散度改變裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】散度改變裝置
[0001]本發(fā)明涉及一種散度改變裝置，特別涉及具有基本遠(yuǎn)心光學(xué)布置的散度改變裝置，用于可變調(diào)節(jié)地改變電磁射線束的發(fā)散角。
【背景技術(shù)】
[0002]改變諸如激光的電磁射線的散度在多個(gè)領(lǐng)域中是必要的，例如對(duì)于材料加工或顯微術(shù)。例如改變射線的散度可能是必要的，從而通過(guò)改變散度而移動(dòng)電磁射線的焦點(diǎn)。
[0003]例如，對(duì)于激光材料加工可能必要的是，利用可快速改變的焦距將激光射線的工作焦點(diǎn)聚焦到待加工的工件上，從而實(shí)現(xiàn)最佳的加工效率，因?yàn)橥ǔ＜す馍渚€借助于多個(gè)可控制的且可移動(dòng)的鏡高速地被引導(dǎo)到工件上。在此，由于工件的尺寸導(dǎo)致激光源與工件之間的不同距離，因此可能必要的是，快速地聚焦激光射線，從而實(shí)現(xiàn)將激光射線的能量有效且精確地傳遞到工件上。
[0004]因此期望一種用于改變電磁射線的散度的散度改變裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]對(duì)此，本發(fā)明提出一種用于可變調(diào)節(jié)地改變電磁射線束的散度的散度改變裝置，該電磁射線束通過(guò)主射線表示，且任選地具有這樣的主射線以及多個(gè)副射線，該散度改變裝置具有:射線源，用于提供至少具有多個(gè)副射線的射線束；具有光學(xué)系統(tǒng)和射線偏轉(zhuǎn)裝置的基本遠(yuǎn)心布置，該光學(xué)系統(tǒng)具有第一焦點(diǎn)、第一系統(tǒng)區(qū)域和第二系統(tǒng)區(qū)域，射線偏轉(zhuǎn)裝置被布置在第一焦點(diǎn)上或臨近第一焦點(diǎn)，且其這樣地被布置和設(shè)置，使得射線束從射線源匯集到射線偏轉(zhuǎn)裝置上，其中，主射線在第一焦點(diǎn)上或臨近第一焦點(diǎn)地匯集到射線偏轉(zhuǎn)裝置上，且射線偏轉(zhuǎn)裝置可將來(lái)自射線源的射線束以不同的入射角引導(dǎo)至光學(xué)系統(tǒng)的第一系統(tǒng)區(qū)域，其中，光學(xué)系統(tǒng)這樣地構(gòu)建，即，射線束被第一系統(tǒng)區(qū)域成像(abbilden)，使得被弓I導(dǎo)至第一系統(tǒng)區(qū)域的射線束的主射線從第一系統(tǒng)區(qū)域被偏轉(zhuǎn)到基本獨(dú)立于入射角的方向上，且使得射線束的多個(gè)副射線以相比于在成像之前另外的以及取決于入射角的發(fā)散角相對(duì)于主射線被成像；以及射線折轉(zhuǎn)裝置，其被構(gòu)建成，使得其將被光學(xué)系統(tǒng)的第一系統(tǒng)區(qū)域成像的射線束偏轉(zhuǎn)到光學(xué)系統(tǒng)的第二系統(tǒng)區(qū)域，其中，射線束被光學(xué)系統(tǒng)的第二系統(tǒng)區(qū)域成像成，使得射線束再次匯集到射線偏轉(zhuǎn)裝置上，其中，主射線在第一焦點(diǎn)上或臨近第一焦點(diǎn)地再次匯集到射線偏轉(zhuǎn)裝置上，且其中，多個(gè)副射線再次匯集到射線偏轉(zhuǎn)裝置上，其中，再次匯集的射線束被射線偏轉(zhuǎn)裝置偏轉(zhuǎn)成，使得其主射線是基本位置固定的，且非共線地和/或空間地與射線束的主射線分開，該射線束從射線源匯集到射線偏轉(zhuǎn)裝置上。
[0006]此外，本發(fā)明提供一種散度改變布置，具有至少或正好兩個(gè)如前所述的散度改變裝置，其中，該至少或正好兩個(gè)散度改變裝置被布置成，使得其形成上游散度改變裝置和在其下游的散度改變裝置，具有共同的射線路徑，其中，射線束形成下游散度改變裝置的射線源，所述射線束的主射線被上游散度改變裝置成像成位置固定的。
[0007]此外，本發(fā)明提供一種射線位置和散度改變裝置，具有:如上所述的散度改變裝置和/或散度改變布置、2D掃描系統(tǒng)以及控制裝置，其中，散度改變裝置和/或散度改變布置與2D掃描系統(tǒng)形成共同的射線路徑，其中只要分別提供，則散度改變裝置和散度改變布置被布置在射線路徑中在2D掃描系統(tǒng)之前，其中，2D掃描系統(tǒng)被設(shè)置成，將從散度改變裝置或散度改變布置中射出的且匯集到2D掃描系統(tǒng)上的射線束的傳播方向設(shè)置到兩個(gè)相互獨(dú)立的空間維度中，且其中，控制裝置被設(shè)置成，傳播方向借助于2D掃描系統(tǒng)且散度改變借助于散度改變裝置和/或散度改變布置以指定的及可選擇的方式根據(jù)控制信息設(shè)置。
[0008]附圖描沭
[0009]圖1從兩個(gè)視角示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的散度改變裝置，具有光學(xué)系統(tǒng)，其被構(gòu)建成折射系統(tǒng)。
[0010]圖2示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的散度改變裝置，具有光學(xué)系統(tǒng)，其被構(gòu)建成反射系統(tǒng)。
[0011]圖3以透視圖示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的散度改變裝置，具有光學(xué)系統(tǒng)，其被構(gòu)建成反射系統(tǒng)。
[0012]圖4示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的散度改變裝置，此外其中集成了射線擴(kuò)張功能。
[0013]圖5示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的散度改變裝置。
[0014]圖6不意性地不出散度改變布置,具有兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的散度改變裝置。
[0015]圖7示意性的示出散度改變裝置，具有根據(jù)本發(fā)明的回反射裝置，其可被提供給散度改變裝置的各實(shí)施方式。
[0016]圖8示意性地根據(jù)本發(fā)明的散度改變裝置或散度改變布置的示意圖以及回反射
>J-U ρ?α裝直。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明結(jié)合附圖提供用于改變電磁射線束5的散度的散度改變裝置I。散度改變裝置I具有射線源10，用于產(chǎn)生電磁射線束5。射線源10可被設(shè)置成，提供或產(chǎn)生電磁射線束5(下文中也簡(jiǎn)稱為“射線束”)，其可具有任意的偏振，例如線偏振、圓偏振或橢圓偏振。射線源10可設(shè)置成，提供具有任意波長(zhǎng)的射線束5。射線源10可以例如是激光射線源10、用于可見光的射線源10或用于紫外或紅外射線的射線源10。射線源10可以是脈沖激光射線源10，其產(chǎn)生多個(gè)脈沖的、即時(shí)間上中斷的射線束5，或射線源10可以是激光射線源10，其產(chǎn)生連續(xù)的射線束5。射線源10可以是高效能射線源，其產(chǎn)生可適用于材料加工(例如，熔化或汽化諸如鋼的金屬)的射線。由射線源10產(chǎn)生的射線束5可具有多個(gè)(例如大量)射線(例如單射線)，且可具有任意的橫截面，例如圓形、橢圓形、或多角形的橫截面。射線束5可具有散度。散度可表示成射線束的射線相互匯合或相互遠(yuǎn)離的角度。射線源10例如可以是激光射線源10，具有超過(guò)2mW的功率(例如具有激光功率級(jí)2之上的激光功率級(jí))，具有超過(guò)500mW的功率，具有超過(guò)1W和/或具有直至20kW的功率。激光射線源10可以例如是脈沖輻射，具有小于I μ S的脈沖持續(xù)時(shí)間，以及具有高于10nJ或高于ImJ的脈沖能量和/或具有低于幾個(gè)焦耳的脈沖能量(例如低于5J)。激光射線源10例如也可以產(chǎn)生脈沖輻射，其具有小于大致1ps的脈沖持續(xù)時(shí)間，且具有大致I至1nJ的脈沖能量，例如當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的裝置用于加工或用于與生物組織相互作用(例如，實(shí)施眼睛上的手術(shù)等)時(shí)。在該點(diǎn)上，射線源10也可以是(例如虛擬的)入射光瞳，通過(guò)其為散度改變裝置I提供射線束5，也就是說(shuō)，射線源10不必是物理的、實(shí)體的射線源10。在該情況下，通過(guò)射線源10提供射線束5，其對(duì)應(yīng)于由上述“物理的”射線源10所產(chǎn)生的射線束5。
[0018]在該點(diǎn)上，平行的射線束5可具有零散度，發(fā)散的射線束具有正值的散度，且收斂的射線束具有負(fù)值。相應(yīng)地，射線束5可以是平行的(即，例如射線束5的射線基本相互平行的延伸)、發(fā)散的(即，例如射線基本相互遠(yuǎn)離)、或收斂的(即，例如射線基本相互收攏)，例如當(dāng)其離開射線源10時(shí)。
[0019]在下文中對(duì)散度改變裝置I功能方面的描述中，射線束5通過(guò)主射線6以及多個(gè)副射線以數(shù)學(xué)方式表示，如在光學(xué)系統(tǒng)中常見的，主射線基本上在射線束5的中間延伸，且表示射線束5的傳播方向，副射線在射線束中可圍繞主射線6周圍布置，且其方向相對(duì)于主射線6可取決于位置在射線束5內(nèi)被傾斜，由此表示射線束5的散度。射線束5可具有多個(gè)副射線和這樣的主射線6，或主射線可在射線束5中不存在，例如被隱藏(例如，借助于隔板)，或不通過(guò)射線源10提供。在該情況下，主射線6可以是虛擬的主射線6，其基本上可描述/表不射線束5的傳播方向。
[0020]然而，針對(duì)功能描述的該術(shù)語(yǔ)不限制射線束5的可能特性，因此例如由不同的幾何形狀、波長(zhǎng)和偏振的多個(gè)部分束構(gòu)成的射線束5的組合是可能的。同樣地，根據(jù)本發(fā)明下述射線束5是可能的，即，其強(qiáng)度分布在橫截面上是不均勻的或不對(duì)稱的，或其強(qiáng)度分布在主射線6的區(qū)域中具有最小值或最大值。
[0021]當(dāng)在下文中，相對(duì)于射線或射線束使用概念“成像”時(shí)，則可以理解成，第一射線被偏轉(zhuǎn)或引導(dǎo)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)/光學(xué)部件，使得其在光學(xué)系統(tǒng)之后的進(jìn)一步延伸中通過(guò)第二射線或射線束描述。在該意義下，第一射線或第一射線束被成像到第二射線或第二射線束上。關(guān)于此點(diǎn)，概念“成像”可在光學(xué)成像的意義下理解。
[0022]散度改變裝置I具有光學(xué)系統(tǒng)15，其與射線偏轉(zhuǎn)裝置30 —起形成基本遠(yuǎn)心布置31,射線偏轉(zhuǎn)裝置被布置在光學(xué)系統(tǒng)15的第一焦點(diǎn)16上或臨近第一焦點(diǎn)。遠(yuǎn)心(光學(xué))布置被看成具有遠(yuǎn)心成像特性的布置。例如當(dāng)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)15的第一焦點(diǎn)16入射到光學(xué)系統(tǒng)15上的射線獨(dú)立于入射角和/或射線匯集到光學(xué)系統(tǒng)15上的位置被偏轉(zhuǎn)到一方向上時(shí)，存在遠(yuǎn)心成像特性。換而言之，對(duì)于遠(yuǎn)心成像，延伸通過(guò)第一焦點(diǎn)16且匯集到光學(xué)系統(tǒng)15上的射線相互平行地被偏轉(zhuǎn)到一方向上，其獨(dú)立于入射角或入射位置到光學(xué)系統(tǒng)15上。光學(xué)系統(tǒng)15可被實(shí)施成，使得其具有成像特性，該特性對(duì)應(yīng)于拋物面鏡的特性(例如，入射的射線束可相對(duì)于其散度被成像成，如同其在拋物面鏡上被反射)。根據(jù)本發(fā)明，遠(yuǎn)心成像例如可借助于具有光學(xué)系統(tǒng)15的遠(yuǎn)心布置31或通過(guò)其他方式實(shí)現(xiàn)，該光學(xué)系統(tǒng)具有反射系統(tǒng)20 (例如拋物面形反射器20)或遠(yuǎn)心折射系統(tǒng)25 (例如透鏡系統(tǒng))。遠(yuǎn)心布置31可具有這樣的結(jié)構(gòu)和/或構(gòu)建有這樣的材料，即，其適用于成像傳輸高功率的射線束5。
[0023]光學(xué)系統(tǒng)15具有第一系統(tǒng)區(qū)域17和第二系統(tǒng)區(qū)域18。第一系統(tǒng)區(qū)域17和第二系統(tǒng)區(qū)域18可具有不同的光學(xué)特性或相同的光學(xué)特性，且可以被構(gòu)建成在空間上相互分開的(例如，構(gòu)建成分開的區(qū)域)，或可以被構(gòu)建成相互成整體的(例如整體集成)。第一系統(tǒng)區(qū)域17和第二系統(tǒng)區(qū)域18例如可以通過(guò)分別單獨(dú)的、分開的反射系統(tǒng)(例如拋物面鏡)形成，或分別通過(guò)單獨(dú)的、分開的折射系統(tǒng)(例如，透鏡系統(tǒng)，例如具有一個(gè)或多個(gè)透射光學(xué)元件或例如焦闌物鏡)形成。
[0024]形成光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17和第二系統(tǒng)區(qū)域18可與射線偏轉(zhuǎn)裝置30 —起作用共同提供遠(yuǎn)心布置31的遠(yuǎn)心成像特性。這表示，第一系統(tǒng)區(qū)域17可具有遠(yuǎn)心成像特性，且第二系統(tǒng)區(qū)域18可具有遠(yuǎn)心成像特性，其中，第一系統(tǒng)區(qū)域17的(物方)焦點(diǎn)和第二系統(tǒng)區(qū)域18的(像方)焦點(diǎn)基本在第一焦點(diǎn)16的位置上重疊，使得其共同形成第一焦點(diǎn)16。
[0025]根據(jù)本發(fā)明，不通過(guò)第一焦點(diǎn)16匯集到光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17上的射線被光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17以與下述射線成一定角度地偏轉(zhuǎn)，該射線通過(guò)第一焦點(diǎn)16匯集到光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17上。
[0026]根據(jù)本發(fā)明，射線束5的通過(guò)第一焦點(diǎn)16 (或位于第一焦點(diǎn)16附近的點(diǎn))匯集到光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17上的射線是主射線6，且射線束5的其他射線是副射線。在不存在的、例如被隱藏消失的或未提供的主射線6的情況下，相應(yīng)的假設(shè)/虛擬存在的主射線6匯集到焦點(diǎn)16上或到焦點(diǎn)16附近。不是所有由射線源10產(chǎn)生的射線屬于必須例如匯集到第一系統(tǒng)區(qū)域17、第二系統(tǒng)區(qū)域18和/或射線偏轉(zhuǎn)裝置30上的射線束5，而是射線束5可以是由射線源10提供或產(chǎn)生的射線的一部分。
[0027]射線束5的副射線被第一系統(tǒng)區(qū)域17偏轉(zhuǎn)至射線束5的主射線6的角度取決于射線束5匯集到光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17上的入射角(和/或入射地點(diǎn))。相應(yīng)地，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17成像的射線束5的散度不同于(例如小于或大于)在通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17成像之前的同一射線束5的散度。如上所述的，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17成像之后的副射線與主射線6限定的角度取決于射線束5匯集到光學(xué)系統(tǒng)15 (或其第一系統(tǒng)區(qū)域17)上的位置和/或角度。
[0028]這例如導(dǎo)致，延伸通過(guò)第一焦點(diǎn)16的主射線6被偏轉(zhuǎn)到獨(dú)立于入射角和/或主射線6匯集到第一系統(tǒng)區(qū)域17上的方向上。射線束5的在此稱為副射線的通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17成像的其他射線限定相對(duì)于延伸通過(guò)第一焦點(diǎn)16的主射線6的角度，其中，該角度取決于入射角和/或射線束5到第一系統(tǒng)區(qū)域17上的入射位置。
[0029]在射線束5的主射線6和副射線之間限定的(或例如與主射線限定平面的兩個(gè)副射線之間的)角度(發(fā)散角)，在通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17成像之后不同于，例如小于或大于成像之前的發(fā)散角。這例如可導(dǎo)致，通過(guò)第一焦點(diǎn)16匯集和成像到光學(xué)系統(tǒng)15上的發(fā)散的或平行的射線束5通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17被成像成收斂的射線束5，或發(fā)散的射線束5通過(guò)第一系統(tǒng)區(qū)域17光學(xué)系統(tǒng)I被成像成具有更小散度的發(fā)散的射線束。同樣地，例如收斂的射線束5可以通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17被成像成收斂的射線束5，其中，射線束5在通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17成像之后的收斂特性可比成像之前更強(qiáng)烈。
[0030]當(dāng)射線束5通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17被成像成收斂的射線束5時(shí)，該收斂的射線束5可形成焦點(diǎn)5a或焦線5a。焦點(diǎn)5a可以是在射線束5通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)15的第一系統(tǒng)區(qū)域17成像之后，多個(gè)(例如所有)收斂的射線束5的射線匯集的點(diǎn)。焦線5a可以是例如當(dāng)通過(guò)射線路徑中的元件在散度改變裝置之前和/或內(nèi)和/或之后妨礙形成焦點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)的線，如可以是下述情況，即，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)15根據(jù)本發(fā)明具有(或相應(yīng)地被構(gòu)建)額外的柱面透鏡或具有額外的拋物柱面鏡或射線折轉(zhuǎn)裝置34的鏡子具有合適的柱形折射能力(例如被構(gòu)建成拋物柱面鏡)時(shí)。為簡(jiǎn)化描述，在下文中，概念“焦點(diǎn)”既用于焦點(diǎn)5a也用于焦線5a。
[0031]焦點(diǎn)5a也不必需被構(gòu)建成實(shí)際的點(diǎn)，而也可以由于由第一系統(tǒng)區(qū)域17造成的成像失常而被構(gòu)建成模糊的。成像失常例如也可以通過(guò)對(duì)射線適當(dāng)(例如對(duì)稱)引導(dǎo)通過(guò)第二系統(tǒng)區(qū)域18再次至少部分地被補(bǔ)充。對(duì)于一些應(yīng)用，被構(gòu)建成反射系統(tǒng)20的光學(xué)系統(tǒng)15可比被構(gòu)建成折射系統(tǒng)25的光學(xué)系統(tǒng)15更適用，因?yàn)楫a(chǎn)生少的或不產(chǎn)生像差/成像失常。在形成模糊的“焦點(diǎn)”5a時(shí)，S卩，形成具有更大的空間膨脹的焦點(diǎn)時(shí)(即，也在焦線的情況下)，焦點(diǎn)5a的區(qū)域中的光功率密度減小，這例如與具有高功率密度的射線源連接是有利的。對(duì)于在圖2和3中所示的實(shí)施例，在一些應(yīng)用情況下有利的是，通過(guò)在第一系統(tǒng)區(qū)域17處的第一成像形成“模糊的”焦點(diǎn)5a/b (這導(dǎo)致焦點(diǎn)上更低的功率密度)，且焦點(diǎn)5a/b的模糊性因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)15的對(duì)稱特性通過(guò)