Optische Einheit und Verfahren zum Betreiben einer optischen Einheit

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine optische Einheit und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Einheit gemäß den Hauptansprüchen.

In optischen Systemen wird oftmals durch die Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung auf optische Elemente, beispielsweise in dem Fall der Einstrahlung eines Laserstrahls auf eine Linse oder ein Prisma, dieses optische Element erwärmt, sodass sich einerseits die Brechzahl des optischen Elements verändern kann und anderseits auch eine gewisse thermische Ausdehnung dieses Element erfolgt, was in der Folge dazu führt, dass die optische Funktion dieses optischen Elements verändert wird und eine gewünschte Brechung durch dieses optische Element nicht mehr erreicht werden kann.

Hiervon ausgehend wird eine optische Einheit sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser optischen Einheit gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der Hauptansprüche werden durch die abhängigen Ansprüche definiert.

Vorliegend wird eine optische Einheit mit den folgenden Merkmalen vorgestellt:

einem Brechelement, das ausgebildet ist, um einen Strahl einer von einer Strahlungsquelle auf ein Objekt ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung zu brechen; und

ein Sensorelement, das ausgebildet ist, um eine Temperatur auf zumindest einem Teilbereich des Brechelementes berührungslos zu erfassen und ansprechend auf die Temperatur ein Temperatursignal auszugeben.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der eine Fokussiereinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um abhängig von dem Temperatursignal einen Abstand zwischen dem Brechelement und dem Objekt zu verändern und/oder zwischen der Strahlungsquelle und dem Brechelement oder dem Objekt zu verändern und/oder um eine Position eines Hilfselements in einem Strahlengang des Strahls zu verändern, um den Strahl auf das Objekt zu fokussieren. Unter einem Brechelement kann ein optisches Element verstanden werden, welches einen Strahl einer elektromagnetischen Strahlung brechen oder ablenken kann. Beispielsweise kann ein solches Brechelement eine Linse oder ein Prisma sein. Auch kann das Brechelement mehrere Teilelemente aufweisen, die selbst wieder als optisch brechende Elemente wirken. Unter einer elektromagnetischen Strahlung kann beispielsweise eine Lichtstrahlung verstanden werden, die beispielsweise durch eine Lichtquelle oder eine Laserquelle als Strahlungsquelle ausgesandt wird. Denkbar ist auch, dass die elektromagnetische Strahlung eine Infrarot-Strahlung ist. Unter einem Sensorelement kann ein Element verstanden werden, welches Temperaturen berührungslos erfassen kann, beispielsweise durch die Erkennung und Aufzeichnung einer Infrarotstrahlung. Unter einem Temperatursignal kann ein elektrisches Signal verstanden werden, welches eine Temperatur in einem Teilbereich des Brechelementes repräsentiert. Unter einem Teilbereich des Brechelementes kann beispielsweise eine Oberfläche dieses Brechelementes, beispielsweise in einem zentralen Abschnitt oder Mittelbereich dieses Brechelements, verstanden werden, wobei dieser Teilbereich beispielsweise von dem Strahl der elektromagnetischen Strahlung durchstrahlt wird. Unter einer Fokussiereinheit kann beispielsweise eine mechanische Einheit verstanden werden, welche unterschiedliche Komponenten zueinander bewegen kann um hierbei beispielsweise einen Brennpunkt oder Schnittpunkt von Strahlen durch die optische Einheit zu verändern. Unter einem Hilfselement kann beispielsweise ein weiteres optisches Element wie eine Linse, ein Prisma, eine Scheibe oder ein Strahlaufweiter verstanden werden, der im Strahlengang des Strahls angeordnet ist.

Es ist hierbei anzumerken, dass die Fokussiereinheit (die hier beispielsweise als„Motor" ausgestaltet sein kann, nicht zwingend vorhanden zu sein braucht. Die Fokussierung könnte auch„außen" erfolgen, beispielsweise durch ein Ändern der Werkstückposition bzw. des Brechelementes über einen Hubtisch.

Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Ermittlung und Verwendung des Temperatursignals zur Fokussierung eine Möglichkeit besteht, eine Fehlausrichtung des Brechelements aufgrund einer Änderung der Temperatur in einem Teilbereich des Brechelements, insbesondere durch welchen der Strahl bzw. der Strahlengang verläuft, korrigieren zu können. Hierdurch wird eine deutlich effizientere Ausnutzung der elektromagnetischen Strahlung für einen gewünschten Einsatzzweck erreicht. Durch eine berührungslose Erfassung der Temperatur auf dem zumindest einen Teilbereich des Brechelementes lässt sich ferner eine sehr schnelle und Messfehler- robuste Erfassung dieser Temperatur sicherstellen, sodass eine zeitnahe Nachadaption der Fokussierung des Lichtstrahls erreicht werden kann.

Günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der das Sensorelement ausgebildet ist, um ferner eine Temperatur auf zumindest einem weitere Teilbereich des Brechelementes und/oder einem Teil eines das Brechelement tragenden Halteelement berührungslos zu erfassen, um ein weiteres Temperatursignal auszugeben, wobei die Fokussiereinheit ausgebildet ist, um abhängig von dem weiteren Temperatursignal einen Abstand zwischen dem Brechelement und dem Objekt zu verändern und/oder zwischen der Strahlungsquelle und dem Brechelement oder dem Objekt zu verändern und/oder um eine Position eines Hilfselements in einem Strahlengang des Strahls zu verändern, um den Strahl auf das Objekt zu fokussieren. Unter einem Halteelement kann beispielsweise ein Gehäuseteil verstanden werden, welches das Brechelement aufnimmt oder hält. Der weitere Teilbereich des Brechelements kann hierbei ein beispielsweise anderer Teilbereich der gleichen Komponenten des Brechelements sein, an dem auch das Sensorelement die Temperatur erfasst hat. Beispielsweise kann das Sensorelement die Temperatur in einem zentralen mittleren Teil einer Linse als Brechelement erfassen, der im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung liegt, und weiterhin eine Temperatur in einem Randbereich der Linse als Brechelement erfassen, die nicht im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung liegt. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise durch einen Vergleich der beiden erfassten Temperaturen auch erkennen, ob eine Temperaturerhöhung im zentralen mittleren Teil des Brechelements möglicherweise durch die Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung bedingt ist, oder ob eine Erhöhung der Umgebungstemperatur, die auf beide Teilbereich des Brechelements gleich wirkt, für eine erfasste Änderung der Temperatur ursächlich ist. Auf diese Weise lässt sich eine deutlich präzisere Anpassung der Fokussierung der optischen Einheit erreichen.

Besonders günstig ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der das Sensorelement zumindest zwei voneinander beabstandete Sensoren (auch Sensoreinheiten genannt) aufweist, wobei eine erste Sensoreinheit ausgebildet ist, die Temperatur eines ersten Teilelementes des Brechelementes zu erfassen und eine zweite Sensoreinheit ausgebildet ist, die Temperatur eines zweiten Teilelementes des Brechelementes zu erfassen und/oder wobei die erste Sensoreinheit ausgebildet ist, die Temperatur des Teilbereichs zu erfassen und die zweite Sensoreinheit ausgebildet ist, die Temperatur des weiteren Teilbereichs zu erfassen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch die voneinander beabstandeten Sensoren eine möglichst große Unabhängigkeit bei der Erfassung der Temperatur des Teilbereichs und der Erfassung der Temperatur des weiteren Teilbereichs oder der Temperaturen von unterschiedlichen Teilelementen des Brechelementes zu erreichen.

Denkbar ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der das Sensorelement ausgebildet ist, um die Temperatur des Brechelementes aus einer Position in einem das Brechelement aufnehmenden Gehäuse zu erfassen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, besonders empfindlich auf Temperaturänderungen in einem Inneren der optischen Einheit reagieren zu können, ohne dass thermische Umwelteinflüsse außerhalb der optischen Einheit eine Messung dieser Temperatur/Temperaturen übermäßig beeinflussen.

Von Vorteil ist auch eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bei der das Sensorelement ausgebildet ist, um die Temperatur des Brechelementes durch ein Fenster in einem das Brechelement tragenden Gehäuse zu erfassen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer besonders günstigen Realisierungsmöglichkeit für das Sensorelement, wobei ferner eine Beeinflussung einer Messung des Sensorelementes durch ein Aufheizen des Brechelements oder zumindest Teilen des Brechelements möglichst vermieden werden kann.

Ferner kann auch gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes das Sensorelement ausgebildet sein, um die Temperatur in einem zentralen Bereich des Brechelementes zu erfassen und/oder wobei das Brechelement als optische Linse ausgeformt ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, denjenigen Bereich des Brechelementes besonders gut überwachen zu können, durch welchen der Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung bzw. des Strahls führt und in welchem somit mit einer stärksten Änderung der Temperatur zu rechnen ist. Insofern kann eine sehr schnelle und fein abgestimmte Fokussierung des Strahls erfolgen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ferner eine Strahlungsquellensteuereinheit zur Steuerung oder Regelung einer Strahlungsabgabe durch die Strahlungsquelle vorgesehen sein, wobei die Strahlungsquellensteuereinheit ausgebildet ist, um die Strahlungsabgabe unter Verwendung des Temperatursignals zu steuern oder zu regeln. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, bei einem Erkennen einer kritischen Temperatur in einem Teilbereich des Brechelementes ein Nachregeln bzw. Abregeln der Leistungsabgabe durch die Strahlungsquelle vornehmen zu können. Besonders günstig ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der das Sensorelement außerhalb eines durch das Brechelement verlaufenden Strahlengangs der elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine Erwärmung des Sensorelements durch eine Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung vermieden werden, wodurch eine robuste und möglichst fehlerarme Messung der Temperatur in dem zumindest einen Teilbereich des gleichen Elements möglich wird.

Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform das Brechelement zumindest zwei Teilelemente aufweisen, wobei das Sensorelement ausgebildet ist, um zumindest je eine Temperatur an einem der Teilelemente zu erfassen, um das Temperatursignal bereitzustellen. Teilelemente eines solchen Brechelements können beispielsweise voneinander getrennte Linsen, Prismen, Streuscheiben oder dergleichen sein. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil unterschiedliche, optisch wirksame Komponenten des Brechelements durch das Sensorelement überwachen zu können, sodass auch thermische Effekte an unterschiedlichen Positionen der optischen Einheit überwacht oder kompensiert werden können.

Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung einer Variante der hier vorgestellten optischen Einheit in einer Materialbearbeitungsvorrichtung, einer Bildprojektionsvorrichtung und/oder einer Ultraviolett-Belichtungsvorrichtung. Unter einer

Materialbearbeitungsvorrichtung kann beispielsweise ein Laser- Materialbearbeitungswerkzeug verstanden werden. Unter einer Bildprojektionsvorrichtung kann beispielsweise ein Projektor zur Ausgabe von Bildern auf eine Leinwand, beispielsweise in einem Kino, verstanden werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, insbesondere in Bereichen mit auf die optischen Elemente eingestrahlten hohen Lichtleistungen und somit verbundenen hohen thermischen Effekten eine sehr gute und schnelle Überwachung der effizienten Nutzung der von der Strahlungsquelle abgegebenen elektromagnetischen Strahlung realisieren zu können.

Auch wird gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Verfahren zum Betreiben einer Variante der hier vorgestellten optischen Einheit vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: berührungsloses Erfassen einer Temperatur auf zumindest einem Teilbereich des Brechelementes zu erfassen, um ansprechend auf die Temperatur ein Temperatursignal auszugeben; und

abhängig von dem Temperatursignal, Verändern eines Abstands zwischen dem Brechelement und dem Objekt und/oder zwischen der Strahlungsquelle und dem Brechelement oder dem Objekt /oder um eine Position eines Hilfselements in einem Strahlengang des Strahls, um den Strahl auf das Objekt zu fokussieren.

Besonders günstig ist ferner auch eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren zur Analyse der Eigenschaften der optischen Einheit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- berührungsloses Erfassen der Temperatur an dem Brechelement oder einer anderen Komponente der optischen Einheit;

- Erfassen von zumindest einem weiteren System- und Verfahrensparameter, insbesondere eines Zeitverlaufs einer auf das Brechelement ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung (wie beispielsweise einer Laserleistung), einer Pulsdauer und/oder einer Pulshöhe der auf das Brechelement ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung;

- Erfassen einer Strahllage der elektromagnetischen Strahlung bei einem variierbaren Strahl durch die optische Einheit Scanneroptiken (z. B. einen Zeitverlauf der Strahlposition bei F-Theta-Objektiven); und

- Kombination der Parameter und Ableitung von Zustandsparametern (z. B. Zeitverlauf der Absorption) und daraus abgeleitete Ausfallprognose, um die optische Einheit zu analysieren.

Besonders günstig können Varianten dieses Verfahrens beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.

Auch schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Auch wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Computerprogramm vorgestellt, das auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium gespeichert sein kann. Das Programm kann zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

Günstige Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematische Querschnitt-Darstellung einer optischen Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes;

Fig. 2 eine schematische Querschnitt-Darstellung einer optischen Einheit gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des hier vorgeschlagenen Ansatzes;

Fig. 3A eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der optischen Einheit;

Fig. 3B eine perspektivische Ansicht der in der Figur 3A dargestellten Komponenten;

Fig. 4A eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der optischen Einheit;

Fig. 4B eine perspektivische Ansicht der in der Figur 4A dargestellten Komponenten;

Fig. 5A eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels einer optischen Einheit;

Fig. 5B eine perspektivische Ansicht der in der Figur 5A dargestellten Komponenten;

Fig. 6 eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der optischen Einheit; und Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Bei den beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden in den verschiedenen Figuren für ähnlich wirkende Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

Figur 1 zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer optischen Einheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes. Die optische Einheit 100 umfasst hierbei ein Brechelement 105, welches sich in diesem Ausführungsbeispiel aus zwei Teilelementen 1 10 und 1 15 zusammensetzt, wobei das erste Teilelement 1 10 als eine Zerstreuungslinse ausgeformt ist und das zweite Teilelement 1 15 als Sammellinse. Die Teileelemente 1 10 und 1 15 des Brechelementes 105 sind hierbei in einem Strahlengang 120 angeordnet, auf dem ein Strahl 122 einer elektromagnetischen Strahlung durch die optische Einheit 100 verläuft. Dieser Strahl 122 kann beispielsweise ein Licht- und/oder Laserstrahl sein, der von einer Strahlungsquelle 125, beispielsweise einer Laserdiode, ausgesandt wird und nach einem Passieren des Brechelements 105 beispielsweise an einem Spiegel 130 abgelenkt und auf ein Objekt 135 fokussiert wird. Dieses Objekt 135 kann beispielsweise ein Werkstück sein, welches durch den von der Strahlungsquelle 125 ausgesandten Laserstrahl als Strahl 122 der elektromagnetischen Strahlung erhitzt, strukturiert oder anderweitig bearbeitet wird. Wird nun von der Strahlungsquelle 124 ein sehr energiereicher Strahl 122, wie im vorliegenden Fall der Laserstrahl, zur Bearbeitung eines Materials des Objekts 135, ausgesandt, wird beim Durchstrahlen einer oder mehrerer Komponenten des Brechelementes 105 meist derjenige Bereich erwärmt, durch den der Strahl 122 auf dem jeweiligen Teilelement 1 10 bzw. 1 15 des Brechelements 105 verläuft. Hierdurch wird einerseits, wie vorstehend bereits kurz beschrieben, die Brechzahl des Materials dieses Teilelements des Brechelementes 105 verändert, was zu einer Veränderung des Brechverhaltens dieses Teilelement 1 10 bzw. 1 15 des Brechelementes 105 führt und somit Einfluss auf die Brennweite der betreffenden Teilelemente 1 10 bzw. 1 15 hat, wenn ein Strahl an den jeweiligen erwärmten Teilbereichen diese Teilelemente durchstrahlt, verglichen mit einem Strahl, der durch nicht erwärmte Teilbereiche dieser Komponenten des Brechelement 105 verläuft. Zusätzlich können sich auch die erwärmten Bereiche der Teilelemente 1 10 bzw. 1 15 des Brechelements 105 lokal ausdehnen, was ebenfalls zu einer Veränderung des Brechverhaltens dieser Teilbereiche der Teilelemente 1 10 bzw. 1 15 des Brechelements 105 führt. Um nun eine solche Veränderung des Brechverhaltens von Komponenten der optischen Einheit 100 erkennen bzw. kompensieren zu können, wird nun gemäß eines Ausführungsbeispiels des hier vorgestellten Ansatzes vorgeschlagen, ein Sensorelement 140 vorzusehen, welches ausgebildet ist, um eine Temperatur auf zumindest einem Teilbereich (zumindest eines Teilelementes 1 10 bzw. 1 15) des Brechelementes 105 berührungslos zu erfassen und ein entsprechendes Temperatursignal 142 auszugeben. Beispielsweise kann eine solche berührungslose Messung der Temperatur unter Verwendung eines Infrarot-Strahlungsdetektors in dem Sensorelement 140 durchgeführt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das Sensorelement 140 ferner eine erste Sensoreinheit 145, die in oder an einem Gehäuse 147 der optischen Einheit 100 angebracht ist und die eine Temperatur eines Mittelbereichs 148 des ersten Teilelements 1 10 erfasst. Zusätzlich ist in dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine zweite Sensoreinheit 150 vorgesehen, die ebenfalls in oder an dem Gehäuse 147 der optischen Einheit 100 angebracht ist und die eine Temperatur eines Mittelbereichs 152 des zweiten Teilelements 1 15 erfasst. Genauer gesagt kann durch die erste Sensoreinheit 145 eine Temperatur der der Strahlungsquelle 124 abgewandten Oberfläche des ersten Teilelements 1 10 erfasst werden, wogegen durch die zweite Sensoreinheit 150 eine Temperatur der der Strahlungsquelle 125 zugewandten Oberfläche des zweiten Teilelements 1 15 erfasst werden kann. Durch die erste Sensoreinheit 145 kann dann mittels eines die Temperatur des Teilbereichs des ersten Teilelement 1 10 repräsentierenden Temperatursignals 142 eine Fokussiereinheit 160, genauer gesagt eine erste Teilfokussiereinheit 162 der Fokussiereinheit 160, angesteuert werden, die beispielsweise ausgebildet ist, eine Position eines ersten Halteelements 165 zur Halterung des ersten Teilelements 1 10 zu verändern und somit Einfluss auf die Brennweite der optischen Einheit 100 zu nehmen. Alternativ oder zusätzlich kann auch durch die zweite Sensoreinheit 150 mittels eines die Temperatur des Teilbereichs des zweiten Teilelements 1 15 repräsentierenden Temperatursignals 142' die Fokussiereinheit 160, genauer gesagt hier eine zweite Teilfokussiereinheit 167 der Fokussiereinheit 160 angesteuert werden, die beispielsweise ausgebildet ist, eine Position eines zweiten Halteelements 170 zur Halterung des zweiten Teilelements 1 15 zu verändern und somit ebenfalls Einfluss auf die Brennweite der optischen Einheit 100 zu nehmen. Beispielsweise kann die erste Teilfokussierungseinheit 162 und/oder die zweite Teilfokussierungseinheit 167 ausgebildet sein, um eine lineare Bewegung des ersten Halteelements 165 bzw. des zweiten Halteelements 170 in Richtung des Strahlengangs 120 zu bewirken. Durch eine solche Ausführung der optischen Einheit 100 lässt sich somit eine deutliche Verbesserung der (d. h. insbesondere effizientere) Ausnutzung des von der Strahlungsquelle 125 bereitgestellten Strahls 122 durch eine präzise Fokussierung dieses Strahls 122 auf das Objekt 135 realisieren. Denkbar ist ferner auch noch, dass beispielsweise durch die erste Sensoreinheit 145 die Temperatur eines Randbereichs 175 des ersten Teilelements 1 10 erfasst und in einem weiteren Temperatursignal 177 an die Fokussiereinheit 160, hier speziell die erste Teilfokussiereinheit 162 übermittelt wird. Hierbei kann dann eine Auswertung eines Temperaturunterschieds der Temperatur im Mittelbereich 148 über der Temperatur im Randbereich 175, beispielsweise in der ersten Teilfokussiereinheit 162 vorgenommen werden, die einen Rückschluss auf die durch den Strahl 122 bewirkte Temperaturerhöhung im Mittelbereich 148 des ersten Teilelements 1 10 liefert. Auf diese Weise können Temperaturveränderungen in der Umgebung um die optische Einheit 100 erkannt werden und bei der Neu-Justierung von Komponenten des Brechelementes 105 berücksichtigt werden.

Auch kann die Fokussiereinheit 160 beispielsweise eine Strahlungsquellensteuereinheit 180 aufweisen, die mit der Strahlungsquelle 125 gekoppelt ist und die ausgebildet ist, um eine Abgabe der elektromagnetischen Strahlung durch die Strahlungsquelle 125 zu steuern oder zu regeln. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine Überhitzung von Komponenten der optischen Einheit 100 wie beispielsweise den Teilelementen 1 10 und 1 15 des Brechelementes 105 vermeiden.

In der Figur 1 wurde der hier vorgestellte Ansatz einer optischen Einheit 100 im Zusammenhang mit der Verwendung in einer Materialbearbeitungsvorrichtung vorgestellt, durch welche beispielsweise das Material des Objekts 135 bearbeitet werden kann. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung der optischen Einheit 100 beispielsweise im Zusammenhang mit einer Bildprojektionsvorrichtung, zum Beispiel in einem Kinoprojektor, wobei dann das Objekt 135 die Leinwand wäre, auf der ein Bild entsprechend scharf abgebildet werden soll. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der hier vorgestellten optischen Einheit kann beispielsweise auch eine UV- Belichtungsvorrichtung sein, wie sie zur Strukturierung von Wafern in der Halbleiterherstellung Verwendung findet. In diesem Fall wäre als das Objekt 135 ein entsprechender Wafer anzunehmen, der beispielsweise mit einer Fotolackschicht bin jetzt ist, welche durch UV-Licht als elektromagnetische Strahlung belichtet werden soll.

Figur 2 zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung einer optischen Einheit 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des hier vorgeschlagenen Ansatzes, wobei die Strahlungsquelle entsprechend der Darstellung aus der Figur 1 in der Figur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellt ist. Hierbei ist beispielsweise das Brechelement 105 an einem Strahlen-Ausgang 200 der optischen Einheit 100 angeordnet, wobei zunächst eine Temperatur eines Teilbereichs von einem oder mehreren Teilelementen (wie hier den Teilelementen 1 10 und 1 15) durch das Sensorelement 140 erfasst wird. Ein diese Temperatur repräsentierendes Temperatursignal 142 wird dann an die Fokussiereinheit 160 übermittelt, welche eine Veränderung einer Position zumindest eines Hilfselements 210 bewirken kann, beispielsweise unter Verwendung eines Linearantriebselements 215. Dieses Hilfselement 1 10 kann beispielsweise in dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als Kombination aus einer Sammellinse und einer Zerstreuungslinse ausgebildet sein, sodass auch das Hilfselement 210 eine optische Brechwirkung entfalten kann, wenn der Strahl 122 die optische Einheit 100 durchstrahlt. Auf diese Weise kann ebenfalls eine Verbesserung der Fokussierung des Strahls 122 auf ein Objekt realisiert werden.

Figur 3A zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der optischen Einheit 100. Hierbei ist in der Figur 3A ein Sensorelement 140 wiedergegeben, welches außerhalb der Halteeinheit 165 angeordnet ist und beispielsweise auch außerhalb eines in der Figur 3A nicht dargestellten Gehäuses 147 entsprechend der Darstellung aus der Figur 1 angeordnet sein kann. Hierbei erfasst das Sensorelement 140 die Temperatur des Brechelements 105, welches in diesem Ausführungsbeispiel nur eine einzige Komponente in der Form einer Sammellinse umfasst, unter Verwendung eines Spiegels 300, der beispielsweise eine Infrarot strahlung spiegeln kann. Ferner ist der Spiegel 300 dazu ausgerichtet, dass er eine Erfassungsrichtung des Sensorelement 140 durch ein Fenster 310 in dem (ersten) Halteelement 165 bzw. einem um das Halteelement 165 herum angeordneten Gehäuses 167 auf einen Teilbereich, wie hier beispielsweise der Mittelbereich 148 des Brechelements 105, richten kann. Beispielsweise kann auch dieser Spiegel 300 beweglich oder verkippbar ausgelegt sein, sodass beispielsweise auch eine Temperatur in einem Bereich außerhalb des Mittelbereichs 148 des Brechelement 105 von dem Sensorelement 140 erfasst werden kann, wenn das Fenster 310 ausreichend groß ist. Auf diese Weise kann zum Beispiel vorteilhaft sichergestellt werden, dass das Sensorelement 140 in einer größeren räumlichen Entfernung zum Brechelement 105 liegt, sodass beispielsweise eine Temperaturerhöhung am Brechelement 105 möglichst geringe Rückwirkungen auf eine Temperaturerhöhung am Sensorelement 140 hat.

Figur 3B zeigt eine perspektivische Ansicht der in der Figur 3A dargestellten Komponenten. Figur 4A zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der optischen Einheit 100. Hierbei ist wiederum ein Sensorelement 140 vorgesehen, welches eine erste Sensoreinheit 145 und eine zweite Sensoreinheit 150 umfasst, die jeweils wiederum außerhalb eines Gehäuses 147 bzw. eines Flalteelements 165 für zumindest eine Komponente des Brechelements 105 angeordnet ist. Aus der Darstellung aus der Figur 4A ist ferner erkennbar, dass die erste Sensoreinheit 145 eine Temperatur eines Teilbereichs des ersten Teilelements 1 10 überwachen kann, wogegen nun beispielsweise die zweite Sensoreinheit 150 eine Temperatur eines Teilbereichs einer Frontscheibe 400 als zweitem Teilelement des Brechelements 105 überwachen kann. Beispielsweise kann diese Frontscheibe 400 aus Glas bestehen, dessen Brechzahl sich bei einer Temperaturveränderung verändert, sodass auch diese Frontscheibe 400 bei einem Passieren eines Strahls 122 optisch wirksam bzw. ablenkend ist.

Figur 4B zeigt eine perspektivische Ansicht der in der Figur 4A dargestellten Komponenten.

Figur 5A zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels einer optischen Einheit 100. Hierbei ist erkennbar, dass wiederum zwei außerhalb eines Gehäuses 147 angeordnete Sensoreinheiten 145 und 150 des Sensorelements 140 angeordnet sind, die Temperaturen in unterschiedlichen Teilbereichen des Brechelements 105 bzw. einer Komponente des Brechelements 105 wie hier der Frontscheibe 400 erfassen. Beispielsweise kann die erste Sensoreinheit 140 eine Temperatur in einem Randbereich 175 der Frontscheibe 400 erfassen, wogegen die zweite Sensoreinheit 150 eine Temperatur in einem Mittelbereich 148 der Frontscheibe als Komponente des Brechelementes 105 erfassen kann.

Figur 5B zeigt eine perspektivische Ansicht der in der Figur 5A dargestellten Komponenten.

Figur 6 zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der optischen Einheit 100. Hierbei ist wiederum das Sensorelement 140 außerhalb des Gehäuses 147 bzw. des Flalteelements 165 angeordnet und kann durch ein Fenster 310 in dem Gehäuse 147 bzw. dem Flalteelements 165 hindurch blicken und eine Temperatur von einer Scheibe 400 im Strahlengang 120 des Strahls 122 erfassen. Figur 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Betreiben einer Variante einer hier vorgestellten optischen Einheit. Das Verfahren 700 umfasst einen Schritt 710 des berührungslosen Erfassens einer Temperatur auf zumindest einem Teilbereich des Brechelementes zu erfassen, um ansprechend auf die Temperatur ein Temperatursignal auszugeben. Ferner umfasst das Verfahren 700 abhängig von dem Temperatursignal einen Schritt 720 des Veränderns eines Abstands zwischen dem Brechelement und dem Objekt und/oder zwischen der Strahlungsquelle und dem Brechelement oder dem Objekt /oder um eine Position eines Hilfselements in einem Strahlengang des Strahls, um den Strahl auf das Objekt zu fokussieren.

Soweit der Zusammenhang zwischen der Temperatur der Messstelle und der Änderung der optischen Eigenschaften des Systems z. B. aus einer Berechnung oder Simulation bekannt sind, kann der Regelkreis über das Stellglied direkt geschlossen werden. Die Übertragungsfunktion des Regelkreises kann aber auch experimentell gefunden werden. So können Nichtlinearitäten, dynamische Eigenschaften und auch mit Exemplarstreuungen gefunden und korrigiert werden. Die Korrektion kann so noch genauer erfolgen.

Weiterhin ist es möglich, die Temperaturmessdaten mit anderen im System gemessenen Parametern in Beziehung zu setzen. So kann man Änderungen im Systemverhalten erkennen, die über die Regelkreis-Nutzung hinausgehen. Ändert sich z. B. die Erwärmung pro eingestellter Laserleistung, kann man eine geänderte Absorption vorliegen, die einen sich anbahnenden Systemschaden / -ausfall ankündigt.

Neben der auf a-priori-Wissen basierenden Auswertung der Temperatur- und System- Messdaten können in der Regelung auch Mustererkennungsalgorithmen implementiert werden, die entsprechende Vorhersagen treffen, nachdem sie mit Daten aus im Feld beobachteten Maschinen angelernt wurden.

Ferner wird auch ein Verfahren zur Analyse der Eigenschaften der optischen Einheit mit folgenden Ablauf vorgestellt:

- berührungsloses Erfassen der Temperatur

- Erfassen von weiteren System- und Verfahrensparametern, insbesondere des Zeitverlaufs der Laserleistung, den Pulsdauern, den Pulshöhen

- Erfassen der Strahllage bei Scanneroptiken (z. B. Zeitverlauf der Strahlposition bei F- Theta-Objektiven) - Kombination der Parameter und Ableitung von Zustandsparametern (z. B. Zeitverlauf der Absorption) und daraus abgeleitete Ausfallprognose

Zusammenfassend ist anzuführen, dass mit dem vorliegend vorgestellten Ansatz gemäß Ausführungsbeispielen ein temperaturüberwachtes Objektiv mit Regelkreis zur Fokusnachführung vorgestellt wird. Der Hintergrund des hier vorgestellten Ansatzes kann darin gesehen werden, dass sich eine Brechzahl von optischen Gläsern mit der Temperatur ändert, wodurch sich auch die Brennweite von Objektiven mit der Temperatur ändert. Ferner weicht die Gehäusetemperatur bei schnellen Temperaturänderungen von außen oder bei Erwärmung der Linsen von innen deutlich von der wirksamen Linsentemperatur ab, da Glas Wärme schlecht leitet. Wird jedoch ein berührungsloser Temperatursensor geeignet in das Objektiv integriert, kann auf die wirksame Temperatur sehr gut geregelt und so die Fokussierung besser stabil gehalten werden. Es wird daher beispielsweise ein Objektiv mit integrierten, berührungslos arbeitenden Temperatursensoren und ein und Verfahren zur Regelung der Fokussierung mittels dieser Sensoren vorgestellt, wobei dies unter Verwendung eines objektivinternen Reglers oder unter Verwendung eines externen Reglers, der über eine Schnittstelle mit dem Objektiv verbunden ist, erfolgt. Hierdurch lässt sich der Fokus eines Objektivs unter wechselnder thermischer Last stabil halten.

Der hier vorgestellte Ansatz kann in mehreren Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise als:

(A) Objektiv mit fest integrierten Sensoren und optional Fokus-Stellgliedern für die exemplarischen Einsatzszenarien:

(1) Lasermaterialbearbeitungsobjektive vom Typ F-Theta, Beamexpander, Kollimator

(2) Hochleistungsprojektionsobjektive für kinematografische Anwendungen

(3) Projektionsobjektive zur Halbleiter-Herstellung

(B) Optische Systeme mit zusätzlichen Sensoren zur Überwachung der Optiken und mit Aktoren und Reglern, welchen den Fokusregelkreis schließen können, für die exemplarischen Einsatzszenarien:

(4) Lasermaterialbearbeitungsmaschinen

(5) Bildprojektoren

(6) UV-Belichtungsmaschinen (C) Sicherheitsfunktion bei optischen Elementen, die unter hoher optischer Leistung betrieben werden für die exemplarischen Einsatzszenarien:

(7) Schutzfenster

(8) (dielektrische) Spiegel

(9) strukturierte Elemente (z. B. DOEs)

Als Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes lassen sich mehrere Aspekte anführen. Speziell spiegelt der Temperaturmesswert den tatsächlich brennweitenrelevanten Wert wieder. Er reagiert schnell und präzise. Die so ausgerüsteten Objektive können ihre Zielfunktion unter stärkeren Störeinflüssen erbringen und erfahren so eine effektive Abbildungs-Leistungssteigerung. Zusätzlich wird auch bei Anwendungen zur Lasermaterialbearbeitung erwartet, dass der erwärmende Störeinfluss ausgeregelt werden kann und so höhere optische Leistungen nutzbar durch das optische System geleitet und zur Anwendung gebracht werden können. Schließlich gibt ein Temperaturmesswert in der Lasermaterialbearbeitung auch Auskunft über sekundäre Bauteileigenschaften. Verschmutzung kann über den Mechanismus der Absorption / Erwärmung / progressive Elementschädigung zur Zerstörung von Elementen führen. Solche Sensorik kann somit auch zur Zustandsüberwachung verwendet werden und die Anlagensicherheit / Verfügbarkeit erhöhen. Besonders günstig ist ferner die Möglichkeit, dass die Sensoren klein und günstig sind, die es damit zulassen, die verbesserte Funktionalität in bestehende Systeme zu integrieren. Der Kosten zur Herstellung der neuen Funktionalität und zur Integration der Funktionalität in bestehende Systeme ist gering.

Beispielsweise kann der hier vorgestellte Ansatz in neuen Produkten auf folgenden Gebieten genutzt werden

(1) Lasermaterialbearbeitung (F-Theta, Beamexpander, Kollimatoren, überwachte

Einzelfunktionalitäten (z. B. Fenster, Abschwächer, Strahlteiler)

(2) kinematographischen Projektionsobjektive

(3) UV-Belichtungsoptiken

Der Zusammenhang zwischen der Erhöhung der Linsenoberflächentemperatur, die durch die Absorption von Laserleistung im Betrieb hervorgerufen wird und der Brennweitenänderung eines Objektives lässt sich aus thermodynamischen Gleichungen ableiten. Dabei wurde auch erkannt erbracht, dass die Brennweitenverlängerung kaum davon abhängt, welche Bereiche des beispielhaft verwendeten F-Theta-Objektivs beim programmierten Schreiben benutzt werden.

Durch bekannte Sensoren lässt sich, IR-Strahlung messen, sodass diese Art von Sensoren auch berührungslosen Temperaturmessung eingesetzt werden können. Sie sind mit unterschiedlichen Winkel-Empfindlichkeits-Charakteristia erhältlich. Da die Sensoren außerhalb des freien Durchmessers der Optik liegen sollten, die Messstelle aber zentral in Strahlweg liegt, wird für die hier beschriebene Temperaturmessung eine eher gerichtete Messempfindlichkeit benötigt. Falls auch kleinere als die 5°-FOV-Charakteristika günstig sind, kann eine Vorsatzoptik (z. B. refraktive Einzellinse o. Hohlspiegel) die Messstelle an die Anwendung anpassen.

Erwärmen sich auch einige mechanische Elemente in der Umgebung der Linse oder z. B. der gesamte Linsentubus als optische Einheit 100, setzt sich der Anzeigewert des berührungslosen Temperaturmessung aus einem Abstrahlungsanteil von der zu prüfenden Linse und einem vom Prüfling reflektierten Anteil aus der Abstrahlung der umgebenden Elemente zusammen. Um korrekt auf die Linsentemperatur schließen zu können, sollte mindestens eine Messung der Temperatur an einem dieser mechanischen Elemente vorgenommen werden bzw. ist eine solche Messung von Vorteil.

Für ein Objektiv mit hinreichend großen Luftabständen kann man über einen Zugang im Objektivtubus direkt die Temperatur der angrenzenden Linsen messen, da hier die Erwärmungseffekte durch die Wärmeabstrahlung des Brechelementes nicht zu groß werden.

Bei Objektiven mit sehr kleinen Linsenabständen ist es vorteilhaft, die Sensoren außerhalb des Objektivs bzw. des Gehäuses der optischen Einheit 100 anzubringen. Der Abstand zwischen den Sensoren und dem zu prüfenden Bereich des Objektivs wird vorteilhafterweise so gewählt, dass ein ausreichend großer, zentraler Bereich der Linse angemessen wird. Für modulare Anordnungen sollte der Abstand zwischen Sensor und Objektiv kleiner als der Arbeitsabstand des Objektivs sein.

Die freien Durchmesser an Kollimatoren sind nicht so groß wie bei Scannerobjektiven und der Strahl wandert nicht über die Linsenfläche. Die Temperaturmessung kann an einer oder mehreren Linsen erfolgen. Eine Messung der Gehäusetemperatur zur Verbesserung der Interpretation der Linsenmesswerte ist vorteilhaft. Die Sensoren können im Gehäuse des Objektivs untergebracht werden oder von außerhalb in das Objektiv messen.

Enthält das Objektiv neben dem oder den Sensore(n) auch Aktoren (z. B. motorisch in Z verstellbare Linsen) und werden beispielsweise die Sensoren mit den Aktoren über einen Steuerung (Regler) miteinander verbunden, kann man die störende Fokusänderung aus der Linsentemperatur durch Refokussieren aufheben.

Die Temperatur eines optischen Elements gibt auch Auskunft über seinen Betriebszustand. Die Temperatur eines Fensters ist abhängig von der Menge der absorbierten Laserleistung. Bei stabilen Bedingungen im und am Fenster kann man so die Laserleistung messen.

Eine Änderung der Absorption wird z. B. durch eine Verschmutzung hervorgerufen. Eine Überhöhung der Temperatur kann über einen positiven Rückkopplungseffekt zur weiteren Schädigung des Fensters / Bauteils führen. Mit einer entsprechenden Sensoranordnung kann auf solche eine Verschlechterung des Betriebszustandes reagiert werden, bevor das System ausfällt (Reinigung des oder Austausch Fensters, Reduzierung der Laserleistung o.ä.)

Die Fokussierung wird in einem optischen System oft durch die Änderung eines Arbeitsabstandes erreicht. Ein entsprechender Regelkreis gemäß dem hier vorgestellten Ansatz kann auch mit einem Temperaturmesswert von einem kritischen Element erfolgen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die optische Einheit 100 für ein Lasermaterialbearbeitungssystem ferner folgende Komponenten aufweisen:

1 . einem Laser (Strahlungsquelle)

2. einem Strahlaufweiter (Brechelement)

3. einem Scanner

4. einem Scanobjektiv und

5. einem Werkstück-Handlingsystem (Fokussiereinheit)

Hierbei kann die Temperatur des Objektivs den Hauptbeitrag zur Fokusverschiebung leisten. Die Fokussierung erfolgt aber an anderer Stelle. Typisch wäre z. B. die Änderung des Arbeitsabstandes zum Werkstück über das Handlingsystem bzw. die Fokussiereinheit. Auch der Einsatz eines zusätzlichen Fokussierelementes in der Strahlführung nach dem Laser kann vorteilhaft sein. Für ein Projektionssystem (kinematographisch oder zur Halbleiterbelichtung) kann die z. B. Temperatur eines besonders stark brechkrafttragenden Bauteils in der Pupille mit hoher Strahldichte das bestimmende Element sein. Wird dessen Temperatur berührungslos gemessen, kann Fokussierung z. B. über die Änderung des objektseitigen Arbeitsabstandes erfolgen.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder" -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.