散度改变装置的制造方法
【专利说明】散度改变装置
[0001]本发明涉及一种散度改变装置，特别涉及具有基本远心光学布置的散度改变装置，用于可变调节地改变电磁射线束的发散角。
【背景技术】
[0002]改变诸如激光的电磁射线的散度在多个领域中是必要的，例如对于材料加工或显微术。例如改变射线的散度可能是必要的，从而通过改变散度而移动电磁射线的焦点。
[0003]例如，对于激光材料加工可能必要的是，利用可快速改变的焦距将激光射线的工作焦点聚焦到待加工的工件上，从而实现最佳的加工效率，因为通常激光射线借助于多个可控制的且可移动的镜高速地被引导到工件上。在此，由于工件的尺寸导致激光源与工件之间的不同距离，因此可能必要的是，快速地聚焦激光射线，从而实现将激光射线的能量有效且精确地传递到工件上。
[0004]因此期望一种用于改变电磁射线的散度的散度改变装置。
【发明内容】
[0005]对此，本发明提出一种用于可变调节地改变电磁射线束的散度的散度改变装置，该电磁射线束通过主射线表示，且任选地具有这样的主射线以及多个副射线，该散度改变装置具有:射线源，用于提供至少具有多个副射线的射线束；具有光学系统和射线偏转装置的基本远心布置，该光学系统具有第一焦点、第一系统区域和第二系统区域，射线偏转装置被布置在第一焦点上或临近第一焦点，且其这样地被布置和设置，使得射线束从射线源汇集到射线偏转装置上，其中，主射线在第一焦点上或临近第一焦点地汇集到射线偏转装置上，且射线偏转装置可将来自射线源的射线束以不同的入射角引导至光学系统的第一系统区域，其中，光学系统这样地构建，即，射线束被第一系统区域成像(abbilden)，使得被弓I导至第一系统区域的射线束的主射线从第一系统区域被偏转到基本独立于入射角的方向上，且使得射线束的多个副射线以相比于在成像之前另外的以及取决于入射角的发散角相对于主射线被成像；以及射线折转装置，其被构建成，使得其将被光学系统的第一系统区域成像的射线束偏转到光学系统的第二系统区域，其中，射线束被光学系统的第二系统区域成像成，使得射线束再次汇集到射线偏转装置上，其中，主射线在第一焦点上或临近第一焦点地再次汇集到射线偏转装置上，且其中，多个副射线再次汇集到射线偏转装置上，其中，再次汇集的射线束被射线偏转装置偏转成，使得其主射线是基本位置固定的，且非共线地和/或空间地与射线束的主射线分开，该射线束从射线源汇集到射线偏转装置上。
[0006]此外，本发明提供一种散度改变布置，具有至少或正好两个如前所述的散度改变装置，其中，该至少或正好两个散度改变装置被布置成，使得其形成上游散度改变装置和在其下游的散度改变装置，具有共同的射线路径，其中，射线束形成下游散度改变装置的射线源，所述射线束的主射线被上游散度改变装置成像成位置固定的。
[0007]此外，本发明提供一种射线位置和散度改变装置，具有:如上所述的散度改变装置和/或散度改变布置、2D扫描系统以及控制装置，其中，散度改变装置和/或散度改变布置与2D扫描系统形成共同的射线路径，其中只要分别提供，则散度改变装置和散度改变布置被布置在射线路径中在2D扫描系统之前，其中，2D扫描系统被设置成，将从散度改变装置或散度改变布置中射出的且汇集到2D扫描系统上的射线束的传播方向设置到两个相互独立的空间维度中，且其中，控制装置被设置成，传播方向借助于2D扫描系统且散度改变借助于散度改变装置和/或散度改变布置以指定的及可选择的方式根据控制信息设置。
[0008]附图描沭
[0009]图1从两个视角示意性地示出根据本发明的散度改变装置，具有光学系统，其被构建成折射系统。
[0010]图2示意性地示出根据本发明的散度改变装置，具有光学系统，其被构建成反射系统。
[0011]图3以透视图示意性地示出根据本发明的散度改变装置，具有光学系统，其被构建成反射系统。
[0012]图4示意性地示出根据本发明的散度改变装置，此外其中集成了射线扩张功能。
[0013]图5示意性地示出根据本发明的另一实施例的散度改变装置。
[0014]图6不意性地不出散度改变布置,具有两个根据本发明的散度改变装置。
[0015]图7示意性的示出散度改变装置，具有根据本发明的回反射装置，其可被提供给散度改变装置的各实施方式。
[0016]图8示意性地根据本发明的散度改变装置或散度改变布置的示意图以及回反射
>J-U ρ?α装直。
【具体实施方式】
[0017]本发明结合附图提供用于改变电磁射线束5的散度的散度改变装置I。散度改变装置I具有射线源10，用于产生电磁射线束5。射线源10可被设置成，提供或产生电磁射线束5(下文中也简称为“射线束”)，其可具有任意的偏振，例如线偏振、圆偏振或椭圆偏振。射线源10可设置成，提供具有任意波长的射线束5。射线源10可以例如是激光射线源10、用于可见光的射线源10或用于紫外或红外射线的射线源10。射线源10可以是脉冲激光射线源10，其产生多个脉冲的、即时间上中断的射线束5，或射线源10可以是激光射线源10，其产生连续的射线束5。射线源10可以是高效能射线源，其产生可适用于材料加工(例如，熔化或汽化诸如钢的金属)的射线。由射线源10产生的射线束5可具有多个(例如大量)射线(例如单射线)，且可具有任意的横截面，例如圆形、椭圆形、或多角形的横截面。射线束5可具有散度。散度可表示成射线束的射线相互汇合或相互远离的角度。射线源10例如可以是激光射线源10，具有超过2mW的功率(例如具有激光功率级2之上的激光功率级)，具有超过500mW的功率，具有超过1W和/或具有直至20kW的功率。激光射线源10可以例如是脉冲辐射，具有小于I μ S的脉冲持续时间，以及具有高于10nJ或高于ImJ的脉冲能量和/或具有低于几个焦耳的脉冲能量(例如低于5J)。激光射线源10例如也可以产生脉冲辐射，其具有小于大致1ps的脉冲持续时间，且具有大致I至1nJ的脉冲能量，例如当根据本发明的装置用于加工或用于与生物组织相互作用(例如，实施眼睛上的手术等)时。在该点上，射线源10也可以是(例如虚拟的)入射光瞳，通过其为散度改变装置I提供射线束5，也就是说，射线源10不必是物理的、实体的射线源10。在该情况下，通过射线源10提供射线束5，其对应于由上述“物理的”射线源10所产生的射线束5。
[0018]在该点上，平行的射线束5可具有零散度，发散的射线束具有正值的散度，且收敛的射线束具有负值。相应地，射线束5可以是平行的(即，例如射线束5的射线基本相互平行的延伸)、发散的(即，例如射线基本相互远离)、或收敛的(即，例如射线基本相互收拢)，例如当其离开射线源10时。
[0019]在下文中对散度改变装置I功能方面的描述中，射线束5通过主射线6以及多个副射线以数学方式表示，如在光学系统中常见的，主射线基本上在射线束5的中间延伸，且表示射线束5的传播方向，副射线在射线束中可围绕主射线6周围布置，且其方向相对于主射线6可取决于位置在射线束5内被倾斜，由此表示射线束5的散度。射线束5可具有多个副射线和这样的主射线6，或主射线可在射线束5中不存在，例如被隐藏(例如，借助于隔板)，或不通过射线源10提供。在该情况下，主射线6可以是虚拟的主射线6，其基本上可描述/表不射线束5的传播方向。
[0020]然而，针对功能描述的该术语不限制射线束5的可能特性，因此例如由不同的几何形状、波长和偏振的多个部分束构成的射线束5的组合是可能的。同样地，根据本发明下述射线束5是可能的，即，其强度分布在横截面上是不均匀的或不对称的，或其强度分布在主射线6的区域中具有最小值或最大值。
[0021]当在下文中，相对于射线或射线束使用概念“成像”时，则可以理解成，第一射线被偏转或引导通过光学系统/光学部件，使得其在光学系统之后的进一步延伸中通过第二射线或射线束描述。在该意义下，第一射线或第一射线束被成像到第二射线或第二射线束上。关于此点，概念“成像”可在光学成像的意义下理解。
[0022]散度改变装置I具有光学系统15，其与射线偏转装置30 —起形成基本远心布置31,射线偏转装置被布置在光学系统15的第一焦点16上或临近第一焦点。远心(光学)布置被看成具有远心成像特性的布置。例如当通过光学系统15的第一焦点16入射到光学系统15上的射线独立于入射角和/或射线汇集到光学系统15上的位置被偏转到一方向上时，存在远心成像特性。换而言之，对于远心成像，延伸通过第一焦点16且汇集到光学系统15上的射线相互平行地被偏转到一方向上，其独立于入射角或入射位置到光学系统15上。光学系统15可被实施成，使得其具有成像特性，该特性对应于抛物面镜的特性(例如，入射的射线束可相对于其散度被成像成，如同其在抛物面镜上被反射)。根据本发明，远心成像例如可借助于具有光学系统15的远心布置31或通过其他方式实现，该光学系统具有反射系统20 (例如抛物面形反射器20)或远心折射系统25 (例如透镜系统)。远心布置31可具有这样的结构和/或构建有这样的材料，即，其适用于成像传输高功率的射线束5。
[0023]光学系统15具有第一系统区域17和第二系统区域18。第一系统区域17和第二系统区域18可具有不同的光学特性或相同的光学特性，且可以被构建成在空间上相互分开的(例如，构建成分开的区域)，或可以被构建成相互成整体的(例如整体集成)。第一系统区域17和第二系统区域18例如可以通过分别单独的、分开的反射系统(例如抛物面镜)形成，或分别通过单独的、分开的折射系统(例如，透镜系统，例如具有一个或多个透射光学元件或例如焦阑物镜)形成。
[0024]形成光学系统15的第一系统区域17和第二系统区域18可与射线偏转装置30 —起作用共同提供远心布置31的远心成像特性。这表示，第一系统区域17可具有远心成像特性，且第二系统区域18可具有远心成像特性，其中，第一系统区域17的(物方)焦点和第二系统区域18的(像方)焦点基本在第一焦点16的位置上重叠，使得其共同形成第一焦点16。
[0025]根据本发明，不通过第一焦点16汇集到光学系统15的第一系统区域17上的射线被光学系统15的第一系统区域17以与下述射线成一定角度地偏转，该射线通过第一焦点16汇集到光学系统15的第一系统区域17上。
[0026]根据本发明，射线束5的通过第一焦点16 (或位于第一焦点16附近的点)汇集到光学系统15的第一系统区域17上的射线是主射线6，且射线束5的其他射线是副射线。在不存在的、例如被隐藏消失的或未提供的主射线6的情况下，相应的假设/虚拟存在的主射线6汇集到焦点16上或到焦点16附近。不是所有由射线源10产生的射线属于必须例如汇集到第一系统区域17、第二系统区域18和/或射线偏转装置30上的射线束5，而是射线束5可以是由射线源10提供或产生的射线的一部分。
[0027]射线束5的副射线被第一系统区域17偏转至射线束5的主射线6的角度取决于射线束5汇集到光学系统15的第一系统区域17上的入射角(和/或入射地点)。相应地，通过光学系统15的第一系统区域17成像的射线束5的散度不同于(例如小于或大于)在通过光学系统15的第一系统区域17成像之前的同一射线束5的散度。如上所述的，通过光学系统15的第一系统区域17成像之后的副射线与主射线6限定的角度取决于射线束5汇集到光学系统15 (或其第一系统区域17)上的位置和/或角度。
[0028]这例如导致，延伸通过第一焦点16的主射线6被偏转到独立于入射角和/或主射线6汇集到第一系统区域17上的方向上。射线束5的在此称为副射线的通过光学系统15的第一系统区域17成像的其他射线限定相对于延伸通过第一焦点16的主射线6的角度，其中，该角度取决于入射角和/或射线束5到第一系统区域17上的入射位置。
[0029]在射线束5的主射线6和副射线之间限定的(或例如与主射线限定平面的两个副射线之间的)角度(发散角)，在通过光学系统15的第一系统区域17成像之后不同于，例如小于或大于成像之前的发散角。这例如可导致，通过第一焦点16汇集和成像到光学系统15上的发散的或平行的射线束5通过光学系统15的第一系统区域17被成像成收敛的射线束5，或发散的射线束5通过第一系统区域17光学系统I被成像成具有更小散度的发散的射线束。同样地，例如收敛的射线束5可以通过光学系统15的第一系统区域17被成像成收敛的射线束5，其中，射线束5在通过光学系统15的第一系统区域17成像之后的收敛特性可比成像之前更强烈。
[0030]当射线束5通过光学系统15的第一系统区域17被成像成收敛的射线束5时，该收敛的射线束5可形成焦点5a或焦线5a。焦点5a可以是在射线束5通过光学系统15的第一系统区域17成像之后，多个(例如所有)收敛的射线束5的射线汇集的点。焦线5a可以是例如当通过射线路径中的元件在散度改变装置之前和/或内和/或之后妨碍形成焦点时出现的线，如可以是下述情况，即，当光学系统15根据本发明具有(或相应地被构建)额外的柱面透镜或具有额外的抛物柱面镜或射线折转装置34的镜子具有合适的柱形折射能力(例如被构建成抛物柱面镜)时。为简化描述，在下文中，概念“焦点”既用于焦点5a也用于焦线5a。
[0031]焦点5a也不必需被构建成实际的点，而也可以由于由第一系统区域17造成的成像失常而被构建成模糊的。成像失常例如也可以通过对射线适当(例如对称)引导通过第二系统区域18再次至少部分地被补充。对于一些应用，被构建成反射系统20的光学系统15可比被构建成折射系统25的光学系统15更适用，因为产生少的或不产生像差/成像失常。在形成模糊的“焦点”5a时，S卩，形成具有更大的空间膨胀的焦点时(即，也在焦线的情况下)，焦点5a的区域中的光功率密度减小，这例如与具有高功率密度的射线源连接是有利的。对于在图2和3中所示的实施例，在一些应用情况下有利的是，通过在第一系统区域17处的第一成像形成“模糊的”焦点5a/b (这导致焦点上更低的功率密度)，且焦点5a/b的模糊性因为光学系统15的对称特性通过