at the working plane 26. In FIG. The camera system 36 is arranged in such a way that the illumination beam reflected at the working plane 26 runs in the direction of the camera system 36 . In this arrangement, the camera system 36 observes the illumination beam 22 reflected at the working plane.
[0077] In Fig. 4(D) ist im Strahlengang zwischen dem Fokussierobjektiv 28 und der Arbeitsebene 26 eine weitere Optik 50, beispielsweise ein Schutzglas, angeordnet, durch die der Beleuchtungsstrahl 22 in Richtung der Arbeitsebene 26 hindurchläuft. Ein Teil des Beleuchtungsstrahls 22 wird an der weiteren Optik 50 reflektiert. Das Kamerasystem 36 ist so angeordnet, dass der an der weiteren Optik 50 reflektierte Teil des Beleuchtungsstrahls 22 in Richtung des Kamerasystems 36 verläuft. Das Kamerasystem 36 beobachtet in dieser Anordnung den an der weiteren Optik 50 reflektierten Teil des Beleuchtungsstrahls 22. In FIG. 4(D), further optics 50, for example a protective glass, are arranged in the beam path between the focusing lens 28 and the working plane 26, through which the illumination beam 22 passes in the direction of the working plane 26. A part of the illumination beam 22 is reflected at the additional optics 50 . The camera system 36 is arranged in such a way that the part of the illumination beam 22 reflected on the further optics 50 runs in the direction of the camera system 36 . In this arrangement, the camera system 36 observes the part of the illumination beam 22 reflected by the further optics 50.
[0078] In Fig. 5(A) ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Kamerasystems 36 des Linienoptiksystems 10 aus Fig. 1 dargestellt, mit dem der Beleuchtungsstrahl 22 des Linienoptiksystems 10 an einer definierten Position beobachtet werden kann. In dem Kamerasystem 36 wird der Beleuchtungsstrahl 22, insbesondere die Arbeitsebene 26, mittels des abbildenden Systems 38 auf die Kamera 40 abgebildet. Die Abbildungsebene der Abbildung des Beleuchtungsstrahls 22 in der Kamera ist mit dem Bezugszeichen 52 bezeichnet. Das Kamerasystem 36 und die Kamera 40 sind vorzugsweise so angeordnet, dass die Abbildungsebene 52 an einer Soll-Position der Fokusposition 46 liegt. Die Abbildungsebene 52 kann aber auch an einer beliebigen Position in Strahlrichtung angeordnet sein. 5(A) shows an exemplary embodiment of a camera system 36 of the line optics system 10 from FIG. 1, with which the illumination beam 22 of the line optics system 10 can be observed at a defined position. In the camera system 36, the illumination beam 22, in particular the working plane 26, is imaged onto the camera 40 by means of the imaging system 38. The mapping plane the imaging of the illumination beam 22 in the camera is denoted by the reference numeral 52 . The camera system 36 and the camera 40 are preferably arranged in such a way that the imaging plane 52 lies at a target position of the focus position 46 . However, the imaging plane 52 can also be arranged at any desired position in the beam direction.
[0079] In Fig. 5(B) ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Kamerasystems 36 des Linienoptiksystems 10 aus Fig. 1 dargestellt, mit dem der Beleuchtungsstrahl 22 des Linienoptiksystems 10 an drei definierten Positionen beobachtet werden kann. In dem Kamerasystem 36 wird der Beleuchtungsstrahl 22 mittels des abbildenden Systems 38 auf der Kamera 40 abgebildet. Das Kamerasystem 36 weist in dieser Ausführungsform zusätzlich den Strahlteiler 42 auf. Der Strahlteiler 42 teilt den Beleuchtungsstrahl 22 in drei Teilstrahlen auf. Die Teilstrahlen verlaufen parallel zueinander von dem Strahlteiler 42 zu der Kamera 40 und werden auf die Kamera 40 abgebildet. Die Teilstrahlen sind dabei voneinander beabstandet und überlappen nicht. In einem von der Kamera 40 aufgenommenen Bild sind die Teilstrahlen somit nebeneinander, sprich beabstandet voneinander, abgebildet. 5(B) shows a further exemplary embodiment of the camera system 36 of the line optics system 10 from FIG. 1, with which the illumination beam 22 of the line optics system 10 can be observed at three defined positions. In the camera system 36 the illumination beam 22 is imaged on the camera 40 by means of the imaging system 38 . In this embodiment, the camera system 36 additionally has the beam splitter 42 . The beam splitter 42 divides the illumination beam 22 into three partial beams. The partial beams run parallel to one another from the beam splitter 42 to the camera 40 and are imaged on the camera 40 . The partial beams are spaced apart and do not overlap. In an image recorded by the camera 40, the partial beams are thus displayed next to one another, that is to say at a distance from one another.
[0080] Die Teilstrahlen haben innerhalb des Strahlteilers 42 unterschiedlich lange Laufwege. Aufgrund der unterschiedlich langen Laufwege der Teilstrahlen sind die Teilstrahlen in unterschiedlichen Abbildungsebenen 52, 52', 52" in der Kamera abgebildet. Ein erster Teilstrahl ist in der Ebene 52', ein zweiter Teilstrahl in der Ebene 52 und ein dritter Teilstrahl in der Ebene 52" abgebildet. Die Laufwege der Teilstrahlen in dem Strahlteiler 42 sind derart, dass die Abbildungsebenen 52, 52', 52" aufeinanderfolgend und mit gleichem Abstand zueinander versetzt sind. Insbesondere ist die Abbildungsebene 52 zwischen den Abbildungsebenen 52' und 52" angeordnet und weist zu diesen den gleichen Abstand auf. Mittels des Strahlteilers 42 werden die Teilstrahlen des Beleuchtungsstrahls 22 somit an unterschiedlichen definierten Positionen strahlabwärts des Fokussierobjektivs 28 und damit auch mit unterschiedlichen Fokuszuständen auf die Kamera 40 abgebildet. Die drei Abbildungen der Teilstrahlen des Beleuchtungsstrahls 22 auf die Kamera 40 sind somit drei Abbildungen des Beleuchtungsstrahls 22 an drei definierten Positionen zi, Z2, Z3 strahlabwärts des Fokussierobjektivs 28. Der erste Teilstrahl wird an der Position zi, der zweite Teilstrahl an der Position Z2 und der dritte Teilstrahl an der Position Z3 abgebildet. [0081] Das Kamerasystem 36 und die Kamera 40 sind vorzugsweise so angeordnet, dass die Abbildungsebene 52 des zweiten Teilstrahls an einer Soll-Position der Fokusposition 46 liegt. In der Darstellung der Fig. 5(B) ist die Abbildungsebene 52 des zweiten Teilstrahls an der Fokusposition 46 angeordnet. Entsprechend ist die Abbildungsebene 52' vor der Fokusposition 46 und die Abbildungsebene 52" hinter der Fokusposition 46 angeordnet. Die Kamera 40 nimmt in diesem Fall die Strahlprofile vor (Abbildung an Position zi), an (Abbildung an Position Z2) und hinter (Abbildung an Position Z3) der Fokusposition 46 auf. The partial beams have paths of different lengths within the beam splitter 42 . Due to the different lengths of travel of the partial beams, the partial beams are imaged in different imaging planes 52, 52', 52" in the camera. A first partial beam is in plane 52', a second partial beam in plane 52 and a third partial beam in plane 52 " pictured. The paths of the partial beams in the beam splitter 42 are such that the imaging planes 52, 52', 52" are consecutive and offset from one another at the same distance. In particular, the imaging plane 52 is arranged between the imaging planes 52' and 52" and points to the same distance up. By means of the beam splitter 42, the partial beams of the illumination beam 22 are thus imaged on the camera 40 at different defined positions downstream of the focusing lens 28 and thus also with different focus states. The three images of the partial beams of the illumination beam 22 on the camera 40 are thus three images of the illumination beam 22 at three defined positions zi, Z2, Z3 downstream of the focusing lens 28. The first partial beam is at position zi, the second partial beam at position Z2 and the third partial beam is imaged at position Z3. The camera system 36 and the camera 40 are preferably arranged in such a way that the imaging plane 52 of the second partial beam lies at a target position of the focus position 46 . In the representation of FIG. 5(B), the imaging plane 52 of the second partial beam is arranged at the focal position 46 . Correspondingly, the imaging plane 52' is arranged in front of the focus position 46 and the imaging plane 52" behind the focus position 46. In this case, the camera 40 takes the beam profiles (image at position zi), at (image at position Z2) and behind (image at Position Z3) of the focus position 46 on.
[0082] Das Strahlprofil des Beleuchtungsstrahls 22 kann dabei, wie zuvor mit Bezug auf die Figuren 2(B) und (C) erläutert, ein Gaußprofil oder ein rechteckförmiges Intensitätsprofil, ein sogenanntes Top Hat Profil, sein. Die Steuereinrichtung 44 kann für jede Abbildung der Teilstrahlen, sprich an jeder der drei definierten Positionen zi, Z2, Z3, das entsprechende abgebildete Strahlprofil analysieren, um den Fokuszustand an der jeweiligen Position zi, Z2, Z3 zu bestimmen. Dazu kann als Fokuswert Si , S2, S3 des Fokuszustands beispielsweise die Steilheit, das Inverse der Steilheit oder die Breite des Strahlprofils bestimmt werden. As explained above with reference to FIGS. 2(B) and (C), the beam profile of the illumination beam 22 can be a Gaussian profile or a rectangular intensity profile, a so-called top hat profile. The control device 44 can analyze the corresponding imaged beam profile for each image of the partial beams, ie at each of the three defined positions zi, Z2, Z3, in order to determine the focus state at the respective position zi, Z2, Z3. For this purpose, for example the slope, the inverse of the slope or the width of the beam profile can be determined as the focus value Si, S2, S3 of the focus state.
[0083] In der Fig. 6 ist dargestellt, wie sich die an den drei definierten Positionen zi, Z2, Z3 bestimmten Fokuswerte Si , S2, S3 ändern, wenn sich die Fokusposition 46 des Fokus des Fokussierobjektivs 28, insbesondere aufgrund einer Erwärmung der Optik, verschiebt. Als Fokuswert wird in Fig. 6 das Inverse der Steilheit verwendet. In den Diagrammen der Fig. 6(A) bis (C) ist jeweils die Fokuswertverteilung 56, 56', 56" in Strahlrichtung (z-Richtung) bei unterschiedlicher Lage der Fokusposition 46 aufgetragen. Die Fokuswertverteilungen 56, 56', 56" haben eine parabelförmigen Verlauf, wobei das Minimum der Parabel an der Stelle der Fokusposition 46 liegt. 6 shows how the focus values Si, S2, S3 determined at the three defined positions zi, Z2, Z3 change when the focus position 46 of the focus of the focusing lens 28 changes, in particular due to heating of the optics , shifts. The inverse of the steepness is used as the focus value in FIG. In the diagrams of FIGS. 6(A) to (C), the focus value distribution 56, 56', 56" is plotted in the beam direction (z-direction) for different positions of the focus position 46. The focus value distributions 56, 56', 56" have a parabola-shaped course, the minimum of the parabola being at the location of the focus position 46 .
[0084] In Fig. 6(A) ist eine Fokuswertverteilung 56 dargestellt, wobei die Fokusposition 46 an der Position Z2, liegt. Die Fokuswertverteilung 56 hat somit ihr Minimum an der Position Z2. A focus value distribution 56 is shown in FIG. 6(A), the focus position 46 being at position Z2. The focus value distribution 56 thus has its minimum at position Z2.
[0085] In Fig. 6(B) ist eine Fokuswertverteilung 56', wobei die Fokusposition 46 gegenüber der Darstellung in Fig. 6(A) in Strahlrichtung (z-Richtung) verschoben ist. Das Minimum der Fokuswertverteilung 56' liegt strahlabwärts der Positionen zi, Z2, Z3 in der Nähe der Position Z3. Das Strahlprofil 56 ist zum Vergleich mit gestrichelter Linie eingezeichnet. In Fig. 6(B) is a focus value distribution 56', wherein the focus position 46 is shifted in the beam direction (z-direction) from the illustration in Fig. 6(A). The minimum of Focus value distribution 56′ lies downstream of positions zi, Z2, Z3 in the vicinity of position Z3. The beam profile 56 is drawn in with a dashed line for comparison.
[0086] In Fig. 6(C) ist eine Fokuswertverteilung 56", wobei die Fokusposition 46 gegenüber der Darstellungen in Fig. 6(A) und (B) weiter in Strahlrichtung (z-Richtung) verschoben ist. Das Minimum der Fokuswertverteilung 56' liegt strahlabwärts der Positionen zi, Z2, Z3 in weiter entfernt von der Position Z3 im Vergleich zu Fig. 6(B). Das Strahlprofil 56 ist zum Vergleich mit gestrichelter Linie eingezeichnet. In Fig. 6(C) there is a focus value distribution 56", the focus position 46 being shifted further in the beam direction (z-direction) compared to the representations in Fig. 6(A) and (B). The minimum of the focus value distribution 56 ' is located further downstream of the position Z1, Z2, Z3 in from the position Z3 compared to Fig. 6(B).The beam profile 56 is drawn in dashed line for comparison.
[0087] Anstelle der Steilheit oder des Inversen der Steilheit kann auch die Breite der jeweiligen Strahlprofile an den Positionen zi, Z2, Z3 als Fokuswert verwendet werde, wobei sich die Breite an den jeweiligen Position in gleicher Weise ändert. Instead of the steepness or the inverse of the steepness, the width of the respective beam profiles at positions zi, Z2, Z3 can also be used as the focus value, with the width changing in the same way at the respective positions.
[0088] In Fig.7(A) ist eine weitere Ausführungsform des Kamerasystems 36 des Linienoptiksystems aus Fig. 1 dargestellt. Das Kamerasystem 36 hat im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie das Kamerasystem 36 aus Fig. 5(B). Das abbildende System 38 ist als Teleskopanordnung ausgebildet. Die Teleskopanordnung vergrößert die Abbildung des Beleuchtungsstrahls 22 um einen Faktor k. Die Vergrößerung führt somit zu einer Maßstabsänderung. A further embodiment of the camera system 36 of the line optics system from FIG. 1 is shown in FIG. 7(A). The camera system 36 has basically the same structure as the camera system 36 shown in FIG. 5(B). The imaging system 38 is designed as a telescope arrangement. The telescope arrangement enlarges the image of the illumination beam 22 by a factor k. The enlargement thus leads to a change in scale.
[0089] Der Beleuchtungsstrahl 22 wird in dem Strahlteiler 42 zwischen zwei Spiegeln mehrfach reflektiert. Die Spiegel sind parallel zueinander angeordnet und haben einen Abstand d zueinander. Einer der Spiegel ist teilweise durchlässig, wobei die Teilstrahlen durch diesen Spiegel in Richtung der Kamera 40 durchgelassen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl an Reflexionen zwischen den Spiegeln haben die Teilstrahlen unterschiedlich lange Laufwege. Der Laufwegunterschied zwischen zwei benachbarten Teilstrahlen ist 2d. Der Versatz öz der Positionen zi, Z2, Z3 in Strahlrichtung ergibt sich dann aufgrund der Maßstabsänderung aus der Formel öz = 2d x g(k) , wobei g(k) einen funktionalen Zusammenhang zur Vergrößerung k beschreibt. Für einen Gaussstrahl beispielsweise gilt g(k)=1/kA2. Mit anderen Worten ist öz der Abstand zwischen den drei Abbildungsebenen 52, 52', 52". [0090] In Fig. 7(B) ist ein Intensitätsprofils eines mit der Kamera 40 des Kamerasystems 36 aus Fig. 7(A) aufgenommenen Bildes entlang der Richtung der kurzen Achse (y-Richtung) dargestellt. Der Beleuchtungsstrahl 22 hat dabei ein rechteckförmiges Strahlprofil. Das Intensitätsprofil weist die Abbildungen der Strahlprofile der drei Teilstrahlen des Beleuchtungsstrahls 22 auf. Die Strahlprofile sind dabei in dem Intensitätsprofil nebeneinander, sprich in der Richtung der kurzen Achse zueinander beabstandet, angeordnet. The illumination beam 22 is reflected multiple times in the beam splitter 42 between two mirrors. The mirrors are arranged parallel to one another and have a distance d from one another. One of the mirrors is partially transparent, with the partial beams being transmitted through this mirror in the direction of the camera 40 . Due to the different number of reflections between the mirrors, the partial beams have paths of different lengths. The path difference between two adjacent partial beams is 2d. The offset öz of the positions zi, Z2, Z3 in the direction of the beam then results from the formula öz=2d×g(k) due to the change in scale, where g(k) describes a functional relationship to the enlargement k. For a Gaussian beam, for example, g(k)=1/k A 2 applies. In other words, δz is the distance between the three imaging planes 52, 52', 52". FIG. 7(B) shows an intensity profile of an image taken with the camera 40 of the camera system 36 of FIG. 7(A) along the short axis direction (y-direction). The illumination beam 22 has a rectangular beam profile. The intensity profile has the images of the beam profiles of the three partial beams of the illumination beam 22 . In this case, the beam profiles are arranged next to one another in the intensity profile, ie spaced apart from one another in the direction of the short axis.
[0091] Die Figuren 8(A) bis (E) zeigen fünf Messungen der Strahlprofile an den Positionen zi, Z2, Z3 und die entsprechenden Fokuswertverteilungen bei unterschiedlichen Fokuspositionen. Von Fig. 8A) nach Fig. 8(E) wurde die Fokusposition jeweils um 250 pm verschoben. In Fig. 8(C) liegt die Fokusposition in etwa an der Position Z2. Nimmt man an, dass die Fokusposition in der Fig. 8(C) bei 0 pm liegt, so liegt die Fokusposition in Fig. 8(A) bei - 500 pm, in der Fig. 8(B) bei -250 pm, in der Fig. 8(C) bei 0 pm, in der Fig. 8(D) bei 250 pm und in der Fig. 8(E) bei 500 pm. Entsprechend der Verschiebung der Fokusposition ändert sich auch die Lage der Fokuswerte Si , S2, S3 an den jeweiligen Positionen zi, Z2, Z3. FIGS. 8(A) to (E) show five measurements of the beam profiles at positions zi, Z2, Z3 and the corresponding focus value distributions at different focus positions. From Fig. 8A) to Fig. 8(E), the focus position was shifted by 250 pm each time. In Fig. 8(C), the focus position is approximately at position Z2. Assuming that the focus position is 0 pm in Fig. 8(C), the focus position is -500 pm in Fig. 8(A), -250 pm in Fig. 8(B), in 8(C) at 0 pm, in Fig. 8(D) at 250 pm and in Fig. 8(E) at 500 pm. The position of the focus values Si, S2, S3 at the respective positions zi, Z2, Z3 also changes in accordance with the shift in the focus position.
[0092] Im Folgenden wird ein Beispiel einer Methode beschrieben, mit der die Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs 28 auf Grundlage der bestimmten Fokuswerte Si , S2, S3 an den Positionen zi, Z2, Z3 bestimmt werden kann. [0092] An example of a method is described below, with which the focus position of the focus of the focusing lens 28 can be determined on the basis of the determined focus values Si , S2 , S3 at the positions zi , Z2 , Z3 .
[0093] Hierzu wird zunächst angenommen, dass die Fokuswertverteilung einer Parabel folgt, wie beispielsweise in Fig. 6 dargestellt. Dies ist z.B. für einen Gauss-Strahl der Fall. Wie zuvor erläutert, kann als Fokuswert die Steilheit, das Inverse der Steilheit oder die Breite des Strahlprofils an jeder Position zi, Z2, Z3 bestimmt werden. For this purpose, it is initially assumed that the focus value distribution follows a parabola, as shown in FIG. 6, for example. This is the case, for example, for a Gaussian beam. As explained above, the gradient, the inverse of the gradient or the width of the beam profile at each position zi, Z2, Z3 can be determined as the focus value.
[0094] Der Verlauf der Parabel in Strahlrichtung (z-Richtung) kann mit der Formel f (Z) = a(Z - Z')2 + ß beschrieben werden. Hierbei gibt Z' die Lage des Extremums der Parabel an. [0095] Die diskrete Ableitung dieser Formel unter Verwendung der Positionen zi, Z2, Z3 ist gegeben durch
Figure imgf000030_0001
The course of the parabola in the beam direction (z-direction) can be described with the formula f(Z)=a(Z−Z′) 2 +β. Here, Z' indicates the position of the extremum of the parabola. The discrete derivation of this formula using the positions zi, Z2, Z3 is given by
Figure imgf000030_0001
[0096] Die diskrete Ableitung auf der linken Seite gegeben ist durch: The discrete derivative on the left is given by:
A = s3 - Si A = s3 -Si
[0097] Die zweite Ableitung ist gegeben durch: The second derivative is given by:
B — = 2a özz B — = 2a öz z
[0098] Hierbei ist B gegeben durch: where B is given by:
B = s3 - 2S2 + Si B = s3 - 2S2 + Si
[0099] Daraus kann die Fokusposition zum Zeitpunkt der Bildaufnahme bestimmt werden durch die Formel:
Figure imgf000030_0002
From this, the focus position at the time of image recording can be determined using the formula:
Figure imgf000030_0002
[00100] Wie zuvor erläutert, ist öz der Abstand zwischen den Positionen zi, Z2, Z3. As previously explained, δz is the distance between positions zi, Z2, Z3.
[00101] Im Folgenden wird ein Beispiel für einen Regelungsprozess zum Regeln der Position des Fokussierobjektivs 28 beschrieben. Zu Beginn befindet sich das Fokussierobjektiv 28 an einer Position Pi. [00102] In einem ersten Schritt führt das Kamerasystem 36 zu einem Zeitpunkt h eine Messung durch. Zur Messung beobachtet das Kamerasystem 36 den Beleuchtungsstrahl 22 an mindestens drei definierten Positionen. Insbesondere beobachtet das Kamerasystem 36 den Beleuchtungsstrahl 22 an den Positionen zi, Z2, Z3 mittels der Kamera 40, wie zuvor beschrieben. An example of a control process for controlling the position of the focusing lens 28 will be described below. Initially, the focusing lens 28 is at a position Pi. In a first step, the camera system 36 carries out a measurement at a point in time h. For the measurement, the camera system 36 observes the illumination beam 22 at at least three defined positions. In particular, the camera system 36 observes the illumination beam 22 at the positions zi, Z2, Z3 by means of the camera 40, as previously described.
[00103] In einem weiteren Schritt bestimmt die Steuereinrichtung 44 einen Fokuswert des Fokuszustands an der entsprechenden definierten Position. Dazu analysiert die Steuereinrichtung 44 an jeder definierten Position das Strahlprofil, um den Fokuswert des Fokuszustands an der entsprechenden definierten Position zu bestimmen. Insbesondere werden dabei die Fokuswerte Si , S2, S3 an den Positionen zi, Z2, Z3 bestimmt. Die ist nochmal beispielhaft in den Figuren 9(A) und (B) dargestellt. Fig. 9(A) zeigt die Strahlprofile an den Positionen zi, Z2, Z3. Fig. 9(B) zeigt die entsprechende Fokuswertverteilung der Fokuswerte Si , S2, S3. Als Fokuswerte können beispielsweise die Steilheit, das Inverse der Steilheit oder die Breite des Strahlprofils bestimmt werden. In a further step, the control device 44 determines a focus value of the focus state at the corresponding defined position. For this purpose, the control device 44 analyzes the beam profile at each defined position in order to determine the focus value of the focus state at the corresponding defined position. In particular, the focus values Si, S2, S3 are determined at the positions zi, Z2, Z3. This is shown again as an example in FIGS. 9(A) and (B). Fig. 9(A) shows the beam profiles at positions zi, Z2, Z3. 9(B) shows the corresponding focus value distribution of the focus values Si , S2, S3. For example, the slope, the inverse of the slope or the width of the beam profile can be determined as focus values.
[00104] In einem weiteren Schritt bestimmt die Steuereinrichtung 44 dann auf Basis der bestimmten Fokuswerte die Fokusposition. Dazu kann insbesondere die zuvor beschriebene Methode angewandt werden, wobei zunächst die Größen A und B bestimmt werden, wobei auf Basis der Größen A und B dann die Fokussierposition bestimmt werden kann. In a further step, the control device 44 then determines the focus position on the basis of the focus values determined. In particular, the method described above can be used for this purpose, in which case the quantities A and B are first determined, and the focusing position can then be determined on the basis of the quantities A and B.
[00105] In einem weiteren Schritt regelt die Steuereinrichtung 44 dann die Position des Fokussierobjektivs 28 derart, dass die Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs 28 in der Arbeitsebene 26 angeordnet ist. Die Position der Arbeitsebene ist vorbestimmt und gibt eine Sollposition für die Fokusposition an. Die durch die Steuereinrichtung 44 bestimmte Fokusposition ist eine Ist-Position der Fokusposition. Die Steuereinrichtung 44 regelt die Position des Fokussierobjektivs 28 derart, dass die Fokusposition von der Ist- Position zu der Soll-Position mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit vo verfährt. Insbesondere wird dabei das Fokussierobjektiv 28 entsprechend der Differenz, insbesondere des Differenzvektors, zwischen Soll- und Ist-Position bewegt. Die Geschwindigkeit vo kann beispielsweise im Voraus, insbesondere durch einen Benutzer, festgelegt sein. [00106] In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Soll-Position der Fokusposition an derIn a further step, the control device 44 then regulates the position of the focusing lens 28 in such a way that the focal position of the focus of the focusing lens 28 is arranged in the working plane 26 . The position of the working plane is predetermined and gives a target position for the focus position. The focus position determined by the controller 44 is an actual position of the focus position. The control device 44 regulates the position of the focusing lens 28 in such a way that the focus position moves from the actual position to the desired position at a predetermined speed vo. In particular, the focusing lens 28 is moved between the desired and actual position according to the difference, in particular the difference vector. The speed vo can, for example, be specified in advance, in particular by a user. In a preferred embodiment, the target position of the focus position at the
Position S2 liegen. In diesem Fall wird das Fokussierobjektiv 28 zu der Position
Figure imgf000032_0001
mit der Geschwindigkeit vo verfahren.
Position S2 lie. In this case, the focusing lens 28 becomes the position
Figure imgf000032_0001
proceed with the speed vo.
[00107] Die Regelungsschritte können dann zu einem späteren Zeitpunkt t2 wiederholt werden, wobei das Fokussierobjektiv 28 dann ausgehend von der Position P2 weiterbewegt wird. The control steps can then be repeated at a later point in time t2, with the focusing lens 28 then being moved further starting from the position P2.
[00108] Insbesondere können die zuvor genannten Regelungsschritte in regelmäßigen zeitlichen Abständen wiederholt werden, um im Betrieb des Linienoptiksystems die Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs regelmäßig nach zu regeln. In particular, the control steps mentioned above can be repeated at regular time intervals in order to regularly readjust the focus position of the focus of the focusing lens during operation of the line optics system.
[00109] Eine derartige regelmäßige Nachregelung ist beispielhaft in Fig. 10 dargestellt. Fig. 10 zeigt Simulationsergebnisse, bei denen das Einlaufverhalten der Fokusposition entsprechend Gleichung
Figure imgf000032_0002
zeitlich moduliert wurde.
Such a regular readjustment is shown in FIG. 10 by way of example. Fig. 10 shows simulation results in which the run-in behavior of the focus position according to equation
Figure imgf000032_0002
was modulated in time.
[00110] Die Darstellung enthält außerdem die durch die beschriebene Methode ermittelte Fokusposition und entsprechende Kompensation özCOmP durch Verfahren des Objektivs. Die Simulation zeigt, dass das Messprinzip und die vorgeschlagene Methode für die Nachführung des Fokus im Betrieb, sprich für eine sogenannte Online-Nachführung des Fokus, hinreichend ist. The representation also contains the focus position determined by the method described and corresponding compensation δz CO m P by moving the lens. The simulation shows that the measuring principle and the proposed method for tracking the focus during operation, i.e. for so-called online tracking of the focus, is sufficient.
[00111] In Fig. 11 (A) ist eine weitere Ausführungsform eines Kamerasystems zur Aufnahme eines Bildes beschrieben. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 7(A) dahingehend, dass der Strahlteiler 42 dazu eingerichtet ist, den Beleuchtungsstrahl 22 in mehr als drei Teilstrahlen aufzuteilen. Auf diese Weise kann das Kamerasystem 36 mehr als drei definierte Positionen strahlabwärts des Fokussierobjektivs 28 beobachten. Die Anzahl der zu beobachtenden Positionen entsprechen dabei der Anzahl der Teilstrahlen. Die Anzahl der zu beobachtenden, definierten Positionen kann beispielsweise zwischen vier und 20, vorzugsweise zwischen fünf und 15, insbesondere sieben oder zehn, sein. In der vorliegenden Ausführungsform der Fig. 11 werden sieben definierte Positionen beobachtet. Die definierten Positionen sind vorzugsweise in der Strahlrichtung (z-Richtung) in gleichen Abständen aufeinanderfolgend angeordnet. Another embodiment of a camera system for capturing an image is described in FIG. 11(A). This embodiment differs from the embodiment of FIG. 7(A) in that the beam splitter 42 is set up to split the illumination beam 22 into more than three partial beams. In this way, the camera system 36 can observe more than three defined positions downstream of the focusing lens 28 . The number of positions to be observed corresponds to the number of partial beams. The number of defined positions to be observed can be, for example, between four and 20, preferably between five and 15, in particular seven or ten. In the present embodiment of FIG. 11, seven defined positions are observed. The defined positions are preferably arranged one after the other at equal intervals in the beam direction (z-direction).
[00112] Die Kamera 40 des Kamerasystems 36 kann ein Bild aufnehmen, in dem die Teilstrahlen abgebildet sind. In Fig. 11(B) ist ein Intensitätsprofils des mit der Kamera 40 aufgenommenen Bildes entlang der Richtung der kurzen Achse (y-Richtung) dargestellt. Die Strahlprofile der Teilstrahlen sind in dem Intensitätsprofil nebeneinander angeordnet. The camera 40 of the camera system 36 can record an image in which the partial beams are imaged. In Fig. 11(B), an intensity profile of the image picked up by the camera 40 along the short axis direction (y-direction) is shown. The beam profiles of the partial beams are arranged next to one another in the intensity profile.
[00113] Die Steuereinrichtung 44 kann dann auf Basis der Strahlprofile einen Fokuswert für jede der definierten Positionen bestimmen. Der Fokuswerteverlauf der bestimmten Fokuswerte ist in Fig. 11(C) dargestellt. Auf Basis der bestimmten Fokuswerte kann dann die Fokusposition durch eine entsprechend angepasste Methode bestimmt werden. The controller 44 can then determine a focus value for each of the defined positions based on the beam profiles. The focus value history of the determined focus values is shown in Fig. 11(C). On the basis of the determined focus values, the focus position can then be determined using a correspondingly adapted method.
[00114] Wenn zur Modellierung des Fokuswerteverlaufs eine Parabel angenommen wird, erhält man bei der Betrachtung von mehr als drei definierten Positionen ein überbestimmtes Gleichungssystem, dass beispielsweise mittels Ausgleichsrechnung gelöst werden kann, um die Fokusposition zu bestimmen. [00114] If a parabola is assumed to model the course of the focus values, an overdetermined system of equations is obtained when considering more than three defined positions, which system can be solved, for example, by means of a best fit calculation, in order to determine the focus position.
[00115] Alternativ kann zur Modellierung des Fokuswerteverlaufs auch eine andere Funktion verwendet werden, die ein globales Extremum aufweist, insbesondere eine Gauß- Funktion oder ein gerade Polynomfunktion mit Grad vier oder höher. Vorzugsweise ist die Anzahl der mittels des Kamerasystems 36 zu beobachtenden, definierten Positionen größer oder gleich dem Grad der Polynomfunktion plus eins. [00116] Durch die Beobachtung mehr als drei definierten Positionen kann die Fokusposition genauer berechnet werden. Außerdem ergibt sich der direkte Zugang zu Parametern wie Schärfentiefe, was in dieser Messung online möglich ist. [00115] Alternatively, another function can also be used for modeling the course of the focus values, which has a global extremum, in particular a Gaussian function or an even polynomial function with degree four or higher. The number of defined positions to be observed by means of the camera system 36 is preferably greater than or equal to the degree of the polynomial function plus one. [00116] By observing more than three defined positions, the focus position can be calculated more precisely. In addition, there is direct access to parameters such as depth of field, which is possible online in this measurement.

Claims

Patentansprüche Linienoptiksystem (10) zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (24) auf einer Arbeitsebene (26), mit: mindestens einer Laserlichtquelle (12) zum Erzeugen mindestens eines Laserstrahls (20); einer optischen Anordnung (14), die dazu eingerichtet ist, aus dem mindestens einen Laserstrahl (20) einen Beleuchtungsstrahl (22) entlang eines Strahlengangs zu erzeugen, wobei der Beleuchtungsstrahl (22) eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene (26) schneidet, wobei der Beleuchtungsstrahl (22) im Bereich der Arbeitsebene (26) die definierte Laserlinie (24) ausbildet, wobei die optische Anordnung (14) in dem Strahlengang eine Fokussiereinheit (18) mit einem Fokussierobjektiv (28) zur Fokussierung des Beleuchtungsstrahls (22) aufweist, wobei das Fokussierobjektiv (28) parallel zur Strahlrichtung bewegbar ist; einem Kamerasystem (36), das dazu eingerichtet ist, den Beleuchtungsstrahl (22) an mindestens drei definierten Positionen strahlabwärts des Fokussierobjektiv (28) zu beobachten, wobei der Beleuchtungsstrahl (22) an jeder der mindestens drei definierten Positionen einen Fokuszustand aufweist; und einer Steuereinrichtung (44), die dazu eingerichtet ist, auf Grundlage der Fokuszustände an den mindestens drei definierten Positionen eine Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs (28) zu bestimmen und eine Position des Fokussierobjektivs (28) parallel zur Strahlrichtung derart zu regeln, dass die Fokusposition in die Arbeitsebene (26) angeordnet ist. Linienoptiksystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Kamerasystem (36) strahlabwärts der Arbeitsebene (26) angeordnet ist. Linienoptiksystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Linienoptiksystem (10) eine weitere Optik (48, 50) aufweist, die strahlabwärts der Fokussiereinheit (18) angeordnet ist, wobei die weitere Optik (48, 50) dazu eingerichtet ist, den Beleuchtungsstrahl (22) aufzuteilen, wobei ein Teil des Beleuchtungsstrahls (22) in Richtung der Arbeitsebene (26) und ein weiterer Teil des Beleuchtungsstrahls (22) in Richtung des Kamerasystems (36) verläuft. Linienoptiksystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kamerasystem (36) mindestens eine Kamera (40) zum Aufnehmen mindestens eines Bildes aufweist, wobei das mindestens eine Bild Abbildungen des Beleuchtungsstrahls (22) an den mindestens drei definierten Positionen aufweist. Linienoptiksystem (10) nach Anspruch 4, wobei das Kamerasystem (36) einen Strahlteiler (42) aufweist, der dazu eingerichtet ist, den Beleuchtungsstrahl (22) in Teilstrahlen aufzuteilen, wobei die mindestens eine Kamera (40) dazu eingerichtet ist, die Teilstrahlen in dem mindestens einen Bild abzubilden, wobei die Abbildungen der Teilstrahlen den Abbildungen des Beleuchtungsstrahls (22) an den mindestens drei definierten Positionen entsprechen. Linienoptiksystem (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Steuereinrichtung (44) dazu eingerichtet ist, einen Fokuswert jedes Fokuszustandes an den mindestens drei Positionen auf Grundlage des mindestens einen Bildes zu bestimmen, wobei die Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektiv (28) auf Grundlage der bestimmten Fokuswerte bestimmt wird. Linienoptiksystem (10) nach Anspruch 6, wobei für jede Abbildung des Beleuchtungsstrahls (22) in dem mindestens einen Bild ein Strahlprofil des Beleuchtungsstrahls (22) in der Richtung der kurzen Achse bestimmt wird, wobei jeder Fokuswert auf Grundlage des Strahlprofils der entsprechenden Abbildung bestimmt wird. Linienoptiksystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Position der Arbeitsebene (26) strahlabwärts des Fokussierobjektivs vorbestimmt ist, wobei die Steuereinrichtung (44) dazu eingerichtet ist, die Position des Fokussierobjektivs (28) parallel zur Strahlrichtung derart zu regeln, dass die Fokusposition des Fokus des Fokussierobjektivs (28) von der bestimmten Fokusposition zu der Position der Arbeitsebene (26) verschoben wird. Linienoptiksystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Linienoptiksystem (10) eine Bewegungseinrichtung (30) zum Bewegen des Fokussierobjektivs (28) parallel zu der Strahlrichtung aufweist, wobei die Steuereinrichtung (44) dazu eingerichtet ist, die Bewegungseinrichtung (30) zu steuern, um die Position des Fokussierobjektivs (28) zu regeln. Linienoptiksystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die optische Anordnung (14) des Weiteren strahlführende und strahlformende Optiken (16) aufweist, die dazu eingerichtet sind, aus dem mindestens einen Laserstrahl (20) den Beleuchtungsstrahl (22) zu erzeugen. Line optics system (10) for generating a defined laser line (24) on a working plane (26), with: at least one laser light source (12) for generating at least one laser beam (20); an optical arrangement (14) which is set up to generate an illumination beam (22) from the at least one laser beam (20) along a beam path, the illumination beam (22) defining a beam direction which intersects the working plane (26), wherein the illumination beam (22) forms the defined laser line (24) in the area of the working plane (26), the optical arrangement (14) in the beam path having a focusing unit (18) with a focusing objective (28) for focusing the illumination beam (22), wherein the focusing lens (28) is movable parallel to the beam direction; a camera system (36) configured to observe the illumination beam (22) at at least three defined positions downstream of the focusing lens (28), the illumination beam (22) having a focus state at each of the at least three defined positions; and a control device (44), which is set up to determine a focus position of the focus of the focusing lens (28) on the basis of the focus states at the at least three defined positions and to regulate a position of the focusing lens (28) parallel to the beam direction in such a way that the Focus position is arranged in the working plane (26). Line optics system (10) according to claim 1, wherein the camera system (36) is arranged downstream of the working plane (26). Line optics system (10) according to Claim 1, in which the line optics system (10) has further optics (48, 50) which are arranged downstream of the focusing unit (18), the further optics (48, 50) being set up to focus the illumination beam ( 22), with part of the illumination beam (22) running in the direction of the working plane (26) and another part of the illumination beam (22) running in the direction of the camera system (36). Line optics system (10) according to one of Claims 1 to 3, the camera system (36) having at least one camera (40) for recording at least one image, the at least one image having images of the illumination beam (22) at the at least three defined positions. Line optics system (10) according to Claim 4, in which the camera system (36) has a beam splitter (42) which is set up to split the illumination beam (22) into partial beams, the at least one camera (40) being set up to convert the partial beams into to form the at least one image, the images of the partial beams corresponding to the images of the illumination beam (22) at the at least three defined positions. Line optics system (10) according to Claim 4 or 5, wherein the control device (44) is set up to determine a focus value of each focus state at the at least three positions based on the at least one image, the focus position of the focus of the focusing lens (28) being based on of the determined focus values is determined. The line optics system (10) of claim 6, wherein for each image of the illumination beam (22) in the at least one image, a beam profile of the illumination beam (22) in the short axis direction is determined, each focus value being determined based on the beam profile of the corresponding image . Line optics system (10) according to one of Claims 1 to 7, in which a position of the working plane (26) is predetermined downstream of the focusing objective, the control device (44) being set up to regulate the position of the focusing objective (28) parallel to the beam direction in such a way that that the focus position of the focus of the focusing lens (28) is shifted from the determined focus position to the position of the working plane (26). Line optics system (10) according to one of Claims 1 to 8, the line optics system (10) having a movement device (30) for moving the focusing lens (28) parallel to the beam direction, the control device (44) being set up to move the movement device (30 ) to regulate the position of the focusing lens (28). Line optics system (10) according to one of Claims 1 to 9, the optical arrangement (14) also having beam-guiding and beam-shaping optics (16) which are set up to generate the illumination beam (22) from the at least one laser beam (20). .
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