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Die Erfindung betrifft eine Scanneranordnung zur Abtastung eines Scanfeldes mittels optischer Strahlung. Die Scanneranordnung ist mit mindestens einem Strahlablenkelement ausgestattet, das einen um eine oder zwei Scanachsen kippbaren Scanspiegel aufweist, mit Mitteln zur Drehung des Scanfeldes, zur Abtastung eines in seiner Größe veränderbaren Scanfeldes sowie zum Zentrieren der Scanfeldmitte beim Panning. Die Scanneranordnung ist vorzugsweise für den Einsatz in Laser-Scanning-Mikroskopen geeignet.
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Allgemein werden Scanneranordnung zum zeilen- oder rasterartigen Abtasten von Zielbereichen mittels Laserstrahls verwendet, um zu messen, zu bearbeiten oder um ein Bild zu erzeugen. In Laser-Scanning-Mikroskopen beispielsweise lenken Scanneranordnungen eine kollimierte Laserstrahlung aus der ankommenden Strahlungsrichtung um definierte Winkel ab. Mit einer Abbildungsoptik wird die abgelenkte Strahlung zu einem Spot fokussiert und dieser Spot in Abhängigkeit von Änderungen der Ablenkwinkel zeitlich nacheinander auf eine Vielzahl von Orten auf der Probe gerichtet. Die Ablenkwinkel sind demzufolge ein Maß für die Orte des Spots auf der Probe. Das z.B. aufgrund von Reflektion, Streuung oder Fluoreszenz von der Probe kommende Licht wird örtlich und zeitlich aufgelöst detektiert und hinsichtlich Helligkeit ausgewertet, wobei die Detektionssignale in ihrer Gesamtheit ein Bild des abgetasteten Probenbereiches ergeben.
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Je nach Ausführung und Anwendung weisen Scanneranordnungen ein oder mehrere Strahlablenkelemente, nachfolgend auch Scanner genannt, auf, die entsprechend ihrer Funktion und der Möglichkeit ihrer Ansteuerung wie folgt unterscheidbar sind:
- - quasistatisch arbeitende Scanner zur eindimensionalen Ablenkung; diese sind per Ansteuerung entweder bleibend auf einen vorgegebenen Ablenkwinkel einstellbar oder auch variabel mit nahezu frei definierbaren, insbesondere periodischen Funktionen auslenkbar, allerdings bei nur geringen Scanfrequenzen, und
- - resonant arbeitende Scanner zur eindimensionalen Ablenkung; diese sind mittels eines aus Feder und Masse gebildeten Energiespeichersystems zur zeitlich annähernd sinusförmigen Auslenkung mit einer bestimmten Frequenz einsetzbar, wobei die Scanfrequenz nicht oder nur in einem minimalen Bereich einstellbar ist.
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Quasistatische Scanner lassen sich vorteilhaft bei höheren Scanfrequenzen einsetzen, wobei jedoch mit höher werdender Frequenz die Amplitude sehr stark abnimmt. Bei Scanfrequenzen, die mit resonanten Scannern maximal möglich sind, lassen sich mit quasistatischen Scannern keine nutzbaren Auslenkungen mehr realisieren.
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Scanneranordnungen zur eindimensionalen Strahlablenkung bzw. zur Abtastung eines aus nur einer Zeile bestehenden Scanfeldes müssen demzufolge lediglich mit nur einem Scanner ausgestattet sein.
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Scanneranordnungen zur zweidimensionalen Strahlablenkung bzw. zur Abtastung eines zweidimensionalen, meist rechteckigen Bereiches dagegen weisen entweder nur einen in zwei orthogonalen Richtungen ablenkenden Scanner auf, z.B. in Form eines als MEMS bekannten Mikro-Elektro-Mechanisch-Systems mit einem um zwei Achsen kippbaren Scanspiegel, oder zwei Scanner, von denen jeder einen Scanspiegel besitzt, der um eine Achse kippbar ist. Dabei lenkt beispielsweise ein erster Scanner mit resonanter, der zweite mit quasistatischer Funktionsweise ab.
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Oft wird gewünscht, mittels eines Abbildungssystems lediglich einen Ausschnitt aus dem maximal möglichen Scanbereich abzutasten. Hierfür ist die Verwendung von Scanneranordnungen zweckmäßig, die geeignet sind, optional den Laserstrahl in beiden oder auch nur in einer Scanrichtung geringer ablenken, als es zum Abtasten des gesamten Scanbereichs erforderlich ist. Nur einen Ausschnitt aus der Mitte des maximal möglichen Scanbereichs abzutasten ist in der Fachsprache unter der Bezeichnung Zoom bekannt. Möglich ist das sowohl bei quasistatisch als auch resonant arbeitenden Scannern, da sich Ablenkwinkel bzw. Scanamplitude variieren lassen und so eine Beeinflussung der Größe des abgetasteten Feldes möglich ist.
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Darüber hinaus besteht oft die Anforderung, einen Ausschnitt abzutasten, der seitlich zur Mitte des maximal möglichen Scanbereich versetzt ist, in der Fachsprache als Panning bezeichnet. Dazu wird bekanntermaßen die Ablenkung des Laserstrahls zusätzlich in einer oder in beiden Strahlungsrichtungen mit einem Offset beaufschlagt. Nachteilig bei einem solchen Auslenkungs-Offset sind allerdings eine begrenzte Scangeschwindigkeit und eine verhältnismäßig aufwändige Ansteuerung der Scanner.
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Weiterhin sind häufig Scanneranordnungen erforderlich, mit denen es möglich ist, den Scanbereich durch Drehung an eine gedrehte Probe anzupassen, bekannt als Scanfeldrotation oder Scanfelddrehung. Im Stand der Technik wird dies zum Beispiel über eine modifizierte Ansteuerung der Scanner realisiert, was jedoch nur bei Verwendung von zwei quasistatischen Scannern möglich ist, weil bei einem gedrehten Scanbereich die Ablenkung in Zeilenscanrichtung über beide Scanner erfolgen muss, wie beispielsweise in
EP 1 617 267 A2 beschrieben. Nachteilig dabei ist, dass die Einschränkung auf quasistatische Scanner die mögliche Scangeschwindigkeit begrenzt.
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Bekannt ist auch eine Scanfeldrotation mittels eines drehbaren optischen Bauelementes, z.B. eines Abbe-König-Prismas. Allerdings wird dadurch nicht nur der Geräteaufbau aufwändiger und ist mit höheren Kosten verbunden, sondern es wird auch der Justageaufwand erhöht, auch ändert sich die Laserleistung. Außerdem verfügen in dieser Weise ausgeführte Scanneranordnungen über eine relativ geringe Transmission und unterliegen einer starken Änderung der Polarisation bei Nutzung von linear polarisiertem Licht. Die Polarisation lässt sich nur auf Kosten eines weiteren Transmissionsverlustes und mit zusätzlichem Aufwand beibehalten. Auch ein differentieller Interferenz-Kontrast (DIC) ist nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand erzielbar. Weiterhin nachteilig ist, dass einerseits das Scanfeld nicht um die Mitte des Ausschnittes gedreht wird und andererseits aufgrund schräger Beleuchtung der Scanspiegel Verzeichnungen in mindestens einer Achse entstehen.
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Von diesem Stand der Technik ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Scanneranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die vorbeschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem zum Zweck der Drehung des Scanfeldes mechanische Einrichtungen vorgesehen sind zum Schwenken von Strahlablenkelementen um eine Schwenkachse, wobei der Winkel, um den geschwenkt wird, der beabsichtigten Drehungen des Scanfeldes entspricht. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung von Offsets für die Strahlablenkung vorgesehen, die zur variablen Beinflussung der Amplituden bei der Strahlablenkung in einer oder mehrerer Ablenkrichtungen dienen.
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Vorzugsweise ist die Scanneranordnung zur zweidimensionalen Ablenkung der optischen Strahlung über das Scanfeld hinweg ausgebildet und weist in verschiedenen Ausgestaltungsvarianten entweder
- - einen um zwei Scanachsen kippbaren Scanspiegel auf, z.B. einen MEMS-Scanner, wobei einer Scanachse die Strahlablenkung über eine Zeile, der anderen die Strahlablenkung auf jeweils benachbarte Zeilen zugeordnet ist, oder
- - zwei Strahlablenkelemente mit jeweils einem um eine Scanachse kippbaren Scanspiegel, wobei einem Strahlablenkelement die Ablenkung über eine Zeile, dem anderen die Ablenkung auf jeweils benachbarte Zeilen zugeordnet ist.
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Dabei erfolgt bevorzugt die Strahlablenkung über eine Zeile mit der resonanten Scanachse mit einer primär sinusförmigen Scanfunktion. Die Strahlablenkung auf jeweils benachbarte Zeilen mit der quasistatisch ansteuerbaren Scanachse/Ablenkelement erfolgt mit einer treppenförmigen Scanfunktion. Insbesondere bei der Nutzung in Laser-Scanning-Mikroskopen sollte der Scanneranordnung eine Abbildungsoptik nachgeordnet sein, welche die abgelenkte Strahlung in die Objektebene abbildet.
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Für die Erzeugung von Offsets ist bei der Strahlablenkung über eine Zeile hinweg ein Offsetaktor, insbesondere in Form einer Kippeinrichtung mit parallel zur Scanachse ausgerichteter Kippachse, und/oder bei der Strahlablenkung von Zeile zu Zeile eine Modifizierung der Scanneransteuerung vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist die Scanneranordnung mit Einrichtungen zur Kompensation eines Versatzes der Scanfeldmitte während der Drehung des Scanfeldes ausgestattet. Die Kompensation erfolgt vorzugsweise kontinuierlich durch fortlaufende Änderung der Zeilenvorschub- und Zeilenscanrichtung während der Schwenkung des Strahlablenkelementes bzw. der Scanneranordnung, so dass sich im Ergebnis der Schwenkung die Scanfeldmitte an ihrer ursprünglichen Position befindet und Zeilenvorschub und Zeilenscan in die gewünschten, der Drehung des Scanfeldes entsprechenden Richtungen weisen. Das Scanfeld befindet sich somit - um seine Mitte gedreht - am ursprünglichen Ort in der Objektebene.
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Als Strahlablenkelemente sind für den Zeilenscan beispielsweise Galvano-Scanner, Galvano-Resonant-Scanner oder Piezoscanner, für den Zeilenvorschub Galvano-Scanner vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist die Ausführung der Scanneranordnung in Form einer komplexen Baugruppe, etwa als Laser-Scan-Modul.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Scanneranordnungen erläutert, die zweidimensional ablenken, sie bezieht sich in entsprechend modifizierter Ausführungsform oder Ansteuerung jedoch ausdrücklich auch auf eindimensional ablenkende Scanneranordnungen. Zugeordnet zu den Ausführungsbeispielen zeigen:
- 1a eine Scanneranordnung
- - mit einem Scanner und einem Scanspiegel zur zweidimensionalen Ablenkung eines Laserstrahls, wobei die Ablenkung in einer Richtung mit resonanter, in der anderen mit quasistatischer Scanfunktion erfolgt,
- - mit einer mechanischen Schwenkvorrichtung zur erfindungsgemäßen Drehung des Scanfeldes und
- - mit Offsetfunktionen zur Beeinflussung der Amplituden bei der Strahlablenkung,
- 1b eine Veranschaulichung der Kompensation einer durch die Drehung des Scanfeldes verursachten unerwünschten Dezentrierung des Scanfeldes bezüglich seiner Mittenposition,
- 2a,b eine Scanneranordnung mit zwei Scannern und einem Scanspiegel, ausgebildet zur zweidimensionalen Ablenkung eines Laserstrahls, wobei ein erster Scanner mit resonanter und der zweite Scanner mit quasistatischer Scanfunktion betrieben wird, mit einem dem ersten Scanner zugeordneten Offsetaktor und mit einer mechanischen Schwenkvorrichtung zur Drehung des Scanfeldes,
- 3a,b,c,d eine Scanneranordnung mit zwei Scannern und zwei Scanspiegeln, ausgebildet zur zweidimensionalen Ablenkung eines Laserstrahls, wobei ein erster Scanner mit resonanter und der zweite Scanner mit quasistatischer Scanfunktion betrieben wird, mit einem dem zweiten Scanner zugeordneten Offsetaktor und mit einer mechanischen Schwenkvorrichtung zur Drehung des Scanfeldes,
- 4a,b eine Scanneranordnung mit zwei Scannern und zwei Scanspiegeln, ausgebildet zur zweidimensionalen Ablenkung eines Laserstrahls, wobei ein erster Scanner mit resonanter und der zweite Scanner mit quasistatischer Scanfunktion betrieben wird, mit einem dem zweiten Scanner zugeordneten Offsetaktor und mit zwei mechanischen Schwenkvorrichtungen zur Drehung des Scanfeldes.
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Die Erläuterung der in 1a und 2a bis 4b beispielhaft dargestellten Scanneranordnungen erfolgt aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils anhand eines Grundmodus ohne Bildfelddrehung. Die erfindungsgemäßen Funktions- und Wirkungsweisen zur Bildfelddrehung werden anhand 1b erläutert, sie gelten prinzipiell und sinngemäß für alle in 1a und 2a bis 4b dargestellten Scanneranordnungen. Die in den Scanneranordnungen beschriebenen Scanner umfassen ausdrücklich auch im Detail nicht dargestellte Elemente, wie etwa Antriebe und Lagerungen für die jeweiligen Scanspiegel. Diese Elemente können sowohl diskret aufgebaut oder auch vollständig in einer Baugruppe integriert sein, wie zum Beispiel in Mikrotechnologien hergestellte MEMS-Scanner (Mikro-ElektroMechanische-Systeme = MEMS). Ebenso können resonante Scanner und die ihnen zugeordnete Offsetaktoren als komplexe Baugruppen ausgeführt sein.
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Die Begriffe „Scanbereich“ und „Scanfeld“ werden im Beschreibungstext als Synonyme verwendet, ebenso die Begriffe „Scanner“ und „Strahlablenkelement“, „optische Strahlung“ und „Laserstrahl“.
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1a zeigt eine Scanneranordnung mit einem als MEMS ausgeführten Scanner 1, dessen Scanspiegel 2 um zwei orthogonale Achsen, nämlich die Scanachsen 3 und 4, kippbar ist, so dass ein auftreffender Laserstrahl 5 in zwei Richtungen von seiner Einstrahlrichtung abgelenkt wird und so ein zweidimensionales Scanfeld abgetastet werden kann. Die Scanachsen 3, 4 sind derart ausgerichtet, dass sie sich zumindest annähernd miteinander und mit der Spiegelfläche des Scanspiegels 2 schneiden. Zur Erzeugung von Ablenkungsoffsets ist der Scanner 1 mit einem separat ansteuerbaren Offsetaktor 6 gekoppelt, dessen Kippachse kollinear oder zumindest parallel zur Scanachse 4 ausgerichtet ist. Desweiteren ist eine Schwenkeinrichtung 7 vorgesehen, die eine Schwenklagerung sowie ein ansteuerbares Antriebselement (nicht dargestellt) umfasst. Die zugehörige Schwenkachse 8 ist orthogonal zu den Scanachsen 3, 4 ausgerichtet und schneidet diese und die Spiegelfläche des Scanspiegels 2 zumindest annähernd.
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Beim Betreiben der Scanneranordnung erfolgt die Kippung des Scanspiegels 2 um die Scanachse 3 vorzugsweise zur Abtastung von Zeilen des Scanfeldes. Dabei wird die Zeilenabtastung mit einem resonanten Scanner mit einer annähernd sinusförmigen Scanfunktion vorgenommen, indem der Winkel der Strahlablenkung um einen mittleren Wert oszilliert. Die Scanachse 3 ist in 1a senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet, der Laserstrahl 5 verbleibt demzufolge sinngemäß in der Zeichenebene.
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Jeweils nach Abtastung einer Zeile wird der Scanspiegel 2 um einen vorgegebenen Winkel um die Scanachse 4 gekippt, so dass der dadurch abgelenkte Laserstrahl 5 (sinngemäß aus der Zeichenebene heraus) auf eine benachbarte Zeile gerichtet ist, die daraufhin per Zeilenscan abgetastet wird. Die Ablenkung mittels Scanspiegel 2 wird als Zeilenvorschub bezeichnet, vorzugsweise wird dieser quasistatisch betrieben und mit einer treppenförmigen Scanfunktion angesteuert.
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Wie aus 1 b ersichtlich, ist der abgelenkte Laserstrahl 5 auf eine Abbildungsoptik 40 gerichtet, die den Laserstrahl 5 in eine Objektebene 41 abbildet. In der Objektebene 41 entsteht so ein durch eine Vielzahl von parallel nebeneinander liegenden Zeilen definiertes zweidimensionales Scanfeld 42.
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Im Grundmodus ermöglicht diese Anordnung die Abtastung des Scanfeldes 42 mit einer von voreingestellten Parametern definierten Größe und Ausrichtung innerhalb der Objektebene 41. Dabei ist die Größe durch die Scanamplituden, die Ausrichtung durch die Scanrichtungen bestimmt. Erfindungsgemäß sind über den Grundmodus hinaus folgende weitere Applikationen möglich:
- Scanfelddrehung: Um das Scanfeld 42 innerhalb der Objektebene 41 um einen vorgegebenen Winkel um seine Mitte zu drehen, sind erfindungsgemäß die Schwenkung der Scanachsen 3, 4 um die Schwenkachse 8 sowie Mittel zur Kompensation eines Versatzes der Scanfeldmitte 43 zu ihrer Ursprungsposition infolge der Schwenkbewegung vorhanden, und zwar mit folgender Funktion:
- Konstruktiv bedingt sind, wie in Bild A in 1 b mit Sicht auf die Objektebene 41 dargestellt, die Scanfeldmitte 43 und die Schwenkachse 8 in der Objektebene 41 seitlich zueinander versetzt. Wird der Scanner 1 bzw. in diesem Fall die Scanneranordnung um einen vorgegebenen Winkel φ um die Schwenkachse 8 gedreht, wird (vgl. Bild B) das Scanfeld 42 verändert zu Scanfeld 42a mit gedrehter räumlicher Orientierung und versetzter Scanfeldmitte 43a.
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Zwar wäre in dieser Position die beabsichtigte Bildfelddrehung vollzogen, jedoch wäre die Scanfeldmitte 43a in unerwünschter Weise gegenüber der ursprünglichen Position in Bild A versetzt, da sie dem Winkel φ entsprechend einem Kreisbogen um die Schwenkachse 8 gefolgt ist.
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Um diesen Versatz zu vermeiden bzw. gar nicht erst entstehen zu lassen, wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, dass möglichst in Echtzeit schon während der Schwenkung das Scanfeld 42 zwar gedreht, aber die Scanfeldmitte 43 auf die ursprüngliche Position zentriert bleibt. Das wird erreicht, indem die Strahlablenkung in Zeilenvorschub- und Zeilenscanrichtung fortlaufend in Abhängigkeit von der gleichzeitig ablaufenden Drehwinkeländerung so angepasst werden, dass das Scanfeld 42 virtuell kontinuierlich gedreht und dabei zugleich Positionsabweichungen der Scanfeldmitte 43 kontinuierlich kompensiert werden, so dass bei Ende der Drehung bzw. im Ergebnis mit der Schwenkung das Scanfeld 42 um den gewünschten Winkel gedreht und damit die Bilddrehung vollzogen ist und sich die Scanfeldmitte 43 wie erforderlich an der ursprünglichen Position wie in Bild A befindet.
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Die für diese Kompensation erforderlichen Vorgaben für die Strahlablenkung in beiden Scanrichtungen werden entweder abhängig von der laufenden Drehwinkeländerung unmittelbar messtechnisch ermittelt und berechnet oder anhand vorermittelter systemabhängiger Wertetabellen per Ansteuerungsänderung vorgegeben. Optional ist es von Vorteil, den nach einer ersten abgeschlossenen Lage- und Ausrichtungskorrektur verbleibende Positionsfehler nochmals iterativ gegen die gewünschte Scanfeldposition zu optimieren.
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Vorzugsweise wird hierbei die quasistatische Scanfunktion des Zeilenvorschubs mit einem Offset beaufschlagt. Bei der resonanten, zum Zeilenscan vorgesehenen Scanfunktion dagegen ist das nicht möglich. Deshalb ist zur Erzeugung eines Offsets in der Zeilenscanrichtung der separat ansteuerbare Offsetaktor 6 mit einer kollinear oder zumindest parallel zur Scanachse 4 für den Zeilenscan ausgerichteten Kippachse vorhanden.
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Panning: Um beim Panning nur einen Teilbereich aus dem Scanfeld 42 abzutasten, ist es erforderlich, die Mitte dieses Teilbereiches auf die Mitte des Scanfeldes 42 zu zentrieren. Das erfolgt erfindungsgemäß - wie oben anhand der Scanfelddrehung beschrieben - wiederum durch Veränderungen der Scanamplituden, optional mit oder ohne Einbeziehung der für beide Ablenkrichtungen verfügbaren Offsetfunktionen. Die Offsets ermöglichen eine im Vergleich zum Stand der Technik größere Anwendungsbreite der erfindungsgemäßen Scanneranordnung.
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Zoom: Mit der Veränderung der Scanamplitude in beiden Scanrichtungen, optional mit oder ohne Einbeziehung der erfindungsgemäß für beide Ablenkrichtungen verfügbaren Offsetfunktionen, ist es möglich, die Größe des Scanfeldes 42 zu variieren und so eine Zoomfunktion zu realisieren, wobei das in seiner Größe veränderte Scanfeld 42 mit seiner Scanfeldmitte 43 auf gleicher Position in der Objektebene 41 verbleibt. Die Offsets ermöglichen einen im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich größeren Zoombereich.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2a weist eine Scanneranordnung auf mit einem resonanten Scanner 9, dessen Scanspiegel 10 zwecks Ablenkung des Laserstrahls 5 in einer ersten Scanrichtung, vorzugsweise der Zeilenscanrichtung, um eine Scanachse 11 kippbar ist. Um bedarfsweise die Ablenkung in dieser Scanrichtung mit einem Offset zu beaufschlagen, ist ein separat ansteuerbarer Offsetaktor 12 vorhanden, dessen Kippachse kollinear oder zumindest parallel zur Scanachse 11 ausgerichtet ist. Mittels eines zweiten, in dem Fall quasistatischen Scanners 13 ist die Baugruppe aus Scanner 9 und Offsetaktor 12 um eine Scanachse 14 kippbar, wodurch der Laserstrahl 5 in einer zweiten Scanrichtung, vorzugsweise der Zeilenvorschubrichtung, ablenkbar ist. Beide Scanrichtungen können im Spezialfall senkrecht zueinander ausgerichtet sein.
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Mit der Ablenkung in beiden Scanrichtungen ist die Abtastung eines zweidimensionalen Scanfeldes möglich. Zudem ermöglicht es der quasistatische Scanner 13, optional ein Offset für die Ablenkung in der zweiten Scanrichtung zu erzeugen. Mit der Variation der Scanamplitude in beiden Scanrichtungen lässt sich auch hier die Größe des Scanfeldes ändern und so eine Zoomfunktion realisieren.
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Um als Panning nur einen Teilbereich aus dem maximal möglichen Scanfeld abzutasten, muss die Mitte des Scanfeldes auf diesen Teilbereich zentriert bzw. das Scanfeld von seiner ursprünglichen Mitte dezentriert werden. Diesbezüglich bietet die quasistatische Scanfunktion die Möglichkeit, den Zeilenvorschub durch entsprechende Scanneransteuerung mit einem Offset zu beaufschlagen. Bei der resonanten, zum Zeilenscan vorgesehenen Scanfunktion dagegen ist das nicht möglich. Zur Erzeugung eines Offsets in der Zeilenscanrichtung dient hier der Offsetaktor 12 mit seiner kollinear zur Scanachse 11 ausgerichteten Kippachse.
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Die beschriebene Zuordnung des Zeilenscans zu dem resonanten Scanner 9 und des Zeilenvorschubes zu dem quasistatischen Scanner 13, z.B. einem Galvanoscanner, ist lediglich beispielhaft. Im Rahmen der Erfindung liegen ausdrücklich auch abweichende Ausgestaltungen.
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Um bei Bedarf das Scanfeld drehen zu können, ist eine Schwenkeinrichtung 15 vorhanden, die eine Schwenklagerung und ein ansteuerbares Antriebselement umfasst (nicht explizit dargestellt). Die Schwenkachse 16 ist zumindest annähernd parallel zur Normalen der Spiegelfläche des Scanspiegels 10 ausgerichtet.
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Die Scanneranordnung nach 2b und deren Funktionsweise ist weitgehend vergleichbar mit der Scanneranordnung nach 2a, wobei hier lediglich die Ausrichtung des Scanspiegels 10 sowie die räumlichen Orientierungen von Scanachse 11 und Schwenkachse 16 verändert sind. Kipp- und Schwenkrichtungen sind in 2a wie auch in 2b jeweils hilfsweise durch Pfeilrichtungen angegeben.
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Die Scanneranordnungen nach 3a weist einen quasistatischen Scanner 17 auf mit einem Scanspiegel 18, der den Laserstrahl 5 in einer ersten Scanrichtung, vorzugsweise der Zeilenvorschubrichtung, ablenkt, sowie einen resonanten Scanner 19 mit einem Scanspiegel 20, der den Laserstrahl 5 annähernd orthogonal in einer zweiten Scanrichtung, vorzugsweise der Zeilenscanrichtung, ablenkt. Weiterhin ist eine Strahlumlenkung vorhanden, die aus zwei Umlenkspiegeln 22 und 23 besteht und den Laserstrahl 5 in einem definierten Winkel auf die Scanspiegel 18 und 20 lenkt. Die beschriebenen Komponenten werden mittels eines Gestells 24 gehalten, das um eine Schwenkachse 25 schwenkbar gelagert ist. Die Schwenkachse 25 verläuft zumindest annähernd kollinear zur Richtung des in die Scanneranordnung einfallenden und aus der Scanneranordnung austretenden Laserstrahls 5. Die Schwenkung um eine Schwenkachse 25 wird mittels eines ansteuerbaren Aktors realisiert (nicht explizit dargestellt).
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Beim Betreiben der Scanneranordnung im Grundmodus wird der eintretende Laserstrahl 5 mit den Umlenkspiegeln 22 und 23 senkrecht zur Scanachse auf den Scanspiegel 18 gelenkt. Von dort wird der Laserstrahl 5 so auf den Scanspiegel 20 des Scanners 19 reflektiert, dass er annähend senkrecht zu dessen Scanachse einfällt und der Scanspiegel 20 den Laserstrahl 5 in einer Richtung ablenkt, die vorzugsweise orthogonal zur Richtung der vom Scanspiegel 18 kommenden Strahlung verläuft. Danach verlässt der in zwei Scanrichtungen abgelenkte Laserstrahl 5 die Scanneranordnung zumindest in der Grundstellung der Scanner annähernd kollinear oder parallel zur Schwenkachse 25. Bei Auslenkung der Scanner von der Grundstellung (diese ist in 3a dargestellt) verlässt der Strahl die Anordnung in jedem Fall nicht mehr parallel zur Schwenkachse 25.
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Die Größe des Scanfeldes kann in beiden Richtungen durch Änderung der Scanamplitude geändert werden (Zoom). Zudem ermöglicht der Scanner 18 aufgrund seiner quasistatischen Funktionsweise eine direkte Verstellung des Ablenkwinkels in Zeilenvorschubrichtung um einen Offset zwecks Realisierung von Panning. Der resonante Scanner 20 ist mit einem Offsetaktor 21 verbunden, der die Beaufschlagung der Ablenkung in der Zeilenscanrichtung mit einem Offset ermöglicht, ebenfalls zwecks Panning.
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Während in der Variante nach 3a der Laserstrahl 5 senkrecht zur Scanachse des Scanners 17 auf dessen Scanspiegel 18 einfällt, ist die Variante nach 3b so ausgebildet, dass der Laserstrahl 5 in Richtung der Scanachse des Scanners 17 auf den Scanspiegel 18 trifft. Auch hierbei verlässt der in zwei Scanrichtungen abgelenkte Laserstrahl 5 die Scanneranordnung zumindest annähernd kollinear zur Schwenkachse 25, um die das Gestell 25 schwenkbar ist.
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Alternativ zu den anhand 3a und 3b beschriebenen Ausführungsformen liegt es im Rahmen der Erfindung, die Positionen des Scanners 17 und des Scanners 19 einschließlich Offsetaktor 21 gegeneinander zu tauschen. Dabei sind die Scanachsen der Scanner 17 und 19 und die Drehachse des Offsetaktors 21 relativ zum Laserstrahl 5 in ihren Grundstellungen äquivalent zu der in 3a und 3b gezeigten Darstellung, die Ablenkrichtungen des aus der Scanneranordnung austretenden Laserstrahls 5 bleiben damit konstant.
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Eine Scanfelddrehung wird mittels Drehung des Gestells 24 bewirkt. Dabei werden die Zeilenscanrichtung und die Zeilenvorschubrichtung zueinander gedreht, wobei der Winkel zwischen diesen beiden Richtungen jeweils erhalten bleibt. So bleibt bei einer Anordnung mit orthogonalen Scanrichtungen auch der Winkel von 90° zwischen beiden Scanrichtungen erhalten. Die Scanrichtungen werden lediglich um einen Offsetwinkel gedreht.
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Bei der Scanfelddrehung entspricht der Rotationsmittelpunkt dem Winkel oder dem Ort der Abbildung mit einer Abbildungsoptik, der in der Grundstellung beleuchtet wird. Ist der Scanfeldmittelpunkt um einen Offset verschoben, kann das Scanfeld einfach um diesen gedreht werden, indem der Offset durch den Offsetaktor 21 und der Offset durch den quasistatischen Scanner 18 entsprechend des Scanfeldrotationswinkels angepasst werden.
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Bei den in 3c und 3d dargestellten Ausführungsformen ist jeweils auf den Offsetaktor 21 verzichtet und nur der resonante Scanner 20 vorhanden, wodurch Panning nur in der mit dem quasistatischen Scanner 17 erzeugten Scanrichtung möglich ist. Ansonsten sind alle Optionen wie in den Ausführungsformen nach 3a und 3b beibehalten.
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Die zweidimensionale Scanneranordnung nach 4a weist einen quasistatischen Scanner 26 mit einem Scanspiegel 27 auf, der den Laserstrahl 5 in einer ersten Richtung, vorzugsweise der Zeilenvorschubrichtung, ablenkt. Ein in Strahlrichtung nachgeordneter resonanter Scanner 28 mit einem Scanspiegel 29 bewirkt eine annähernd orthogonale Ablenkung in einer zweiten Richtung, vorzugsweise der Zeilenscanrichtung.
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Im Grundmodus fällt der Laserstrahl 5 im rechten Winkel zur Scanachse des quasistatischen Scanners 26 in die Scanneranordnung ein. Die Scanachse des Scanners 26 ist senkrecht zur Normalen des Scanspiegels 27 ausgerichtet. Anschließend trifft der vom Scanspiegel 27 reflektierte Strahl auf den Scanspiegel 29 des resonanten Scanners 28, der den Zeilenscan realisiert. Die Scanachse des resonanten Scanners 28 ist orthogonal zur Normalen des Scanspiegels 29 ausgerichtet. Der Ablenkwinkel beträgt im Grundmodus an beiden Scannern 26, 28 vorzugsweise 90°.
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Die Größe des abzutastenden Scanfeldes kann in beiden Richtungen durch Änderung der Scanamplitude der Scanner geändert werden (Zoomfunktion). Zudem ermöglicht der Scanner 26 aufgrund seiner quasistatischen Funktionsweise eine direkte Verstellung des Ablenkwinkels in Zeilenvorschubrichtung um einen Offset zwecks Realisierung von Panning. Der resonante Scanner 28 ist mit einem Offsetaktor 30 gekoppelt, dessen Kippachse kollinear oder zumindest parallel zur Scanachse verläuft. Der Offsetaktor 30 ermöglicht ein Panning durch die Beaufschlagung der Zeilenscanrichtung mit einem Offset.
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Zwecks Scanfelddrehung ist der quasistatische Scanner 26 um eine Schwenkachse 31 schwenkbar, der resonante Scanner 28 und der Offsetaktor 30 sind gemeinsam um eine Schwenkachse 32 schwenkbar. Die Achsen 31, 32 verlaufen zumindest annähernd parallel zueinander und sind parallel zu den Normalen der Scanspiegel 27 und 29 ausgerichtet. Und es ist eine Schwenkeinrichtung mit mindestens einem ansteuerbaren Antriebselement vorhanden (nicht explizit dargestellt), die die Schwenkung um beide Achsen 31 und 32 bzw. um die Normalen der Scanspiegel 27 und 29 synchron um zumindest annähernd gleich große Drehwinkel veranlasst.
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Bei der Scanfelddrehung entspricht der Rotationsmittelpunkt auch hierbei dem Schwenkwinkel oder dem Ort der Abbildung mit einer Optik, der in der Grundstellung beleuchtet wird. Ist der Scanfeldmittelpunkt um einen Offset verschoben, kann das Scanfeld einfach um diesen gedreht werden, indem der Offset durch den Offsetaktor 30 und der Offset durch den quasistatischen Scanner 26 entsprechend des Scanfeldrotationswinkels angepasst werden.
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In der Anordnung nach 4b ist der resonante Scanner 28 abweichend von der Darstellung in 4a nicht mit einem Offsetaktor gekoppelt, wodurch hierbei Panning nur in der mit dem quasistatischen Scanner 26 erzeugten Scanrichtung möglich ist.
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Alternativ zu den anhand 4a und 4b beschriebenen Ausführungsformen liegt es auch im Rahmen der Erfindung, die Positionen von Scanner 26 einerseits und von Scanner 28 einschließlich Offsetaktor 30 andererseits zu vertauschen. Dabei sind die Scanachsen der Scanner 26, 28 und die Drehachse des Offsetaktors 30 relativ zum jeweils einfallenden und abgelenkten Strahl in ihren Grundstellungen äquivalent zu der in 4a und 4b gezeigten Darstellung, der Strahlverlauf ist damit konstant und die Scanrichtungen des austretenden Laserstrahls 5 bleiben erhalten.
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Im Verlauf der optischen Strahlung zwischen den beiden Scannern 26, 28 ist vorteilhaft eine Optik (nicht dargestellt) zur Abbildung des in Strahlungsrichtung gesehen ersten Scanners 26 auf den zweiten Scanner 28 vorgesehen.
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Mit den Scanneranordnungen nach 1 bis 4b werden gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile erreicht:
- - wenig aufwändige Scanfeldrotation ohne zusätzliche optische Elemente,
- - Realisierung als Laser-Scan-Modul für weitgehend universellen Einsatz möglich,
- - Panning (außer 1a) und Zoom sind möglich,
- - keine Änderung der Polarisation bei der Scanfeldrotation,
- - keine Änderung der Laserleistung bei der Scanfeldrotation,
- - minimaler lateraler Versatz des Laserstrahls, da nur geringer Abstand zwischen den Scanachsen der beiden Scanner besteht,
- - hohe Scangeschwindigkeit auch bei großem Scanfeld.
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Die Scanneranordnung nach 1 hat zusätzlich den Vorteil einer hohen Transmission aufgrund der Verwendung von nur einem Ablenkelement für beide Scanrichtungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Scanner
- 2
- Scanspiegel
- 3
- Scanachse
- 4
- Scanachse
- 5
- Laserstrahl
- 6
- Offsetaktor
- 7
- Schwenkeinrichtung
- 8
- Schwenkachse
- 9
- Scanner
- 10
- Scanspiegel
- 11
- Scanachse
- 12
- Offsetaktor
- 13
- Scanner
- 14
- Scanachse
- 15
- Schwenkeinrichtung
- 16
- Schwenkachse
- 17
- Scanner
- 18
- Scanspiegel
- 19
- Scanner
- 20
- Scanspiegel
- 21
- Offsetaktor
- 22
- Umlenkspiegel
- 23
- Umlenkspiegel
- 24
- Gestell
- 25
- Schwenkachse
- 26
- Scanner
- 27
- Scanspiegel
- 28
- Scanner
- 29
- Scanspiegel
- 30
- Offsetaktor
- 31
- Schwenkachse
- 32
- Schwenkachse
- 40
- Abbildungsoptik
- 41
- Objektebene
- 42, 42a, 42b
- Scanfeld
- 43, 43a, 43b
- Scanfeldmitte
- φ
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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