WO2023194320A1 - Device for generating a defined laser line on a working plane - Google Patents
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- WO2023194320A1 WO2023194320A1 PCT/EP2023/058708 EP2023058708W WO2023194320A1 WO 2023194320 A1 WO2023194320 A1 WO 2023194320A1 EP 2023058708 W EP2023058708 W EP 2023058708W WO 2023194320 A1 WO2023194320 A1 WO 2023194320A1
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Classifications
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
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- B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
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- B23K26/073—Shaping the laser spot
- B23K26/0738—Shaping the laser spot into a linear shape
Definitions
- the present invention relates to laser systems for optically generating line-shaped illumination in a working plane.
- Such a device is basically known from WO 2018/019374.
- the line-shaped laser illumination of such a device can advantageously be used to thermally process a workpiece.
- the workpiece can, for example, be a plastic material on a glass plate that 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, tablet PCs, televisions and other devices with screen displays.
- the film After producing the electronic structures, the film must be removed from the glass carrier. 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 thereby breaks 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.
- 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 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.
- SLA Solid State Laser Annealing
- SLS Sequential Lateral Solidification
- ELA Excimer Laser Annealing
- a laser line is required on the working plane which is as long as possible in one direction in order to cover the widest possible working surface and which, in comparison, is very short in the other direction in order to be suitable for the respective process to provide the required energy density. Accordingly, it is desirable a long, thin laser line with a very large aspect ratio of line length to line width. For typical applications, a line length of 1000mm or even more, sometimes even over 2000mm, with a line width 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.
- Line focus systems as disclosed in WO 2018/019374 A1, generally include one or more large optics for generating long but thin laser lines.
- the extent of the large optics is typically greater than the length of the line in the working plane.
- the problem is that the large optics represent a significant cost item.
- the complexity associated with the production of such large-scale optics is increasing, particularly when producing very large line lengths.
- a device for generating a defined laser line on a working plane with several laser light sources, each of which is set up to generate a laser beam bundle of predefined divergence, the laser beam bundles define a beam direction that intersects the working plane, and are designed to overlap at a first distance in front of the working plane, and wherein the laser beam bundle in the area of the working plane has a beam profile which has a long axis perpendicular to the beam direction with a long axis beam width and a short axis with a short-axis beam width, and a first optical arrangement which is set up to generate a predefined beam profile in the short axis in the working plane, characterized in that the device further comprises a second optical arrangement which has a plurality of separate second ones Has subunits that are designed to generate an angularly homogeneous beam profile in the long axis in the working plane.
- laser light source does not necessarily mean a source in which the laser light is generated. This can be any arrangement from which laser light emanates in the form of a laser beam with a defined divergence.
- the distance A is defined as the distance starting from the laser light sources.
- the second subunits are each designed to generate an angle-homogeneous beam profile in the long axis in the working plane.
- angularly homogeneous is to be understood as meaning that the spectrum of the angles of incidence of the laser beams arriving on the working plane is homogeneous, i.e. that the angular distribution and/or the angular spectrum of the incident beams at every point of a laser line (to be stitched) along the long axis (or at least in a central area along the long axis) on or in the working plane is the same.
- the angle of incidence of the laser beams on the working plane is defined as an angle relative to a surface normal of the working plane.
- the second optical arrangement In order to obtain such angles of incidence on the working plane, the second optical arrangement must have a telecentric (image-side) create a real image.
- the beam cones of the laser beams all hit the image plane or working plane perpendicularly.
- other (homogeneous) angles of incidence are also conceivable.
- the device mentioned is particularly suitable for SLA applications.
- the angle of incidence of the individual laser beams does not play an important role when annealing architectural glass using an infrared (lR) line
- the SLA process is extremely sensitive to the angular spectrum of the incident light.
- the laser beam bundles generated by different laser light sources do not pass through a common optical element which contributes to the overlap of the laser beam bundles and/or which influences the laser beam bundles in the long axis and/or which has an effect on the laser beam bundles in the has a long axis.
- the device according to the invention does not have such an optical element. This means that in particular several small optics can be used, which are assigned to the respective laser beam bundles. These are easier to handle and integrate than large-sized optics.
- the second optical arrangement is arranged in the beam path of the plurality of laser beam bundles in the beam direction in front of the first distance.
- the second subunits are arranged at a location in the beam path where the individual beam bundles of the multiple laser light sources do not yet overlap.
- the beam profile of each individual beam bundle can be processed or influenced separately in the long axis.
- the arrangement mentioned creates several optical channels (beam channels) that can be addressed separately. In the event that due to a material defect or similar. If the line profile in the long axis in the working plane does not turn out as desired, it is sufficient to replace the corresponding faulty second subunit instead of having to replace an entire large optics system.
- the laser light sources are arranged at an equidistant distance from one another and/or the second subunits are arranged at an equidistant distance from one another.
- the distance can be a distance in the lateral direction, i.e. a direction transverse to the beam direction, or a distance in the direction of the beam path.
- the laser light sources are preferably arranged at an equidistant distance in a line parallel to the x-direction or the working plane.
- at least some of the second subunits are arranged at an equidistant distance in a line parallel to the x-direction or the working plane. It is particularly conceivable that the second subunits are arranged in groups at equidistant intervals in a line parallel to the working plane.
- both the laser light sources and the second optical subunits are arranged at an equidistant distance in a line parallel to the x-axis or the working plane, the laser lines from the individual beam bundles can easily form a long laser line be “stitched” together. Depending on the divergence of the beam bundles and the distance between the laser light sources, a homogeneous intensity curve of the stitched line in the working plane can be achieved.
- the second subunits can be displaced and/or tilted in a direction parallel and/or perpendicular to the working plane.
- This embodiment is advantageous in order to achieve the desired line profile on the working plane by adjusting corresponding subunits. In particular, this can It must be ensured that the beam profile of the laser line in the working plane is homogeneous in terms of angle and intensity.
- the second subunits comprise a homogenizer which is designed to distribute laser beams of the laser beam bundle homogeneously, in particular angularly homogeneously, in the long axis.
- the second subunits each comprise a homogenizer.
- the homogenizer is designed to generate both a homogeneous intensity spectrum and a homogeneous angular spectrum in the long axis.
- the homogenizer preferably acts in such a way that different beam segments of the laser beam striking it are mixed and/or superimposed on one another.
- the homogenizer can, for example, comprise at least one lens array, wherein the at least one lens array can have a plurality of cylindrical lenses extending along respective cylinder axes.
- the cylindrical lenses are geometrically dimensioned such that the laser beam passes through a large number of cylindrical lenses lying next to one another.
- the homogenizer can be an imaging or a diffractive homogenizer.
- the second subunits comprise a transformer which is designed to expand one of the laser beam bundles along the long axis.
- the aspect ratio of the laser beam bundle can be optimized (even further and/or more efficiently) with regard to the desired laser line in the working plane.
- the transformer can, for example, comprise a transparent, monolithic, plate-shaped element, the element having a front side and a back side parallel to the front side.
- the front and back preferably have a reflective coating, so that an incident laser beam experiences multiple reflections within the plate-shaped element before it emerges expanded on the back.
- the transformer can be implemented as or with the aid of a diaphragm. Basically, the transformer leaves the angular distribution of a laser beam untouched.
- the second subunits comprise a beam splitter which is designed to divide one of the laser beam bundles into a plurality of partial beams.
- the beam splitter leaves the angular distribution of a laser beam untouched. Accordingly, in devices which only have a beam splitter in a laser beam bundle as a second optical arrangement (and in which no further optical arrangement influences the angular distribution in the long axis), a homogeneous angular spectrum in the working plane is only possible if this is in the Beam splitter incoming laser beam bundle is already angularly homogeneous.
- the first optical arrangement has a plurality of first subunits that are separate from one another.
- the first subunits can include, for example, a transformer or a beam splitter.
- Other optical devices, such as a focusing unit acting in the short axis, are also conceivable.
- the first subunits can be displaced parallel and/or perpendicular to the working plane.
- the first subunits are each set up to generate a predefined beam profile in the short axis in the working plane.
- the first subunits generate a rectangular intensity profile (so-called top hat profile) or a Gaussian profile in the short axis.
- only one or more further optical arrangements are arranged between the second optical arrangement and the working plane, which have no influence on the angular spectrum of the laser beam bundles in the long axis. This ensures that the homogeneous angular spectrum generated by the second optical arrangement is not destroyed in front of the working plane or before it hits the workpiece to be machined or that no inhomogeneities are introduced.
- the order of the first, second and each further optical arrangement in the beam direction is arbitrary.
- the first optical arrangement can be arranged in front of the second optical arrangement or behind the second optical arrangement, as long as it does not influence the angular spectrum of the laser beam bundle in the long axis.
- the only decisive factor is that the image generated by the second optical arrangement in the long axis towards the working plane is not destroyed by the first and/or a further optical arrangement.
- What is particularly crucial is that there is no arrangement downstream of the second optical arrangement that imprints a phase on the respective laser beams with respect to the long axis or that has a phase-changing effect in the long axis.
- the laser light sources are UV sources, in particular UV sources whose laser beam bundles have a beam profile of the same intensity.
- UV laser beams are particularly required in SLA applications.
- the same intensities of the laser beam bundles enable simpler optical arrangements, in particular a simpler third optical arrangement, since with this configuration a homogeneous intensity spectrum in the long axis is easier to achieve.
- 1A shows a first exemplary embodiment of the new device
- 1B shows the intensity profile of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in a first plane
- FIG. 1C shows the intensity curve of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in a second plane
- 1D shows the intensity curve of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in a third plane
- FIG. 1E shows the intensity curve of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in a fourth plane
- FIG. 3 shows a simplified, schematic representation of several identical sources and the laser beam bundles generated by the sources
- 5A shows a first exemplary embodiment of an arrangement of beam splitters and a mirror
- 5B shows a second exemplary embodiment of an arrangement of beam splitters and a mirror
- FIG. 6A shows an exemplary embodiment of a transformer
- FIG. 6B shows an exemplary embodiment of an arrangement of transformers
- FIG. 7A shows a first exemplary embodiment of a homogenizer
- Fig. 7B shows a second embodiment of a homogenizer.
- a first exemplary embodiment of the new device is designated in its entirety by reference number 10.
- the device 10 has several laser light sources (not shown) which generate laser light in the ultraviolet range and radiate it in the z direction.
- the laser light sources are arranged at equal distances from one another on a line that runs parallel to the working plane 24 and the x-axis.
- the laser light sources emit laser beam bundles 16a, 16b and 16c of the same divergence and intensity in the direction of the working plane 30.
- the laser beam bundles 16a, 16b and 16c strike a second optical arrangement 18 in front of a first distance A (not shown).
- the three second optical subunits 18a, 18b and 18c include three transformers 24a, 24b and 24c and wherein the three second optical subunits 18d, 18e and 18f include three homogenizers 22a, 22b and 22c.
- the transformers are designed to expand the laser beam bundle directed at them with a predefined divergence in the x direction. This means that the transformers each generate a laser beam of predefined divergence. More precisely, the transformers generate a trapezoidal intensity profile of the laser beam bundles in the x direction.
- the three homogenizers 22a, 22b and 22c are each arranged in one of the three laser beam bundles 16a, 16b and 16c.
- the device includes a first optical arrangement, which is not shown in FIG. 1A, as are the laser light sources.
- the device 10 generates a laser line (not shown here) in the area of the working plane 30 in order to process a workpiece (not shown here) that is placed in the area of the working plane 30.
- the laser line runs in a direction parallel to the x-axis.
- the laser line has a line width, which is viewed here in the direction of a y-axis running orthogonally to the x-axis (and z-axis). Accordingly, the x-axis corresponds to the long axis and the y-axis corresponds to the short axis of the beam profile formed on the working plane 30.
- the beam profile has a long axis LA with a long-axis beam width in the x-direction and a short axis SA with a short-axis beam width in the y-direction.
- the respective beam width can be, for example, the width of the intensity profile I (x, y) at 50% of the maximum intensity (FWHM, Full Width at Half Maximum) or, for example, the width between the 90% intensity values (Full Width at 90% Maximum, FW@90%) or defined in another way.
- the workpiece may include a surface layer of amorphous silicon, which is converted to polycrystalline silicon using the laser line.
- the laser line can be moved in a direction of movement relative to the workpiece in the working plane of the working plane 30.
- the laser beam bundles 16a, 16b and 16c Due to the divergence of the laser beam bundles 16a, 16b and 16c, after a certain path length, the first distance A, the laser beam bundles 16a, 16b and 16c are superimposed downstream of the beam (i.e. in the z direction). In fact, from the first level 32 onwards, beam bundles 16a, 16b and 16c are superimposed. Downward from the beam towards the fourth level 36, the overlapping of the individual bundles increases more and more.
- the position of the working plane 30 is chosen so that the laser beam bundles 16a, 16b and 16c are superimposed here in such a way that a homogeneous intensity profile of the laser line is created.
- the intensity profile of the laser light on the working plane 30 is homogeneous. Due to the homogenizers 22a, 22b and 22c, the laser beam bundles 16a, 16b and 16c have a homogeneous intensity spectrum when viewed individually, but the superimposition of the beam bundles in the area of the fourth level creates 36 intensity peaks which destroy the homogeneous intensity curve. This can also be seen from FIG.
- FIG. 1 E which shows the intensity spectrum of the laser line in the fourth plane 36 in the x direction.
- the intensity curve in the first and second levels 32 and 34 is also not completely homogeneous, since some areas in these levels are less illuminated than others. This can be seen in Figures 1B and 1C, which show the intensity curve in levels 32 and 34, respectively. Only in the third level or the working plane 30 is there not only a homogeneous angle spectrum but also a homogeneous intensity spectrum of the laser line (see FIG. 1 D).
- FIG. 1 B shows the intensity curve of the laser line generated by the device shown in FIG. 1 A in the first plane 32.
- the intensity curve l(x) is in particular along the long axis, i.e. in the x direction.
- the intensity profile of the individual laser beams 16a, 16b and 16c is trapezoidal along this axis. Because the intensity profile of the individual laser beam bundles 16a, 16b and 16c is trapezoidal and the overlap of the individual laser beam bundles 16a, 16b and 16c in the first plane 32 is still quite small, dips in intensity occur at the overlapping points.
- 1C shows the intensity curve of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in the second plane 34.
- the intensity curve l(x) is shown in particular along the long axis, i.e. in the x direction. Because the overlap of the individual laser beam bundles 16a, 16b and 16c in the second level 34 is slightly larger than in the first level 32, the intensity drops are somewhat smaller than in FIG. 1 B.
- 1D shows the intensity curve l(x) of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in the third plane or the working plane 30.
- the overlap of the laser beam bundles 16a, 16b and 16c is such that The resulting intensity profile l(x) is largely homogeneous (i.e. constant). This means that the intensity of the laser line at the locations of overlapping laser beam bundles is (essentially) the same as at the locations where there is no overlap.
- FIG. 1 E shows the intensity curve l(x) of the laser line generated by the device shown in FIG. 1 A in the fourth plane 36.
- the overlap of the trapezoidal intensity curves of the individual laser beam bundles is already so large that intensity peaks arise in the intensity profile l(x) of the combined laser line.
- the optical arrangement includes a (non-imaging) homogenizer 22, comprising a microlens array and a focusing unit 28.
- a beam 16 hits the microlens array.
- the microlens array is set up to mix or superimpose individual beam segments of the laser beam bundle 16, so that the intensity curve is homogenized with respect to the direction in which the beam bundle cross section extends elongated (here x direction).
- the microlens array which produces a telecentric image or a homogeneous angular spectrum, is followed downstream of the beam (ie in the z direction) by a plano-convex lens as a focusing unit 28.
- the distance a between the homogenizer 22 and the focusing unit 28 is dimensioned such that the Lens images the homogeneous angular spectrum on the working plane 30 or produces an image that is telecentric.
- the distance a just corresponds to the focal length of the lens (so-called “2f setup”).
- the distance a is selected such that the angular spectrum of the laser beams relative to the surface normal of the working plane 30 is the same at every point on the working plane 30.
- the optical arrangement shown here also consists of a homogenizer 22 and a focusing unit 28 in the form of a lens.
- the structure shown in Fig. 2B differs from the structure shown in Fig. 2A only in the size of the distance a between the homogenizer 22 and the focusing unit 28.
- the selected distance a causes the line length of the laser beam to be along the x- Direction on the working plane 30 is longer than the extent of the focusing unit in this dimension. This means that stitching with homogeneous intensity is fundamentally possible.
- the distance a chosen in Figure 2B is such that the image produced by the lens is not telecentric.
- the angular spectrum of the laser beams arriving on the working plane 30 is therefore not homogeneous. Shown as an example is a point on the working plane 30 at which the angle of incidence is 0>0°, as well as a point at which the angle of incidence is 0 ⁇ 0°. Such an arrangement is therefore not suitable for SLA applications.
- FIG. 3 shows a simplified, schematic representation of several identical sources 12a, 12b, 12c and 12d and the laser beam bundles 16a, 16b, 16c and 16d generated by the sources 12a, 12b, 12c and 12d.
- the sources 12a, 12b, 12c and 12d generate beams 16a, 16b, 16c and 16d with a Gaussian profile in the x-axis, the beams 16a, 16b, 16c and 16d each having the same divergence.
- the sources 12a, 12b, 12c and 12d are arranged at equidistant distances from one another along a line along the x-axis.
- the laser beam bundles 16a, 16b, 16c and 16d Due to the divergence of the laser beam bundles 16a, 16b, 16c and 16d, it occurs in the z direction (ie downstream) from a certain distance away Sources to superimpose the individual, initially separated laser beam bundles. Shown in particular are the planes E1, E2, E3 and E4 that run parallel to the x-axis, as well as (schematically) the intensity profiles of the individual beam bundles that arise in these planes along the x-axis.
- the individual laser beam bundles 16a, 16b, 16c and 16d are still separated from one another. This means that in this level the Gaussian profiles are clearly separated from each other.
- plane E2 there is already slight overlapping of the laser beam bundles, which is expressed in the intensity curve in the y-direction in plane E2 by a superposition of the Gaussian profiles.
- An envelope with a fluctuating intensity curve is created.
- the overlays are such that the intensity profile of the envelope is essentially constant along the x-direction (except at the edges).
- the intensity spectrum in plane E3 is therefore homogeneous.
- the overlap of the individual beam bundles is already so large that several intensity maxima arise in the envelope. This means that in plane E4 the intensity spectrum along the x-axis is not homogeneous.
- the Gaussian beams generated by the laser light sources 12a, 12b, 12c and 12c are angularly homogeneous or generate an angularly homogeneous spectrum in the respective planes E1 to E4.
- the Gaussian beams generated by the laser light sources 12a, 12b, 12c and 12c are angularly homogeneous or generate an angularly homogeneous spectrum in the respective planes E1 to E4.
- the device 10 has a first optical arrangement 14 in addition to the second optical arrangement 18, consisting of the transformers 24a, 24b and 24c and the homogenizers 22a, 22b and 22c as six second optical subunits 18a to 18f , consisting of a total of nine first subunits 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h and 14i.
- the subunits form a focusing unit in beams with respect to the short axis (SA).
- SA short axis
- the first subunits 14a, 14d and 14g form a focusing unit for the laser beam bundle 16a.
- the first subunits 14b, 14e and 14h form a focusing unit for the laser beam 16b and the first subunits 14c, 14f and 14i form a focusing unit for the laser beam 16c.
- the first optical arrangement 14 is arranged downstream of the beam (ie in the z direction) behind the second optical arrangement 18 (transformers and homogonizers).
- the first optical arrangement 14 is also located in an area in which the individual beam bundles 16a, 16b and 16c do not yet overlap.
- the first optical arrangement is also located in the z-direction in front of the first distance A.
- the individual optical channels comprising the optics in the respective beam bundles 16a, 16b and 16c, can be addressed separately.
- a subunit malfunctions, it is sufficient to replace the corresponding subunit. The replacement of any large optics and the associated inconveniences and costs are therefore eliminated.
- the first optical arrangement 14 includes a focusing unit in the respective channels, which is set up to generate a Gaussian or Tophat profile in the short axis (i.e. in the y direction), the width of which is approximately 20pm .
- the individual first and second subunits are (each) adjustable separately from one another in lateral and longitudinal degrees of freedom.
- the subunits shown can be moved (each) in the x, y and z directions.
- the subunits may further be tilted in one of these directions.
- the line profiles resulting from the individual optical channels on the working plane 30 can thus be in can be easily manipulated and stitched into a “smooth” overall line in the working plane, ie into an overall line which is homogeneous in terms of both intensity and angle in the working plane 30.
- the first optical arrangement 18 In principle, in order to realize an angle-homogeneous spectrum in the long axis of the respective laser beam bundles and to address the individual channels with respect to the long axis, it is not necessary to subdivide the first optical arrangement 18 into a plurality of first subunits. In principle, any large optics known from the prior art can be used for this.
- FIG. 5A shows a first exemplary embodiment of an arrangement of beam splitters and a mirror.
- FIG. 5A shows a first beam splitter 26a, which separates an incoming laser beam 16 into two partial beams or partial beam bundles. While one of the two partial beam bundles is guided in the z direction, the other partial beam bundle illuminates a second beam splitter 26b, which is located behind the first beam splitter in the x direction. This in turn divides the partial beam hitting it into two further partial beams.
- Another partial radiator 26c further separates the incident beam bundle.
- the laser beam bundle emanating from the beam splitter 26c in the x direction is then deflected in the z direction by a mirror 38.
- the optical arrangement shown in FIG. 5A can therefore be used in combination with a source that emits an angle-homogeneous spectrum as a second subunit for the device 10 disclosed here.
- the use of a beam splitter is also conceivable in the first optical arrangement 18 of the device 10. Since a beam splitter has no influence on the angular spectrum of a laser beam, it can in principle also be placed downstream behind the second optical arrangement.
- FIG. 5B shows a second embodiment of an arrangement of beam splitters and a mirror.
- the beam splitter 26a is irradiated not only with a laser beam 16 from the x-direction but also with a laser beam 17 from the z-direction. This allows the intensity of the outgoing laser beam bundles 16' to be increased.
- the arrangement of the second exemplary embodiment can also serve as a second optical subunit for the device 10. Nevertheless, the beam splitter can be used in other optical arrangements of the device 10.
- FIG. 6A shows an exemplary embodiment of a transformer 24.
- the transformer 24 expands an incoming laser beam bundle 16 into a wider laser beam bundle 16′.
- the transformer 24 is implemented like the transformer that is described in detail in the aforementioned WO 2018/019374 A1. Accordingly, WO 2018/019374 A1 is incorporated herein by reference in relation to the transformer.
- the transformer of the exemplary embodiment shown comprises a transparent (for the incoming laser beam) monolithic plate-shaped element with a front side and a back side running parallel to the front side. The front and back have a reflective coating on the inside of the element, so that the incident beam 16 experiences multiple reflections within the element (not shown here) before it expands, i.e.
- the transformer 24 can be used in the device according to the invention as the sole component of a second optical subunit. Nevertheless, it can also simply be part of a second optical subunit, which further comprises, for example, a homogenizer.
- FIG. 6B shows an exemplary embodiment of an arrangement of transformers 24.
- transformers 24a, 24b, 24c and 24d are arranged in a row parallel to the x-axis. From the z direction, the transformers are each illuminated with a laser beam bundle 16a, 16b, 16c or 16d.
- the transformer 24a converts the laser beam 16a into a beam 16a'.
- the laser beam bundle 16a' has a significantly larger width along the x-axis. The aspect ratio of the incoming bundle was thus changed.
- the transformers 24b, 24c and 24d in turn expand the laser beams 16b, 16c and 16d into the laser beams 16b', 16c' and 16d' as well.
- the optical assembly shown in Figure 6B may be used as part of a second optical assembly 18 for the device 10.
- the transformers enable a homogenizer downstream of the beam to receive broad illumination, thus enabling easy stitching of adjacent laser lines. It is also conceivable that the transformers shown serve alone as a second optical arrangement 18. A homogeneous angular distribution on the working plane is But then only possible if the incoming laser beam bundles 16a, 16b, 16c and 16d are already angularly homogeneous.
- the homogenizer 22 includes a microlens array.
- a laser beam bundle 16 on the input side is separated into equidistantly separated beams or beam bundles of the same divergence via the microlens array.
- the (imaging) homogenizer 22 comprises two microlens arrays.
- the first microlens array viewed downstream, is used to split the incident beam into multiple beams, while the second microlens array (viewed downstream) causes the images of the individual beams of the first array to be superimposed and projected onto the working plane (not shown).
- an input-side laser beam bundle 16 is separated into equidistantly separated beams of the same divergence.
Landscapes
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Abstract
The invention relates to a device (10) for generating a defined laser line on a working plane (24), having multiple laser light sources (12a, 12b), each of which is designed to generate a laser beam bundle (16a, 16b, 16c) with a defined divergence. The laser beam bundles (16a, 16b, 16c ) define a beam direction (z) which intersects the working plane (30) and are designed to overlap in front of the working plane (30) at a first distance (A) thereto, and the laser beam bundles (16a, 16b, 16c) have a beam profile in the region of the working plane (30), said beam profile having a long axis (LA) with a long axis beam width and a short axis (SA) with a short axis beam width perpendicularly to the beam direction (z). The device (10) additionally has a first optical assembly (14) which is designed to generate a defined beam profile in the short axis (SA) on the working plane (30). The device (10) is characterized in that it additionally comprises a second optical assembly (18) which has multiple separate second sub-units (18a, 18b, 18c) which are designed to generate a beam profile with a homogenous angle in the long axis (LA) on the working plane (30).
Description
Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene Device for generating a defined laser line on a working plane
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lasersysteme zur optischen Erzeugung einer linienförmigen Beleuchtung in einer Arbeitsebene. The present invention relates to laser systems for optically generating line-shaped illumination in a working plane.
[0002] Eine solche Vorrichtung ist dem Grunde nach aus WO 2018/019374 bekannt. [0002] Such a device is basically known from WO 2018/019374.
[0003] Die linienförmige Laserbeleuchtung einer solchen Vorrichtung kann vorteilhaft dazu verwendet werden, um ein Werkstück thermisch zu bearbeiten. Das Werkstück kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial auf einer Glasplatte sein, die als Trägermaterial dient. Das Kunststoffmaterial kann insbesondere eine Folie sein, auf der organische lichtemittierende Dioden, sogenannte OLEDs, und/oder Dünnschichttransistoren hergestellt werden. OLED-Folien werden zunehmend für Displays in Smartphones, Tablet-PCs, Fernsehgeräten und anderen Geräten mit Bildschirmanzeige verwendet. Nach Herstellung der elektronischen Strukturen muss die Folie von dem Glasträger gelöst werden. Dies kann mit einer Laserbeleuchtung in Form einer dünnen Laserlinie geschehen, die mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Glasplatte bewegt wird und dabei die Haftverbindung der Folie durch die Glasplatte hindurch löst. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als LLO bzw. Laser Lift Off bezeichnet. The line-shaped laser illumination of such a device can advantageously be used to thermally process a workpiece. The workpiece can, for example, be a plastic material on a glass plate that 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, tablet PCs, televisions and other devices with screen displays. After producing the electronic structures, the film must be removed from the glass carrier. 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 thereby breaks 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 silicon on a carrier plate. Here too, the laser line is moved at a defined speed relative to the workpiece surface. By melting and then cooling, the comparatively inexpensive amorphous silicon can be converted into higher-quality polycrystalline silicon. 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 1000mm oder sogar mehr, teilweise sogar über 2000mm, bei einer Linienbreite in einer Größenordnung von 20pm wünschenswert sein. Man bezeichnet die Richtung, in der die Laserlinie verläuft, üblicherweise als lange Achse (LA, long axis) und die Linienbreite als kurze Achse (SA, Short Axis) des sogenannten Strahlprofils. In der Regel soll die Laserlinie in beiden Achsen einen definierten Intensitätsverlauf aufweisen. For such applications, a laser line is required on the working plane which is as long as possible in one direction in order to cover the widest possible working surface and which, in comparison, is very short in the other direction in order to be suitable for the respective process to provide the required energy density. Accordingly, it is desirable a long, thin laser line with a very large aspect ratio of line length to line width. For typical applications, a line length of 1000mm or even more, sometimes even over 2000mm, with a line width 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.
[0006] Linienfokussysteme, wie in der WO 2018/019374 A1 offenbart, umfassen zur Erzeugung langer, aber dünner Laserlinien in der Regel eine oder mehrere Großoptiken. Die Ausdehnung der Großoptiken ist dabei typischerweise größer als die Länge der Linie in der Arbeitsebene. Problematisch ist, dass die Großoptiken einen erheblichen Kostenpunkt darstellen. Insbesondere zur Erzeugung sehr großer Linienlängen wächst die Komplexität in Bezug auf die Fertigung solcher Großoptiken. Darüber hinaus ergibt sich bei der Erzeugung von Laserlinien von 1500mm oder mehr bei der Verwendung von Großoptiken auch oftmals ein Platzproblem was die Größe typischer Versuchs- bzw. Arbeitskammern angeht. [0006] Line focus systems, as disclosed in WO 2018/019374 A1, generally include one or more large optics for generating long but thin laser lines. The extent of the large optics is typically greater than the length of the line in the working plane. The problem is that the large optics represent a significant cost item. The complexity associated with the production of such large-scale optics is increasing, particularly when producing very large line lengths. In addition, when generating laser lines of 1500mm or more when using large optics, there is often a space problem in terms of the size of typical test or working chambers.
[0007] Weiterhin ist zu bedenken, dass für die verschiedenen Anwendungen von Linienfokussystemen auch verschiedene weitere Kriterien eine Rolle spielen. Tatsächlich genügt eine optische Anordnung, wie sie beispielsweise in der WO 2018/019374 A1 offenbart ist, den Anforderungen für eine präzise SLA-Anwendung in keiner Weise. [0007] Furthermore, it should be borne in mind that various other criteria also play a role for the various applications of line focus systems. In fact, an optical arrangement, such as that disclosed in WO 2018/019374 A1, in no way meets the requirements for a precise SLA application.
[0008] Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Linienfokussystem anzugeben, mit dem große Linienlängen ohne Qualitätseinbußen, aber bei geringeren Kosten, erzeugt werden können, und zwar insbesondere für SLA- Anwendungen. Against this background, it is an object of the present invention to provide an improved line focus system with which large line lengths can be produced without loss of quality but at lower costs, particularly for SLA applications.
[0009] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zu Lösung dieser Aufgabe eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene vorgeschlagen, mit mehreren Laserlichtquellen, die jeweils dazu eingerichtet sind ein Laserstrahlbündel vordefinierter Divergenz zu erzeugen, wobei die Laserstrahlbündel
eine Strahlrichtung definieren, die die Arbeitsebene schneidet, und dazu ausgestaltet sind, sich in einem ersten Abstand vor der Arbeitsebene zu überlappen, und wobei die Laserstrahlbündel im Bereich der Arbeitsebene ein Strahlprofil besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist, und einer ersten optischen Anordnung, die dazu eingerichtet ist, in der Arbeitsebene ein vordefiniertes Strahlprofil in der kurzen Achse zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine zweite optische Anordnung umfasst, die mehrere, voneinander getrennte zweite Untereinheiten aufweist, die dazu eingerichtet sind, in der Arbeitsebene ein winkelhomogenes Strahlprofil in der langen Achse zu erzeugen. According to one aspect of the present invention, to solve this problem, a device for generating a defined laser line on a working plane is proposed, with several laser light sources, each of which is set up to generate a laser beam bundle of predefined divergence, the laser beam bundles define a beam direction that intersects the working plane, and are designed to overlap at a first distance in front of the working plane, and wherein the laser beam bundle in the area of the working plane has a beam profile which has a long axis perpendicular to the beam direction with a long axis beam width and a short axis with a short-axis beam width, and a first optical arrangement which is set up to generate a predefined beam profile in the short axis in the working plane, characterized in that the device further comprises a second optical arrangement which has a plurality of separate second ones Has subunits that are designed to generate an angularly homogeneous beam profile in the long axis in the working plane.
[0010] Der Begriff „Laserlichtquelle“ ist dabei nicht notwendigerweise eine Quelle, in der das Laserlicht erzeugt wird. Es kann sich dabei um jede beliebige Anordnung handeln von der- Laserlicht in Form eines Laserstrahlbündels mit einer definierten Divergenz ausgeht. [0010] The term “laser light source” does not necessarily mean a source in which the laser light is generated. This can be any arrangement from which laser light emanates in the form of a laser beam with a defined divergence.
[0011] Der Abstand A ist definiert als Abstand ausgehend von den Laserlichtquellen. The distance A is defined as the distance starting from the laser light sources.
[0012] Vorzugsweise sind die zweiten Untereinheiten jeweils dazu eingerichtet, in der Arbeitsebene ein winkelhomogenes Strahlprofil in der langen Achse zu erzeugen. Preferably, the second subunits are each designed to generate an angle-homogeneous beam profile in the long axis in the working plane.
[0013] Der Begriff „winkelhomogen“ ist so zu verstehen, dass das Spektrum der Einfallswinkel der auf der Arbeitsebene eintreffenden Laserstrahlen homogen ist, dass also die Winkelverteilung und/oder das Winkelspektrum der einfallenden Strahlen an jeder Stelle einer (zu stitchenden) Laserlinie entlang der langen Achse (bzw. zumindest in einem zentralen Bereich entlang der langen Achse) auf bzw. in der Arbeitsebene gleich ist. Der Einfallswinkel der Laserstrahlen auf der Arbeitsebene ist dabei definiert als Winkel gegenüber einer Oberflächennormalen der Arbeitsebene. Vorzugsweise beträgt der Einfallswinkel, der typischerweise als Winkel 0 bezeichnet wird, 0 = 0°. Um derartige Einfallswinkel auf der Arbeitsebene zu erhalten, muss die zweite optische Anordnung eine (bildseitige) telezent-
rische Abbildung erzeugen. Die Strahlenkegel der Laserstrahlen treffen damit alle senkrecht auf die Bildebene bzw. Arbeitsebene. Je nach Anwendung sind aber auch andere (homogene) Einfallswinkel denkbar. The term “angularly homogeneous” is to be understood as meaning that the spectrum of the angles of incidence of the laser beams arriving on the working plane is homogeneous, i.e. that the angular distribution and/or the angular spectrum of the incident beams at every point of a laser line (to be stitched) along the long axis (or at least in a central area along the long axis) on or in the working plane is the same. The angle of incidence of the laser beams on the working plane is defined as an angle relative to a surface normal of the working plane. Preferably, the angle of incidence, typically referred to as angle 0, is 0 = 0°. In order to obtain such angles of incidence on the working plane, the second optical arrangement must have a telecentric (image-side) create a real image. The beam cones of the laser beams all hit the image plane or working plane perpendicularly. Depending on the application, other (homogeneous) angles of incidence are also conceivable.
[0014] Durch das erzeugte homogene Winkelspektrum eignet sich die genannte Vorrichtung insbesondere für SLA-Anwendungen. Denn während beispielsweise beim Annealing von Architekturglas mittels einer I nfrarot(l R)-Linie der Einfallswinkel der einfallenden einzelnen Laserstrahlen keine gewichtige Rolle spielt, ist der SLA-Prozess äußerst sensitiv gegenüber dem Winkelspektrum des einfallenden Lichtes. Due to the homogeneous angular spectrum generated, the device mentioned is particularly suitable for SLA applications. For example, while the angle of incidence of the individual laser beams does not play an important role when annealing architectural glass using an infrared (lR) line, the SLA process is extremely sensitive to the angular spectrum of the incident light.
[0015] Durch die Verwendung mehrerer Laserlichtquellen, die (jeweils) lange, aber dünne Laserlinien erzeugen, entsteht bei entsprechender Anordnung der Quellen in der Arbeitsebene eine Laserlinie großer Länge. Das Verfahren, kurze Laserlinien zu einer langen Laserlinie zusammenzufügen, wird als „Stitching“ bezeichnet. Bei der vorliegenden Vorrichtung ergibt sich eine hohe Kostenersparnis aus der Verwendung mehrerer (entsprechend kleiner) zweiter Untereinheiten zur Erzeugung des Strahlprofils in der langen Achse. Dadurch kann nämlich auf die Verwendung kostenintensiver Großoptiken, die in der langen Achse wirken sollen, verzichtet werden. By using several laser light sources, which (each) generate long but thin laser lines, a laser line of great length is created when the sources are arranged accordingly in the working plane. The process of combining short laser lines into one long laser line is called “stitching”. In the present device, a high cost saving results from the use of several (correspondingly small) second subunits to generate the beam profile in the long axis. This means that the use of costly large optics that are supposed to work in the long axis can be dispensed with.
[0016] Angesichts dessen ist die oben genannte Aufgabe vollständig gelöst. [0016] In view of this, the above-mentioned task is completely solved.
[0017] Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die von unterschiedlichen Laserlichtquellen erzeugten Laserstrahlbündel kein gemeinsames optisches Element durchlaufen, welches zur Überlappung der Laserstrahlbündel beiträgt und/oder welches die Laserstrahlbündel in der langen Achse beeinflusst und/oder welches eine Wirkung auf die Laserstrahlbündel in der langen Achse hat. Insbesondere weist die erfindungsgemäße Vorrichtung kein solches optisches Element auf. Dadurch können insbesondere mehrere kleine Optiken eingesetzt werden, welche den jeweiligen Laserstrahlbündeln zugeordnet sind. Diese sind im Vergleich zu einer groß dimensionierten Optik leichter handhabbar und integrierbar. In particular, it can be provided that the laser beam bundles generated by different laser light sources do not pass through a common optical element which contributes to the overlap of the laser beam bundles and/or which influences the laser beam bundles in the long axis and/or which has an effect on the laser beam bundles in the has a long axis. In particular, the device according to the invention does not have such an optical element. This means that in particular several small optics can be used, which are assigned to the respective laser beam bundles. These are easier to handle and integrate than large-sized optics.
[0018] In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite optische Anordnung im Strahlengang der mehreren Laserstrahlbündel in Strahlrichtung vor dem ersten Abstand angeordnet sind.
[0019] Mit anderen Worten, sind die zweiten Untereinheiten an einem Ort des Strahlengangs angeordnet, an dem sich die einzelnen Strahlbündel der mehreren Laserlichtquellen noch nicht überlappen. Auf diese Weise kann das Strahlprofil jedes einzelnen Strahlbündels in der langen Achse separat bearbeitet bzw. beeinflusst werden. Durch die genannte Anordnung entstehen also mehrere Optikkanäle (Strahlkanäle), die separat adressiert werden können. Für den Fall, dass aufgrund eines Materialfehlers o. Ä. das Linienprofil in der langen Achse in der Arbeitsebene nicht wie gewünscht ausfällt, genügt es, die entsprechende fehlerbehaftete zweite Untereinheit auszutauschen, anstatt gleich eine gesamte Großoptik austauschen zu müssen. In a preferred embodiment of the invention, the second optical arrangement is arranged in the beam path of the plurality of laser beam bundles in the beam direction in front of the first distance. In other words, the second subunits are arranged at a location in the beam path where the individual beam bundles of the multiple laser light sources do not yet overlap. In this way, the beam profile of each individual beam bundle can be processed or influenced separately in the long axis. The arrangement mentioned creates several optical channels (beam channels) that can be addressed separately. In the event that due to a material defect or similar. If the line profile in the long axis in the working plane does not turn out as desired, it is sufficient to replace the corresponding faulty second subunit instead of having to replace an entire large optics system.
[0020] In einer weiteren Ausgestaltung sind die Laserlichtquellen in einem äquidistanten Abstand zueinander angeordnet und/oder die zweiten Untereinheiten in einem äquidistanten Abstand zueinander angeordnet. In a further embodiment, the laser light sources are arranged at an equidistant distance from one another and/or the second subunits are arranged at an equidistant distance from one another.
[0021] Bei dem Abstand kann es sich dabei um einen Abstand in lateraler Richtung, also einer Richtung quer zur Strahlrichtung, handeln oder um einen Abstand in Richtung des Strahlenganges. Mischformen sind ebenso denkbar. Vorzugsweise sind die Laserlichtquellen in äquidistantem Abstand in einer Linie parallel zur x-Richtung bzw. der Arbeitsebene angeordnet. Weiter vorzugsweise ist zumindest ein Teil der zweiten Untereinheiten in äquidistantem Abstand in einer Linie parallel zur x-Richtung bzw. der Arbeitsebene angeordnet. Denkbar ist insbesondere, dass die zweiten Untereinheiten gruppenweise in äquidistanten Abständen in einer Linie parallel zur Arbeitsebene angeordnet sind. The distance can be a distance in the lateral direction, i.e. a direction transverse to the beam direction, or a distance in the direction of the beam path. Mixed forms are also conceivable. The laser light sources are preferably arranged at an equidistant distance in a line parallel to the x-direction or the working plane. Further preferably, at least some of the second subunits are arranged at an equidistant distance in a line parallel to the x-direction or the working plane. It is particularly conceivable that the second subunits are arranged in groups at equidistant intervals in a line parallel to the working plane.
[0022] Mit einer Anordnung in der sowohl die Laserlichtquellen als auch die zweiten optischen Untereinheiten jeweils in äquidistantem Abstand in einer Linie parallel zur x-Achse bzw. der Arbeitsebene angeordnet sind, können die Laserlinien aus den einzelnen Strahlbündeln in einfacher Weise zu einer langen Laserlinie aneinander „gestitcht“ werden. Je nach Divergenz der Strahlbündel und Abstand der Laserlichtquellen kann insbesondere ein homogener Intensitätsverlauf der gestitchten Linie in der Arbeitsebene erreicht werden. With an arrangement in which both the laser light sources and the second optical subunits are arranged at an equidistant distance in a line parallel to the x-axis or the working plane, the laser lines from the individual beam bundles can easily form a long laser line be “stitched” together. Depending on the divergence of the beam bundles and the distance between the laser light sources, a homogeneous intensity curve of the stitched line in the working plane can be achieved.
[0023] In einer weiteren Ausgestaltung können die zweiten Untereinheiten in einer Richtung parallel und/oder senkrecht zur Arbeitsebene verschoben und/oder geneigt werden. In a further embodiment, the second subunits can be displaced and/or tilted in a direction parallel and/or perpendicular to the working plane.
[0024] Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, um mittels Justage entsprechender Untereinheiten das gewünschte Linienprofil auf der Arbeitsebene zu erlangen. Insbesondere kann dadurch
gewährleistet werden, dass das Strahlprofil der Laserlinie in der Arbeitsebene winkel- und intensitätshomogen ist. This embodiment is advantageous in order to achieve the desired line profile on the working plane by adjusting corresponding subunits. In particular, this can It must be ensured that the beam profile of the laser line in the working plane is homogeneous in terms of angle and intensity.
[0025] In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die zweiten Untereinheiten einen Homogenisierer, der dazu eingerichtet ist, Laserstrahlen des Laserstrahlbündels in der langen Achse homogen, insbesondere winkelhomogen, zu verteilen. Vorzugsweise umfassen die zweiten Untereinheiten jeweils einen Homogenisierer. In a preferred embodiment of the invention, the second subunits comprise a homogenizer which is designed to distribute laser beams of the laser beam bundle homogeneously, in particular angularly homogeneously, in the long axis. Preferably, the second subunits each comprise a homogenizer.
[0026] Genauer gesagt, ist der Homogenisierer dazu eingerichtet, sowohl ein homogenes Intensitätsspektrum als auch ein homogenes Winkelspektrum in der langen Achse zu erzeugen. Der Homogenisierer wirkt vorzugsweise derart, dass verschiedene Strahlsegmente des auf ihn treffenden Laserstrahlbündels durchmischt und/oder miteinander überlagert werden. Zu diesem Zweck kann der Homogenisierer beispielsweise wenigstens ein Lin- sen-Array umfassen, wobei das wenigstens eine Linsen-Array eine Vielzahl von sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstreckenden Zylinderlinsen aufweisen kann. Vorzugsweise sind die Zylinderlinsen geometrisch derart bemessen, dass das Laserstrahlbündel durch eine Vielzahl nebeneinander liegender Zylinderlinsen tritt. Grundsätzlich kann es sich bei dem Homogenisierer um einen abbildenden oder um einen diffraktiven Homogenisierer handeln. [0026] More specifically, the homogenizer is designed to generate both a homogeneous intensity spectrum and a homogeneous angular spectrum in the long axis. The homogenizer preferably acts in such a way that different beam segments of the laser beam striking it are mixed and/or superimposed on one another. For this purpose, the homogenizer can, for example, comprise at least one lens array, wherein the at least one lens array can have a plurality of cylindrical lenses extending along respective cylinder axes. Preferably, the cylindrical lenses are geometrically dimensioned such that the laser beam passes through a large number of cylindrical lenses lying next to one another. In principle, the homogenizer can be an imaging or a diffractive homogenizer.
[0027] In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die zweiten Untereinheiten einen Transformator, der dazu eingerichtet ist, eines der Laserstrahlbündel entlang der langen Achse aufzuweiten. In a further embodiment, the second subunits comprise a transformer which is designed to expand one of the laser beam bundles along the long axis.
[0028] Mit dieser Ausgestaltung kann das Aspektverhältnis des Laserstrahlbündels (noch weiter und/oder effizienter) im Hinblick auf die gewünschte Laserlinie in der Arbeitsebene optimiert werden. Der Transformator kann beispielsweise ein transparentes, monolithisches, plattenförmiges Element umfassen, wobei das Element eine Vorderseite und eine zu der Vorderseite parallele Rückseite aufweist. Die Vorderseite und die Rückseite besitzen vor- zusgsweise eine reflektierende Beschichtung, sodass ein einfallender Laserstrahl innerhalb des plattenförmigen Elements mehrfache Reflexionen erfährt, bevor er aufgeweitet auf der Rückseite austritt. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Transformator als oder mit Hilfe einer Blende realisiert sein. Grundsätzlich lässt der Transformator die Winkelverteilung eines Laserstrahls unberührt. Dementsprechend ist bei Vorrichtungen, die als zweite optische Anordnung lediglich einen Transformator in einem Laserstrahlbündel
aufweisen (und in denen keine weitere optische Anordnung Einfluss auf die Winkelverteilung in der langen Achse nimmt) ein homogenes Winkelspektrum in der Arbeitsebene nur dann möglich, wenn das in den Transformator eingehende Laserstrahlbündel bereits winkelhomogen ist. With this embodiment, the aspect ratio of the laser beam bundle can be optimized (even further and/or more efficiently) with regard to the desired laser line in the working plane. The transformer can, for example, comprise a transparent, monolithic, plate-shaped element, the element having a front side and a back side parallel to the front side. The front and back preferably have a reflective coating, so that an incident laser beam experiences multiple reflections within the plate-shaped element before it emerges expanded on the back. In other exemplary embodiments, the transformer can be implemented as or with the aid of a diaphragm. Basically, the transformer leaves the angular distribution of a laser beam untouched. Accordingly, in devices that only have a transformer in a laser beam as a second optical arrangement (and in which no further optical arrangement influences the angular distribution in the long axis) a homogeneous angular spectrum in the working plane is only possible if the laser beam bundle entering the transformer is already angularly homogeneous.
[0029] In einer anderen Ausgestaltung umfassen die zweiten Untereinheiten einen Strahlteiler, der dazu eingerichtet ist, eines der Laserstrahlbündel in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen. In another embodiment, the second subunits comprise a beam splitter which is designed to divide one of the laser beam bundles into a plurality of partial beams.
[0030] Grundsätzlich lässt der Strahlteiler die Winkelverteilung eines Laserstrahls unberührt. Dementsprechend ist bei Vorrichtungen, die als zweite optische Anordnung lediglich einen Strahlteiler in einem Laserstrahlbündel aufweisen (und in denen keine weitere optische Anordnung Einfluss auf die Winkelverteilung in der langen Achse nimmt) ein homogenes Winkel Spektrum in der Arbeitsebene nur dann möglich, wenn das in den Strahlteiler eingehende Laserstrahlbündel bereits winkelhomogen ist. In principle, the beam splitter leaves the angular distribution of a laser beam untouched. Accordingly, in devices which only have a beam splitter in a laser beam bundle as a second optical arrangement (and in which no further optical arrangement influences the angular distribution in the long axis), a homogeneous angular spectrum in the working plane is only possible if this is in the Beam splitter incoming laser beam bundle is already angularly homogeneous.
[0031] In einer weiteren Ausgestaltung weist die erste optische Anordnung mehrere, voneinander getrennte erste Untereinheiten auf. Die ersten Untereinheiten können beispielsweise einen Transformator oder einen Strahlteiler umfassen. Anderer optische Vorrichtungen, wie etwa eine in der kurzen Achse wirkende Fokussiereinheit, sind ebenso denkbar. Vorzugsweise können die ersten Untereinheiten parallel und/oder senkrecht zur Arbeitsebene verschoben werden. In a further embodiment, the first optical arrangement has a plurality of first subunits that are separate from one another. The first subunits can include, for example, a transformer or a beam splitter. Other optical devices, such as a focusing unit acting in the short axis, are also conceivable. Preferably, the first subunits can be displaced parallel and/or perpendicular to the working plane.
[0032] Vorzugsweise sind die ersten Untereinheiten jeweils dazu eingerichtet, in der Arbeitsebene ein vordefiniertes Strahlprofil in der kurzen Achse zu erzeugen. Insbesondere ist wünschenswert, dass die ersten Untereinheiten in der kurzen Achse ein rechteckförmiges Intensitätsprofil (sogenanntes Top Hat Profil) oder ein Gaußprofil erzeugen. Durch die Separierung sowohl der Strahlbündel als auch der ersten optischen Anordnung in mehrere Untereinheiten kann das Kurzachsprofil für jedes einzelne Strahlbündel unabhängig von den anderen Strahlbündeln beeinflusst werden. Dies ermöglicht eine gezielte Erzeugung von Laserlinien auf der Arbeitsebene. Preferably, the first subunits are each set up to generate a predefined beam profile in the short axis in the working plane. In particular, it is desirable that the first subunits generate a rectangular intensity profile (so-called top hat profile) or a Gaussian profile in the short axis. By separating both the beam bundles and the first optical arrangement into several subunits, the short-axis profile for each individual beam bundle can be influenced independently of the other beam bundles. This enables targeted creation of laser lines on the working plane.
[0033] In einer weiteren Ausgestaltung sind zwischen der zweiten optischen Anordnung und der Arbeitsebene nur eine oder mehrere weitere optische Anordnungen angeordnet, die keinen Einfluss auf das Winkel Spektrum der Laserstrahlbündel in der langen Achse haben.
[0034] Damit ist sichergestellt, dass das durch die zweite optische Anordnung erzeugte homogene Winkelspektrum nicht vor der Arbeitsebene bzw. vor Auftreffen auf das zu bearbeitende Werkstück zerstört wird bzw. dass keine Inhomogenitäten eingeführt werden. In a further embodiment, only one or more further optical arrangements are arranged between the second optical arrangement and the working plane, which have no influence on the angular spectrum of the laser beam bundles in the long axis. This ensures that the homogeneous angular spectrum generated by the second optical arrangement is not destroyed in front of the working plane or before it hits the workpiece to be machined or that no inhomogeneities are introduced.
[0035] Grundsätzlich ist die Reihenfolge der ersten, zweiten und jeder weiteren optischen Anordnung in Strahlrichtung beliebig. Beispielsweise kann die erste optische Anordnung vor der zweiten optischen Anordnung oder hinter der zweiten optischen Anordnung angeordnet sein, solange sie nicht Einfluss auf das Winkelspektrum des Laserstrahlbündels in der langen Achse nimmt. Entscheidend ist lediglich, dass die durch die zweite optische Anordnung erzeugte Abbildung in der langen Achse zur Arbeitsebene hin nicht durch die erste und/oder eine weitere optische Anordnung zerstört wird. Insbesondere entscheidend ist, dass strahlabwärts nach der zweiten optischen Anordnung keine Anordnung folgt, die den jeweiligen Laserstrahlen bezüglich der langen Achse eine Phase aufprägt bzw. die in der langen Achse eine phasenverändernde Wirkung aufweist. Insofern ist das Vorhandensein eines etwaigen Schutzglases strahlabwärts nach der zweiten optischen Anordnung und vor der Arbeitsebene bzw. einem dort befindlichen Werkstück unproblematisch. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Laserlichtquellen UV-Quellen, insbesondere UV-Quellen deren Laserstrahlbündel ein Strahlprofil jeweils gleicher Intensität aufweist. In principle, the order of the first, second and each further optical arrangement in the beam direction is arbitrary. For example, the first optical arrangement can be arranged in front of the second optical arrangement or behind the second optical arrangement, as long as it does not influence the angular spectrum of the laser beam bundle in the long axis. The only decisive factor is that the image generated by the second optical arrangement in the long axis towards the working plane is not destroyed by the first and/or a further optical arrangement. What is particularly crucial is that there is no arrangement downstream of the second optical arrangement that imprints a phase on the respective laser beams with respect to the long axis or that has a phase-changing effect in the long axis. In this respect, the presence of any protective glass downstream of the second optical arrangement and in front of the working plane or a workpiece located there is not a problem. In a further preferred embodiment, the laser light sources are UV sources, in particular UV sources whose laser beam bundles have a beam profile of the same intensity.
[0036] UV-Laserstrahlen werden insbesondere bei SLA-Anwendungen benötigt. Gleiche Intensitäten der Laserstrahlbündel ermöglichen einfachere optische Anordnungen, insbesondere eine einfachere dritte optische Anordnung, da mit dieser Ausgestaltung ein homogenes Intensitätsspektrum in der langen Achse einfacher zu erreichen ist. UV laser beams are particularly required in SLA applications. The same intensities of the laser beam bundles enable simpler optical arrangements, in particular a simpler third optical arrangement, since with this configuration a homogeneous intensity spectrum in the long axis is easier to achieve.
[0037] 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 is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
[0038] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1A eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
Fig. 1B den Intensitätsverlauf der durch die in Fig. 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in einer ersten Ebene, 1A shows a first exemplary embodiment of the new device, 1B shows the intensity profile of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in a first plane,
Fig. 1C den Intensitätsverlauf der durch die in Fig. 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in einer zweiten Ebene, 1C shows the intensity curve of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in a second plane,
Fig. 1 D den Intensitätsverlauf der durch die in Fig. 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in einer dritten Ebene, 1D shows the intensity curve of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in a third plane,
Fig. 1E den Intensitätsverlauf der durch die in Fig. 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in einer vierten Ebene, 1E shows the intensity curve of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in a fourth plane,
Fig. 2A eine Darstellung einer optischen Anordnung aus dem Stand der Technik, 2A shows a representation of an optical arrangement from the prior art,
Fig. 2B eine Darstellung einer weiteren optischen Anordnung aus dem Stand der2B shows a representation of another optical arrangement from the prior art
Technik, Technology,
Fig. 3 eine vereinfachte, schematische Darstellung mehrerer identischer Quellen und die von den Quellen erzeugten Laserstrahlbündel, 3 shows a simplified, schematic representation of several identical sources and the laser beam bundles generated by the sources,
Fig. 4 eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung, 4 shows a representation of a second exemplary embodiment of the new device,
Fig. 5A ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Strahlteilern und einem Spiegel, 5A shows a first exemplary embodiment of an arrangement of beam splitters and a mirror,
Fig. 5B ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Strahlteilern und einem Spiegel, 5B shows a second exemplary embodiment of an arrangement of beam splitters and a mirror,
Fig. 6A ein Ausführungsbeispiel eines Transformators, 6A shows an exemplary embodiment of a transformer,
Fig. 6B ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von T ransformatoren, 6B shows an exemplary embodiment of an arrangement of transformers,
Fig. 7A ein erstes Ausführungsbeispiel eines Homogenisierers, und
Fig. 7B ein zweites Ausführungsbeispiel eines Homogenisierers. 7A shows a first exemplary embodiment of a homogenizer, and Fig. 7B shows a second embodiment of a homogenizer.
[0039] In Fig. 1A ist ein erstes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besitzt mehrere Laserlichtquellen (nicht gezeigt), die Laserlicht im Ultraviolettbereich erzeugen und in z-Richtung abstrahlen. Die Laserlichtquellen sind dabei in jeweils gleichen Abständen zueinander auf einer Linie, die parallel zur Arbeitsebene 24 und der x-Achse verläuft, angeordnet. Die Laserlichtquellen strahlen Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c von gleicher Divergenz und Intensität in Richtung der Arbeitsebene 30 ab. Die Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c treffen vor einem ersten Abstand A (nicht gezeigt) auf eine zweite optische Anordnung 18. Diese umfasst insgesamt sechs zweite Untereinheiten 18a, 18b, 18c, 18d, 18e und 18f, wobei die drei zweiten optischen Untereinheiten 18a, 18b und 18c drei Transformatoren 24a, 24b und 24c umfassen und wobei die drei zweiten optischen Untereinheiten 18d, 18e und 18f drei Homogenisierer 22a, 22b und 22c umfassen. Die Transformatoren sind dazu eingerichtet, das jeweils auf sie gerichtete Laserstrahlbündel mit einer vordefinierten Divergenz in der x-Richtung aufweiten. Das heißt, dass die Transformatoren jeweils ein Laserstrahlbündel vordefinierter Divergenz erzeugen. Genauer gesagt erzeugen die Transformatoren ein trapezförmiges Intensitätsprofil der Laserstrahlbündel in x-Richtung. Die drei Homogenisierer 22a, 22b und 22c sind in jeweils einem der drei Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c angeordnet. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine erste optische Anordnung, die aber in Fig. 1A ebenso wie die Laserlichtquellen nicht gezeigt ist. In Fig. 1A, a first exemplary embodiment of the new device is designated in its entirety by reference number 10. The device 10 has several laser light sources (not shown) which generate laser light in the ultraviolet range and radiate it in the z direction. The laser light sources are arranged at equal distances from one another on a line that runs parallel to the working plane 24 and the x-axis. The laser light sources emit laser beam bundles 16a, 16b and 16c of the same divergence and intensity in the direction of the working plane 30. The laser beam bundles 16a, 16b and 16c strike a second optical arrangement 18 in front of a first distance A (not shown). This comprises a total of six second subunits 18a, 18b, 18c, 18d, 18e and 18f, the three second optical subunits 18a, 18b and 18c include three transformers 24a, 24b and 24c and wherein the three second optical subunits 18d, 18e and 18f include three homogenizers 22a, 22b and 22c. The transformers are designed to expand the laser beam bundle directed at them with a predefined divergence in the x direction. This means that the transformers each generate a laser beam of predefined divergence. More precisely, the transformers generate a trapezoidal intensity profile of the laser beam bundles in the x direction. The three homogenizers 22a, 22b and 22c are each arranged in one of the three laser beam bundles 16a, 16b and 16c. In addition, the device includes a first optical arrangement, which is not shown in FIG. 1A, as are the laser light sources.
[0040] Die Vorrichtung 10 erzeugt eine Laserlinie (hier nicht dargestellt) im Bereich der Arbeitsebene 30, um ein Werkstück (hier nicht dargestellt) zu bearbeiten, das im Bereich der Arbeitsebene 30 platziert ist. Die Laserlinie verläuft dabei in einer Richtung parallel zur x- Achse. Die Laserlinie besitzt eine Linienbreite, die hier in Richtung einer orthogonal zur x- Achse (und z-Achse) verlaufenden y-Achse betrachtet wird. Dementsprechend korrespondiert die x-Achse mit der langen Achse und die y-Achse korrespondiert mit der kurzen Achse des auf der Arbeitsebene 30 gebildeten Strahlprofils. Anders ausgedrückt besitzt das Strahlprofil eine lange Achse LA mit einer Langachsstrahlbreite in x-Richtung und eine kurze Achse SA mit einer Kurzachsstrahlbreite in y-Richtung. Die jeweilige Strahlbreite kann beispielsweise als Breite des Intensitätsprofils I (x, y) bei 50% der Maximalintensität (FWHM, Full Width at Half Maximum) oder beispielsweise als Breite zwischen den
90% Intensitätswerten (Full Width at 90% Maximum, FW@90%) oder auf andere Weise definiert sein. The device 10 generates a laser line (not shown here) in the area of the working plane 30 in order to process a workpiece (not shown here) that is placed in the area of the working plane 30. The laser line runs in a direction parallel to the x-axis. The laser line has a line width, which is viewed here in the direction of a y-axis running orthogonally to the x-axis (and z-axis). Accordingly, the x-axis corresponds to the long axis and the y-axis corresponds to the short axis of the beam profile formed on the working plane 30. In other words, the beam profile has a long axis LA with a long-axis beam width in the x-direction and a short axis SA with a short-axis beam width in the y-direction. The respective beam width can be, for example, the width of the intensity profile I (x, y) at 50% of the maximum intensity (FWHM, Full Width at Half Maximum) or, for example, the width between the 90% intensity values (Full Width at 90% Maximum, FW@90%) or defined in another way.
[0041] In einigen (bevorzugten) Ausführungsbeispielen kann das Werkstück eine Oberflächenschicht aus amorphem Silizium beinhalten, die mit Hilfe der Laserlinie zu polykristallinem Silizium umgewandelt wird. Zur Bearbeitung kann die Laserlinie dabei in einer Bewegungsrichtung relativ zu dem Werkstück in der Arbeitsebene der Arbeitsebene 30 bewegt werden. In some (preferred) embodiments, the workpiece may include a surface layer of amorphous silicon, which is converted to polycrystalline silicon using the laser line. For processing, the laser line can be moved in a direction of movement relative to the workpiece in the working plane of the working plane 30.
[0042] Bedingt durch die Divergenz der Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c kommt es nach einer bestimmten Weglänge, dem ersten Abstand A, strahlabwärts (d.h. in z-Richtung) zu einer Überlagerung der Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c. Tatsächlich kommt es bereits ab der ersten Ebene 32 zu einer Überlagerung Strahlbündel 16a, 16b und 16c. Strahlabwärts hin zur vierten Ebene 36 nimmt die Überlagerung der einzelnen Bündel immer stärker zu. Due to the divergence of the laser beam bundles 16a, 16b and 16c, after a certain path length, the first distance A, the laser beam bundles 16a, 16b and 16c are superimposed downstream of the beam (i.e. in the z direction). In fact, from the first level 32 onwards, beam bundles 16a, 16b and 16c are superimposed. Downward from the beam towards the fourth level 36, the overlapping of the individual bundles increases more and more.
[0043] Die Position der Arbeitsebene 30 ist so gewählt, dass sich hier die Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c derart überlagern, dass ein homogenes Intensitätsprofil der Laserlinie entsteht. Denn neben der telezentrischen Abbildung der Laserstrahlen auf der Arbeitsebene 30 durch die Homogenisierer 22a, 22b und 22c ist es wichtig, dass der Intensitätsverlauf des Laserlichts auf der Arbeitsebene 30 homogen ist. Durch die Homogenisierer 22a, 22b und 22c weisen die Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c zwar einzeln gesehen ein homogenes Intensitätsspektrum auf, allerdings entstehen durch die Überlagerung der Strahlbündel im Bereich der vierten Ebene 36 Intensitätsspitzen, die den homogenen Intensitätsverlauf zerstören. Dies geht auch aus Fig. 1 E hervor, welche das Intensitätsspektrum der Laserlinie in der vierten Ebene 36 in x-Richtung zeigt. Andererseits ist der Intensitätsverlauf in der ersten und zweiten Ebenen 32 und 34 ebenfalls nicht komplett homogen, da einige Bereiche in diesen Ebenen weniger stark ausgeleuchtet sind als andere. Dies ist in den Figuren 1B und 1C erkennbar, welche den Intensitätsverlauf in den Ebenen 32 bzw. 34 zeigen. Lediglich in der dritten Ebene bzw. der Arbeitsebene 30 liegt neben einem homogenen Winkel Spektrum auch ein homogenes Intensitätsspektrum der Laserlinie vor (siehe Fig. 1 D). The position of the working plane 30 is chosen so that the laser beam bundles 16a, 16b and 16c are superimposed here in such a way that a homogeneous intensity profile of the laser line is created. In addition to the telecentric imaging of the laser beams on the working plane 30 by the homogenizers 22a, 22b and 22c, it is important that the intensity profile of the laser light on the working plane 30 is homogeneous. Due to the homogenizers 22a, 22b and 22c, the laser beam bundles 16a, 16b and 16c have a homogeneous intensity spectrum when viewed individually, but the superimposition of the beam bundles in the area of the fourth level creates 36 intensity peaks which destroy the homogeneous intensity curve. This can also be seen from FIG. 1 E, which shows the intensity spectrum of the laser line in the fourth plane 36 in the x direction. On the other hand, the intensity curve in the first and second levels 32 and 34 is also not completely homogeneous, since some areas in these levels are less illuminated than others. This can be seen in Figures 1B and 1C, which show the intensity curve in levels 32 and 34, respectively. Only in the third level or the working plane 30 is there not only a homogeneous angle spectrum but also a homogeneous intensity spectrum of the laser line (see FIG. 1 D).
[0044] Fig. 1 B zeigt den Intensitätsverlauf der durch die in Fig. 1 A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in der ersten Ebene 32. Der Intensitätsverlauf l(x) ist insbesondere entlang
der langen Achse, also in x-Richtung, gezeigt. Das Intensitätsprofil der einzelnen Laserbündel 16a, 16b und 16c ist entlang dieser Achse trapezförmig. Dadurch, dass das Intensitätsprofil der einzelnen Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c trapezförmig ist und der Überlapp der einzelnen Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c in der ersten Ebene 32 noch recht gering ist, entstehen an den sich überlagernden Stellen Intensitätseinbrüche. 1 B shows the intensity curve of the laser line generated by the device shown in FIG. 1 A in the first plane 32. The intensity curve l(x) is in particular along the long axis, i.e. in the x direction. The intensity profile of the individual laser beams 16a, 16b and 16c is trapezoidal along this axis. Because the intensity profile of the individual laser beam bundles 16a, 16b and 16c is trapezoidal and the overlap of the individual laser beam bundles 16a, 16b and 16c in the first plane 32 is still quite small, dips in intensity occur at the overlapping points.
[0045] Fig. 1C zeigt den Intensitätsverlauf der durch die in Fig. 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in der zweiten Ebene 34. Der Intensitätsverlauf l(x) ist insbesondere entlang der langen Achse, also in x-Richtung, gezeigt. Dadurch, dass der Überlapp der einzelnen Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c in der zweiten Ebene 34 etwas größer ist als in der ersten Ebene 32 fallen die Intensitätseinbrüche etwas geringer aus als in Fig. 1 B. 1C shows the intensity curve of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in the second plane 34. The intensity curve l(x) is shown in particular along the long axis, i.e. in the x direction. Because the overlap of the individual laser beam bundles 16a, 16b and 16c in the second level 34 is slightly larger than in the first level 32, the intensity drops are somewhat smaller than in FIG. 1 B.
[0046] Fig. 1 D zeigt den Intensitätsverlauf l(x) der durch die in Fig. 1A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in der dritten Ebene bzw. der Arbeitsebene 30. Hier ist der Überlapp der Laserstrahlbündel 16a, 16b und 16c derart, dass das entstehende Intensitätsprofil l(x) weitestgehend homogen (d.h. konstant) ist. Das heißt, dass die Intensität der Laserlinie an den Stellen überlappender Laserstrahlbündel (im Wesentlichen) genauso hoch ist wie an den Stellen, an denen kein Überlapp vorliegt. 1D shows the intensity curve l(x) of the laser line generated by the device shown in FIG. 1A in the third plane or the working plane 30. Here the overlap of the laser beam bundles 16a, 16b and 16c is such that The resulting intensity profile l(x) is largely homogeneous (i.e. constant). This means that the intensity of the laser line at the locations of overlapping laser beam bundles is (essentially) the same as at the locations where there is no overlap.
[0047] Fig. 1 E zeigt den Intensitätsverlauf l(x) der durch die in Fig. 1 A gezeigten Vorrichtung erzeugten Laserlinie in der vierten Ebene 36. In dieser Ebene ist der Überlapp der trapezförmigen Intensitätsverläufe der einzelnen Laserstrahlbündel schon so groß, dass Intensitätsspitzen im Intensitätsprofil l(x) der zusammengefügten Laserlinie entstehen. 1 E shows the intensity curve l(x) of the laser line generated by the device shown in FIG. 1 A in the fourth plane 36. In this plane, the overlap of the trapezoidal intensity curves of the individual laser beam bundles is already so large that intensity peaks arise in the intensity profile l(x) of the combined laser line.
[0048] Fig. 2A zeigt eine optische Anordnung aus dem Stand der Technik. Die optische Anordnung umfasst einen (nicht-abbildenden) Homogenisierer 22, umfassend ein Mikrolinsenarray und eine Fokussiereinheit 28. Dabei trifft ein Strahlbündel 16 das Mikrolinsenarray. Das Mikrolinsenarray ist dazu eingerichtet, einzelne Strahlsegmente des Laserstrahlbündels 16 zu durchmischen bzw. zu überlagern, sodass der Intensitätsverlauf bezüglich derjenigen Richtung homogenisiert ist, in welcher sich der Strahlbündelquerschnitt länglich erstreckt (hier x-Richtung). An das Mikrolinsenarray, welches eine telezentrische Abbildung bzw. ein homogenes Winkelspektrum erzeugt, schließt sich strahlabwärts (d.h. in z-Richtung) eine plan-konvexe Linse als Fokussiereinheit 28 an. Der Abstand a zwischen Homogenisierer 22 und Fokussiereinheit 28 ist dabei derart bemessen, dass die
Linse das homogene Winkelspektrum auf die Arbeitsebene 30 abbildet bzw. eine Abbildung erzeugt, die telezentrisch ist. Insbesondere entspricht der Abstand a gerade der Brennweite der Linse (sogenanntes „2f-Setup“). Mit anderen Worten, ist der Abstand a derart gewählt, dass Winkelspektrum der Laserstrahlen gegenüber der Oberflächennormalen der Arbeitsebene 30 an jeder Stelle der Arbeitsebene 30 gleich ist. Problematisch an dieser optischen Anordnung ist, dass die durch eine solche Anordnung bereitgestellten Laserlinien nicht in sinnvoller Weise gestitcht werden können. Aufgrund der Größe der Linsen im Vergleich zu der auf der Arbeitsebene abgebildeten Laserlinie, kann selbst bei direkter Aneinanderreihung mehrerer derartiger optischer Anordnungen keine Laserlinie mit homogener Intensität erreicht werden. Mithin ist eine derartige optische Anordnung beispielsweise für SLA-Anwendungen nicht geeignet. 2A shows an optical arrangement from the prior art. The optical arrangement includes a (non-imaging) homogenizer 22, comprising a microlens array and a focusing unit 28. A beam 16 hits the microlens array. The microlens array is set up to mix or superimpose individual beam segments of the laser beam bundle 16, so that the intensity curve is homogenized with respect to the direction in which the beam bundle cross section extends elongated (here x direction). The microlens array, which produces a telecentric image or a homogeneous angular spectrum, is followed downstream of the beam (ie in the z direction) by a plano-convex lens as a focusing unit 28. The distance a between the homogenizer 22 and the focusing unit 28 is dimensioned such that the Lens images the homogeneous angular spectrum on the working plane 30 or produces an image that is telecentric. In particular, the distance a just corresponds to the focal length of the lens (so-called “2f setup”). In other words, the distance a is selected such that the angular spectrum of the laser beams relative to the surface normal of the working plane 30 is the same at every point on the working plane 30. The problem with this optical arrangement is that the laser lines provided by such an arrangement cannot be stitched in a meaningful way. Due to the size of the lenses in comparison to the laser line imaged on the working plane, a laser line with homogeneous intensity cannot be achieved, even if several such optical arrangements are placed directly next to one another. Therefore, such an optical arrangement is not suitable for SLA applications, for example.
[0049] Fig. 2B zeigt ebenfalls eine optische Anordnung aus dem Stand der Technik. Wie die in Fig. 2A gezeigte optische Anordnung besteht die hier gezeigte optische Anordnung auch aus einem Homogenisierer 22 und einer Fokussiereinheit 28 in Form einer Linse. Im Prinzip unterscheidet sich der in Fig. 2B gezeigte Aufbau von dem in Fig. 2A gezeigten Aufbau lediglich durch die Größe des Abstandes a zwischen Homogenisierer 22 und Fokussiereinheit 28. Durch den gewählten Abstand a wird bewirkt, dass die Linienlänge des Laserstrahls entlang der x-Richtung auf der Arbeitsebene 30 länger ist als die Ausdehnung der Fokussiereinheit in dieser Dimension. Damit ist ein intensitätshomogenes stitching grundsätzlich möglich. Allerdings ist der in Fig. 2B gewählte Abstand a derart, dass die Abbildung, welche die Linse erzeugt, nicht telezentrisch ist. Damit ist das Winkelspektrum der auf der Arbeitsebene 30 eintreffenden Laserstrahlen nicht homogen. Beispielhaft gezeigt ist ein Punkt auf der Arbeitsebene 30, bei dem der Einfallswinkel 0 > 0° ist, sowie ein Punkt, bei dem der Einfallswinkel 0 < 0° ist. Eine derartige Anordnung ist für SLA- Anwendungen mithin nicht geeignet. 2B also shows an optical arrangement from the prior art. Like the optical arrangement shown in FIG. 2A, the optical arrangement shown here also consists of a homogenizer 22 and a focusing unit 28 in the form of a lens. In principle, the structure shown in Fig. 2B differs from the structure shown in Fig. 2A only in the size of the distance a between the homogenizer 22 and the focusing unit 28. The selected distance a causes the line length of the laser beam to be along the x- Direction on the working plane 30 is longer than the extent of the focusing unit in this dimension. This means that stitching with homogeneous intensity is fundamentally possible. However, the distance a chosen in Figure 2B is such that the image produced by the lens is not telecentric. The angular spectrum of the laser beams arriving on the working plane 30 is therefore not homogeneous. Shown as an example is a point on the working plane 30 at which the angle of incidence is 0>0°, as well as a point at which the angle of incidence is 0<0°. Such an arrangement is therefore not suitable for SLA applications.
[0050] Fig. 3 zeigt eine vereinfachte, schematische Darstellung mehrerer identischer Quellen 12a, 12b, 12c und 12d und die von den Quellen 12a, 12b, 12c und 12d erzeugten Laserstrahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d. Die Quellen 12a, 12b, 12c und 12d erzeugen dabei Strahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d mit Gaußprofil in der x-Achse, wobei die Strahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d jeweils die gleiche Divergenz aufweisen. Die Quellen 12a, 12b, 12c und 12d sind entlang einer Linie entlang der x-Achse in äquidistanten Abständen zueinander angeordnet. Bedingt durch die Divergenz der Laserstrahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d kommt es in z-Richtung (d.h. strahlabwärts) ab einem gewissen Abstand von den
Quellen zu einer Überlagerung der einzelnen, zunächst voneinander getrennten Laserstrahlbündel. Gezeigt sind insbesondere die parallel zur x-Achse verlaufenden Ebenen E1 , E2, E3 und E4 sowie (schematisch) die in diesen Ebenen entlang der x-Achse entstehenden Intensitätsprofile der einzelnen Strahlbündel. 3 shows a simplified, schematic representation of several identical sources 12a, 12b, 12c and 12d and the laser beam bundles 16a, 16b, 16c and 16d generated by the sources 12a, 12b, 12c and 12d. The sources 12a, 12b, 12c and 12d generate beams 16a, 16b, 16c and 16d with a Gaussian profile in the x-axis, the beams 16a, 16b, 16c and 16d each having the same divergence. The sources 12a, 12b, 12c and 12d are arranged at equidistant distances from one another along a line along the x-axis. Due to the divergence of the laser beam bundles 16a, 16b, 16c and 16d, it occurs in the z direction (ie downstream) from a certain distance away Sources to superimpose the individual, initially separated laser beam bundles. Shown in particular are the planes E1, E2, E3 and E4 that run parallel to the x-axis, as well as (schematically) the intensity profiles of the individual beam bundles that arise in these planes along the x-axis.
[0051] In der Ebene E1 der Quellen 12a, 12b, 12c und 12d sind die einzelnen Laserstrahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d noch voneinander getrennt. D.h. in dieser Ebene sind die Gaußprofile eindeutig voneinander getrennt. In der Ebene E2 kommt es bereits zu leichten Überlagerungen der Laserstrahlbündel, was sich im Intensitätsverlauf in y-Richtung in der Ebene E2 durch eine Überlagerung der Gaußprofile äußert. Es entsteht eine Einhüllende mit schwankendem Intensitätsverlauf. In der Ebene E3 sind die Überlagerungen derart, dass der Intensitätsverlauf der Einhüllenden entlang der x-Richtung (bis auf an den Rändern) im Wesentlichen konstant ist. Das Intensitätsspektrum in der Ebene E3 ist demnach homogen. In der Ebene E4 ist der Überlapp der einzelnen Strahlbündel bereits derart groß, dass in der Einhüllenden mehrere Intensitätsmaxima entstehen. Damit ist in der Ebene E4 das Intensitätsspektrum entlang der x-Achse nicht homogen. In the plane E1 of the sources 12a, 12b, 12c and 12d, the individual laser beam bundles 16a, 16b, 16c and 16d are still separated from one another. This means that in this level the Gaussian profiles are clearly separated from each other. In plane E2 there is already slight overlapping of the laser beam bundles, which is expressed in the intensity curve in the y-direction in plane E2 by a superposition of the Gaussian profiles. An envelope with a fluctuating intensity curve is created. In the plane E3, the overlays are such that the intensity profile of the envelope is essentially constant along the x-direction (except at the edges). The intensity spectrum in plane E3 is therefore homogeneous. In plane E4, the overlap of the individual beam bundles is already so large that several intensity maxima arise in the envelope. This means that in plane E4 the intensity spectrum along the x-axis is not homogeneous.
[0052] Gleichzeitig sind die von den Laserlichtquellen 12a, 12b, 12c und 12c erzeugten Gaußstrahlen winkelhomogen bzw. erzeugen in den jeweiligen Ebenen E1 bis E4 ein winkelhomogenes Spektrum. Insgesamt ergibt sich allerdings lediglich in Ebene E3 ein sowohl winkel- als auch intensitätshomogenes Spektrum. Damit wäre lediglich die Ebene E3 als Arbeitsebene für eine SLA-Anwendung geeignet. At the same time, the Gaussian beams generated by the laser light sources 12a, 12b, 12c and 12c are angularly homogeneous or generate an angularly homogeneous spectrum in the respective planes E1 to E4. Overall, however, there is only a spectrum that is homogeneous in terms of angle and intensity in plane E3. This means that only level E3 would be suitable as a working level for an SLA application.
[0053] In Bezug auf die Überlagerung der einzelnen Strahlbündel ist es vorteilhaft bei einer derartigen Anordnung etwaige optische Anordnungen bzw. Einheiten in einer Ebene anzuordnen, in der die Bündel noch getrennt sind, also insbesondere in einer Ebene (strahlabwärts) vor der Ebene E2. Nur so ist sichergestellt, dass die einzelnen Strahlbündel durch getrennte Untereinheiten in den Strahlbündeln adressiert werden können. With regard to the superimposition of the individual beam bundles, with such an arrangement it is advantageous to arrange any optical arrangements or units in a plane in which the bundles are still separated, i.e. in particular in a plane (downstream of the beam) in front of the plane E2. This is the only way to ensure that the individual beam bundles can be addressed by separate subunits in the beam bundles.
[0054] Was die Ausdehnung der Gesamtquelle, d.h. die Ausdehnung der Quellen 12a, 12b, 12c und 12d in ihrer Gesamtheit angeht, so ist diese (in etwa) gleich der (intensitätshomogenen) Linienlänge in der Ebene E3. Gleichzeitig hat in der Ebene E3 das Winkel Spektrum an jeder Stelle der langen Achse gleiche Breite.
[0055] Fig. 4 zeigt eine ein zweites Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung 10. Für den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung 10 wird auf das erste Ausführungsbeispiel in Fig. 1 verwiesen. In Fig. 4 ist insbesondere gezeigt, dass die Vorrichtung 10 neben der zweiten optischen Anordnung 18, bestehend aus den Transformatoren 24a, 24b und 24c und den Homogenisierern 22a, 22b und 22c als sechs zweite optische Untereinheiten 18a bis 18f, eine erste optische Anordnung 14, bestehend aus insgesamt neun ersten Untereinheiten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h und 14i umfasst. Die Untereinheiten bilden dabei strahlbündelweise eine Fokussiereinheit in Bezug auf die kurze Achse (SA). Mit anderen Worten bilden die ersten Untereinheiten 14a, 14d und 14g eine Fokussiereinheit für das Laserstrahlbündel 16a. Die ersten Untereinheiten 14b, 14e und 14h bilden eine Fokussiereinheit für das Laserstrahlbündel 16b und die ersten Untereinheiten 14c, 14f und 14i bilden eine Fokussiereinheit für das Laserstrahlbündel 16c. Die erste optische Anordnung 14 ist strahlabwärts (d.h. in z-Richtung) hinter der zweiten optischen Anordnung 18 (Transformatoren und Homogonisierer) angeordnet. Insbesondere befindet sich neben der zweiten optischen Anordnung 18 auch die erste optische Anordnung 14 in einem Bereich, in dem sich die einzelnen Strahlbündel 16a, 16b und 16c noch nicht überlapppen. Mit anderen Worten befindet sich neben der zweiten optischen Anordnung auch die erste optische Anordnung in z-Richtung vor dem ersten Abstand A. Folglich können die einzelnen Optikkanäle, umfassend die Optiken in den jeweiligen Strahlbündeln 16a, 16b und 16c, separat adressiert werden. Insbesondere reicht es bei einer Fehlfunktion einer Untereinheit aus die entsprechende Untereinheit auszutauschen. Der Austausch einer etwaigen Großoptik und die damit verbundenen Umstände und Kosten entfallen dementsprechend. As far as the extent of the overall source is concerned, ie the extent of the sources 12a, 12b, 12c and 12d in their entirety, this is (approximately) equal to the (intensity-homogeneous) line length in the plane E3. At the same time, in plane E3 the angle spectrum has the same width at every point on the long axis. 4 shows a second exemplary embodiment of the new device 10. For the basic structure of the device 10, reference is made to the first exemplary embodiment in FIG. 4 shows in particular that the device 10 has a first optical arrangement 14 in addition to the second optical arrangement 18, consisting of the transformers 24a, 24b and 24c and the homogenizers 22a, 22b and 22c as six second optical subunits 18a to 18f , consisting of a total of nine first subunits 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h and 14i. The subunits form a focusing unit in beams with respect to the short axis (SA). In other words, the first subunits 14a, 14d and 14g form a focusing unit for the laser beam bundle 16a. The first subunits 14b, 14e and 14h form a focusing unit for the laser beam 16b and the first subunits 14c, 14f and 14i form a focusing unit for the laser beam 16c. The first optical arrangement 14 is arranged downstream of the beam (ie in the z direction) behind the second optical arrangement 18 (transformers and homogonizers). In particular, in addition to the second optical arrangement 18, the first optical arrangement 14 is also located in an area in which the individual beam bundles 16a, 16b and 16c do not yet overlap. In other words, in addition to the second optical arrangement, the first optical arrangement is also located in the z-direction in front of the first distance A. Consequently, the individual optical channels, comprising the optics in the respective beam bundles 16a, 16b and 16c, can be addressed separately. In particular, if a subunit malfunctions, it is sufficient to replace the corresponding subunit. The replacement of any large optics and the associated inconveniences and costs are therefore eliminated.
[0056] In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die erste optische Anordnung 14 in den jeweiligen Kanälen eine Fokussiereinheit, die dazu eingerichtet ist, in der kurzen Achse (d.h. in y- Richtung) ein Gauß- oder Tophat-Profil zu erzeugen, dessen Breite ungefähr 20pm beträgt. [0056] In this exemplary embodiment, the first optical arrangement 14 includes a focusing unit in the respective channels, which is set up to generate a Gaussian or Tophat profile in the short axis (i.e. in the y direction), the width of which is approximately 20pm .
[0057] In der Vorrichtung des in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiels sind die einzelnen ersten und zweiten Untereinheiten ferner (jeweils) getrennt voneinander in lateralen und longitudinalen Freiheitsgraden justierbar. Insbesondere können die gezeigten Untereinheiten (jeweils) in x-, y- und z-Richtung verschoben werden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen können die Untereinheiten ferner in eine dieser Richtungen geneigt werden. Somit können die aus den einzelnen Optikkanälen auf der Arbeitsebene 30 entstehenden Linienprofile in
einfacher Weise manipuliert werden und zu einer „glatten“ Gesamtlinien in der Arbeitsebene gestitcht werden, d.h. zu einer Gesamtlinie die in der Arbeitsebene 30 sowohl in- tensitäts- als auch winkelhomogen ist. [0057] In the device of the exemplary embodiment shown in FIG. 4, the individual first and second subunits are (each) adjustable separately from one another in lateral and longitudinal degrees of freedom. In particular, the subunits shown can be moved (each) in the x, y and z directions. In preferred embodiments, the subunits may further be tilted in one of these directions. The line profiles resulting from the individual optical channels on the working plane 30 can thus be in can be easily manipulated and stitched into a “smooth” overall line in the working plane, ie into an overall line which is homogeneous in terms of both intensity and angle in the working plane 30.
[0058] Grundsätzlich ist zur Realisierung eines winkelhomogenen Spektrums in der langen Achse der jeweiligen Laserstrahlbündel und zur Adressierung der einzelnen Kanäle bezüglich der langen Achse keine Unterteilung der ersten optischen Anordnung 18 in mehrere erste Untereinheiten notwendig. Im Prinzip kann hierfür eine beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte, Großoptik verwendet werden. In principle, in order to realize an angle-homogeneous spectrum in the long axis of the respective laser beam bundles and to address the individual channels with respect to the long axis, it is not necessary to subdivide the first optical arrangement 18 into a plurality of first subunits. In principle, any large optics known from the prior art can be used for this.
[0059] Fig. 5A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Strahlteilern und einem Spiegel. Insbesondere zeigt Fig. 5A einen ersten Strahlteiler 26a, der ein eingehendes Laserstrahlbündel 16 in zwei Teilstrahlen bzw. Teilstrahlbündel trennt. Während eines der beiden Teilstrahlbündel in z-Richtung geleitet wird, strahlt das andere Teilstrahlbündel einen zweiten Strahlteiler 26b an, welcher sich in x-Richtung hinter dem ersten Strahlteiler befindet. Dieser teilt das ihn treffende Teilstrahlbündel wiederum in weitere zwei Teilstrahlbündel auf. Ein weiterer Teilstrahler 26c trennt das auftreffende Strahlbündel weiter auf. Das vom Strahlteiler 26c in x-ausgehende Laserstrahlbündel wird dann durch einen Spiegel 38 in z-Richtung umgelenkt. Dadurch entsteht aus den von den Strahlteilern 26a, 26b und 26c jeweils in z-Richtung abgestrahlten Teilstrahlbündeln sowie aus dem von dem Spiegel 38 umgelenkten Teilstrahlbündel ein aufgeteiltes Laserstrahlbündel 16'. Mithin kann die in Fig. 5A gezeigte optische Anordnung in Kombination mit einer Quelle, die ein winkelhomogenes Spektrum aussendet, als eine zweite Untereinheit für die hier offenbarte Vorrichtung 10 herangezogen werden. Grundsätzlich ist der Einsatz eines Strahlteilers aber auch in der ersten optischen Anordnung 18 der Vorrichtung 10 denkbar. Da ein Strahlteiler auch keinen Einfluss auf das Winkelspektrum eines Laserstrahls hat, kann er prinzipiell auch strahlabwärts hinter der zweiten optischen Anordnung platziert werden. 5A shows a first exemplary embodiment of an arrangement of beam splitters and a mirror. In particular, FIG. 5A shows a first beam splitter 26a, which separates an incoming laser beam 16 into two partial beams or partial beam bundles. While one of the two partial beam bundles is guided in the z direction, the other partial beam bundle illuminates a second beam splitter 26b, which is located behind the first beam splitter in the x direction. This in turn divides the partial beam hitting it into two further partial beams. Another partial radiator 26c further separates the incident beam bundle. The laser beam bundle emanating from the beam splitter 26c in the x direction is then deflected in the z direction by a mirror 38. This creates a divided laser beam bundle 16 'from the partial beam bundles emitted by the beam splitters 26a, 26b and 26c in the z direction and from the partial beam bundle deflected by the mirror 38. The optical arrangement shown in FIG. 5A can therefore be used in combination with a source that emits an angle-homogeneous spectrum as a second subunit for the device 10 disclosed here. In principle, the use of a beam splitter is also conceivable in the first optical arrangement 18 of the device 10. Since a beam splitter has no influence on the angular spectrum of a laser beam, it can in principle also be placed downstream behind the second optical arrangement.
[0060] Fig. 5B zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Strahlteilern und einem Spiegel. Im Unterschied, zu dem in Fig. 5A gezeigten ersten Ausführungsbeispiel wird hier der Strahlteiler 26a neben einem Laserstrahlbündel 16 aus der x-Richtung auch mit einem Laserstrahl 17 aus der z-Richtung bestrahlt. Dadurch kann die Intensität der ausgehenden Laserstrahlbündel16' erhöht werden. Auch die Anordnung des zweiten Ausführungsbeispiels kann als zweite optische Untereinheit für die Vorrichtung 10 dienen.
Gleichwohl kann der Strahlteiler in anderen optischen Anordnungen der Vorrichtung 10 eingesetzt werden. 5B shows a second embodiment of an arrangement of beam splitters and a mirror. In contrast to the first exemplary embodiment shown in FIG. 5A, here the beam splitter 26a is irradiated not only with a laser beam 16 from the x-direction but also with a laser beam 17 from the z-direction. This allows the intensity of the outgoing laser beam bundles 16' to be increased. The arrangement of the second exemplary embodiment can also serve as a second optical subunit for the device 10. Nevertheless, the beam splitter can be used in other optical arrangements of the device 10.
[0061] Fig. 6A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Transformators 24. Der Transformator 24 weitet ein eingehendes Laserstrahlbündel 16 in ein breiteres Laserstrahlbündel 16' auf. Der Transformator 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel realisiert wie der Transformator, der in der eingangs genannten WO 2018/019374 A1 im Detail beschrieben ist. Dementsprechend ist die WO 2018/019374 A1 hier in Bezug auf den Transformator durch Bezugnahme aufgenommen. Der Transformator des gezeigten Ausführungsbeispiels umfasst ein (für das eingehende Laserstrahlbündel) transparentes, monolithisches, plattenförmiges Element mit einer Vorderseite und einer parallel zur Vorderseite verlaufenden Rückseite. Die Vorderseite und die Rückseite besitzen auf der Innenseite des Elements eine reflektierende Beschichtung, sodass das einfallende Strahlbündel 16 innerhalb des Elements mehrfache Reflexionen erfährt (hier nicht gezeigt), bevor es aufgeweitet, d.h. als wesentlich breiteres Laserstrahlbündel 16', auf der Rückseite austritt. Der Transformator 24 kann für den Fall, dass bereits ein winkelhomogenes Laserstrahlbündel 16 auf ihn trifft in der erfindungsgemäßen Vorrichtung als alleiniger Bestandteil einer zweiten optischen Untereinheit eingesetzt werden. Gleichwohl kann er auch lediglich Teil einer zweiten optischen Untereinheit sein, die beispielsweise ferner einen Homogenisierer umfasst. 6A shows an exemplary embodiment of a transformer 24. The transformer 24 expands an incoming laser beam bundle 16 into a wider laser beam bundle 16′. In this exemplary embodiment, the transformer 24 is implemented like the transformer that is described in detail in the aforementioned WO 2018/019374 A1. Accordingly, WO 2018/019374 A1 is incorporated herein by reference in relation to the transformer. The transformer of the exemplary embodiment shown comprises a transparent (for the incoming laser beam) monolithic plate-shaped element with a front side and a back side running parallel to the front side. The front and back have a reflective coating on the inside of the element, so that the incident beam 16 experiences multiple reflections within the element (not shown here) before it expands, i.e. as a much wider laser beam 16 ', exits on the back. In the event that an angle-homogeneous laser beam bundle 16 already impinges on it, the transformer 24 can be used in the device according to the invention as the sole component of a second optical subunit. Nevertheless, it can also simply be part of a second optical subunit, which further comprises, for example, a homogenizer.
[0062] Fig. 6B zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Transformatoren 24. Dabei sind vier Transformatoren 24a, 24b 24c und 24d in einer Reihe parallel zur x-Achse angeordnet. Aus der z-Richtung werden die Transformatoren jeweils mit einem Laserstrahlbündel 16a, 16b, 16c bzw. 16d angestrahlt. Der Transformator 24a wandelt den Laserstrahl 16a in ein Strahlbündel 16a' um. Das Laserstrahlbündel 16a' weist eine wesentlich größere Breite entlang der x-Achse auf. Das Aspektverhältnis des eingehenden Bündels wurde somit verändert. Die Transformatoren 24b, 24c und 24d verbreiternihrerseits die Laserstrahlen 16b, 16c und 16d in die Laserstrahlbündel 16b', 16c' und 16d' ebenfalls. Die in Fig. 6B gezeigte optische Anordnung kann als Teil einer zweiten optischen Anordnung 18für die Vorrichtung 10 verwendet werden. Die Transformatoren ermöglichen insbesondere, dass etwa ein strahlabwärts nachfolgender Homogenisierer eine breite Ausleuchtung erfährt und damit ein leichtes Stitching benachbarter Laserlinien möglich wird. Ebenso denkbar ist, dass die gezeigten Transformatoren in Alleinstellung als zweite optische Anordnung 18 dienen. Eine homogene Winkelverteilung auf der Arbeitsebene ist
dann aber nur möglich, wenn bereits die eingehenden Laserstrahlbündel 16a, 16b, 16c und 16d winkelhomogen sind. 6B shows an exemplary embodiment of an arrangement of transformers 24. Four transformers 24a, 24b, 24c and 24d are arranged in a row parallel to the x-axis. From the z direction, the transformers are each illuminated with a laser beam bundle 16a, 16b, 16c or 16d. The transformer 24a converts the laser beam 16a into a beam 16a'. The laser beam bundle 16a' has a significantly larger width along the x-axis. The aspect ratio of the incoming bundle was thus changed. The transformers 24b, 24c and 24d in turn expand the laser beams 16b, 16c and 16d into the laser beams 16b', 16c' and 16d' as well. The optical assembly shown in Figure 6B may be used as part of a second optical assembly 18 for the device 10. In particular, the transformers enable a homogenizer downstream of the beam to receive broad illumination, thus enabling easy stitching of adjacent laser lines. It is also conceivable that the transformers shown serve alone as a second optical arrangement 18. A homogeneous angular distribution on the working plane is But then only possible if the incoming laser beam bundles 16a, 16b, 16c and 16d are already angularly homogeneous.
[0063] Fig. 7A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Homogenisierers 22. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Homogenisierer 22 ein Mikrolinsenarray. Ein eingangsseitiges Laserstrahlbündel 16 wird dabei über das Mikrolinsenarray in äquidistant getrennte Strahlen bzw. Strahlbündel gleicher Divergenz getrennt. 7A shows a first embodiment of a homogenizer 22. In this embodiment, the homogenizer 22 includes a microlens array. A laser beam bundle 16 on the input side is separated into equidistantly separated beams or beam bundles of the same divergence via the microlens array.
[0064] Fig. 7B zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Homogenisierers 22. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der (abbildende) Homogenisierer 22 zwei Mikrolinsenarrays. Das strahlabwärts gesehen erste Mikrolinsenarray wird zur Aufteilung des einfallenden Strahls in mehrere Strahlenbündel verwendet, während das (strahlabwärts gesehen) zweite Mikrolinsenanordnung bewirkt, dass die Bilder der einzelnen Strahlenbündel des ersten Arrays überlagert und auf die Arbeitsebene (nicht gezeigt) projiziert werden. Wie bei dem in Fig. 7B gezeigten Homogenisierer wird ein eingangsseitiges Laserstrahlbündel 16 in äquidistant getrennte Strahlen gleicher Divergenz getrennt.
7B shows a second exemplary embodiment of a homogenizer 22. In this exemplary embodiment, the (imaging) homogenizer 22 comprises two microlens arrays. The first microlens array, viewed downstream, is used to split the incident beam into multiple beams, while the second microlens array (viewed downstream) causes the images of the individual beams of the first array to be superimposed and projected onto the working plane (not shown). As with the homogenizer shown in FIG. 7B, an input-side laser beam bundle 16 is separated into equidistantly separated beams of the same divergence.
Claims
Patentansprüche Vorrichtung (10) zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene (30), mit mehreren Laserlichtquellen (12a, 12b, 12c), die jeweils dazu eingerichtet sind ein Laserstrahlbündel (16a, 16b, 16c) vordefinierter Divergenz zu erzeugen, wobei die Laserstrahlbündel (16a, 16b, 16c) eine Strahlrichtung (z) definieren, die die Arbeitsebene (30) schneidet, und dazu ausgestaltet sind, sich in einem ersten Abstand (A) vor der Arbeitsebene (30) zu überlappen, und wobei die Laserstrahlbündel (16a, 16b, 16c) im Bereich der Arbeitsebene (30) ein Strahlprofil besitzen, das senkrecht zu der Strahlrichtung (z) eine lange Achse (LA) mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse (SA) mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist, einer ersten optischen Anordnung (14), die dazu eingerichtet ist, in der Arbeitsebene (30) ein vordefiniertes Strahlprofil in der kurzen Achse (SA) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ferner eine zweite optische Anordnung (18) umfasst, die mehrere, voneinander getrennte zweite Untereinheiten (18a, 18b, 18c) aufweist, die dazu eingerichtet sind, in der Arbeitsebene (30) ein winkelhomogenes Strahlprofil in der langen Achse (LA) zu erzeugen. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die von unterschiedlichen Laserlichtquellen (12a, 12b, 12c) erzeugten Laserstrahlbündel (16a, 16b, 16c) kein gemeinsames optisches Element durchlaufen, welches zur Überlappung der Laserstrahlbündel (16a, 16b, 16c) beiträgt. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Anordnung (14) im Strahlengang der mehreren Laserstrahlbündel (16a, 16b, 16c) in Strahlrichtung vor dem ersten Abstand (A) angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquellen (12a, 12b, 12c) in einem äquidistanten Abstand zueinander angeordnet sind und/oder dass die zweiten Untereinheiten (18a, 18b, 18c) in einem äquidistanten Abstand zueinander angeordnet sind. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Untereinheiten (18a, 18b, 18c) parallel und/oder senkrecht zur Arbeitsebene (30) verschoben und/oder geneigt werden können. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Untereinheiten (18a, 18b, 18c) einen Homogenisierer (22) umfassen, der dazu eingerichtet ist, Laserstrahlen des Laserstrahlbündels (16) in der langen Achse homogen, insbesondere winkelhomogen, zu verteilen. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Untereinheiten (18a, 18b, 18c) einen Transformator (24) umfassen, der dazu eingerichtet ist, eines der Laserstrahlbündel (16a, 16b, 16c) entlang der langen Achse (LA) aufzuweiten. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Untereinheiten (18a, 18b, 18c) einen Strahlteiler (26) umfassen, der dazu eingerichtet ist, eines der Laserstrahlbündel (16a, 16b, 16c) in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Anordnung (14) mehrere, voneinander getrennte erste Untereinheiten (14a, 14b, 14c) aufweist. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten optischen Anordnung (18) und der Arbeitsebene (30) nur eine oder mehrere weitere optische Anordnungen angeordnet sind, die keinen Einfluss auf das Winkelspektrum der Laserstrahlbündel (16a, 16b, 16c) in der langen Achse (LA) haben.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquellen (12a, 12b) UV-Quellen sind, insbesondere UV-Quellen deren Laserstrahlbündel (16a, 16b) ein Strahlprofil jeweils gleicher Intensität aufweist.
Claims Device (10) for generating a defined laser line on a working plane (30), with a plurality of laser light sources (12a, 12b, 12c), each of which is set up to generate a laser beam bundle (16a, 16b, 16c) of predefined divergence, the laser beam bundles (16a, 16b, 16c) define a beam direction (z) which intersects the working plane (30), and are designed to overlap at a first distance (A) in front of the working plane (30), and wherein the laser beam bundles (16a , 16b, 16c) in the area of the working plane (30) have a beam profile which has a long axis (LA) with a long-axis beam width and a short axis (SA) with a short-axis beam width perpendicular to the beam direction (z), a first optical arrangement ( 14), which is set up to generate a predefined beam profile in the short axis (SA) in the working plane (30), characterized in that the device (10) further comprises a second optical arrangement (18), which has several of each other has separate second subunits (18a, 18b, 18c), which are designed to generate an angularly homogeneous beam profile in the long axis (LA) in the working plane (30). Device (10) according to claim 1, characterized in that the laser beam bundles (16a, 16b, 16c) generated by different laser light sources (12a, 12b, 12c) do not pass through a common optical element which causes the laser beam bundles (16a, 16b, 16c) to overlap. contributes. Device (10) according to claim 1 or 2, characterized in that the second optical arrangement (14) is arranged in the beam path of the plurality of laser beam bundles (16a, 16b, 16c) in the beam direction in front of the first distance (A). Device (10) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the laser light sources (12a, 12b, 12c) are arranged at an equidistant distance from one another and / or that the second subunits (18a, 18b, 18c) are at an equidistant distance are arranged to each other. Device (10) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the second subunits (18a, 18b, 18c) can be displaced and/or inclined parallel and/or perpendicular to the working plane (30). Device (10) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second subunits (18a, 18b, 18c) comprise a homogenizer (22) which is designed to homogenize laser beams of the laser beam bundle (16) in the long axis, particularly angularly homogeneous. Device (10) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second subunits (18a, 18b, 18c) comprise a transformer (24) which is designed to move one of the laser beam bundles (16a, 16b, 16c) along the long axis (LA). Device (10) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second subunits (18a, 18b, 18c) comprise a beam splitter (26) which is designed to split one of the laser beam bundles (16a, 16b, 16c) into several Split partial beams. Device (10) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the first optical arrangement (14) has a plurality of separate first subunits (14a, 14b, 14c). Device (10) according to one of claims 1 to 9, characterized in that only one or more further optical arrangements are arranged between the second optical arrangement (18) and the working plane (30), which have no influence on the angular spectrum of the laser beam bundles (16a , 16b, 16c) in the long axis (LA). Device (10) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the laser light sources (12a, 12b) are UV sources, in particular UV sources whose laser beam bundles (16a, 16b) each have a beam profile of the same intensity.
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