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Die Erfindung betrifft allgemein optische Vorrichtungen und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schnellen und präzisen Ändern des Fokus oder der Streuung eines einfallenden Lichtstrahls.
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Laser kommen auf vielfältigen Gebieten zum Einsatz, beispielsweise von der Vermessung über Barcodescanner in Supermärkten bis hin zu optischen Plattenlaufwerken, z. B. CD- und DVD-Laufwerken. Eine spezielle Klasse der Laseranwendung beinhaltet das Scannen des Laserstrahls mit Hilfe von X-Y-Galvanometerscannern zum Markieren oder Schneiden von Material oder zum Erzeugen eines visuellen Bilds.
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Verwendet man Laser zum Markieren oder Schneiden, wird der Laserstrahl normalerweise durch X- und Y-Scanner abgelenkt und dann durch eine „Scanlinse” gesendet, die gewöhnlich als F-Theta-Linse oder als telezentrische Linse realisiert ist. Eine solche Linse dient dazu, den Laserstrahl auf das zu markierende oder zu schneidende Material zu fokussieren. Normalerweise liegt der aus der Laserquelle austretende Strahldurchmesser zwischen 6 und 12 mm, und der Strahl muss auf das Material fokussiert werden, um eine ausreichend hohe Energiedichte zu erreichen, damit das Material markiert oder geschnitten wird.
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Die Scanlinse, z. B. die F-Theta-Linse oder die telezentrische Linse, macht normalerweise einen erheblichen Kostenanteil des gesamten Lasermarkiersystems aus. Allgemein muss die Scanlinse zwei bis vier Inch Durchmesser haben und ist oft aus exotischen Materialien hergestellt, um die interessierende Wellenlänge durchzulassen. Außerdem erzeugen die F-Theta- und telezentrischen Linsen einen Fokus, der auf einem ebenen Ziel liegt. Somit muss das zu markierende oder zu schneidende Material flach sein, damit der Strahl über die gesamte Materialoberfläche fokussiert bleibt. Auf einer ungleichmäßigen Oberfläche zu markieren, z. B. auf einer zylindrischen Getränkedose oder einem gewellten Produkt, ist normalerweise nicht erreichbar oder praktikabel. Dieser ebene und unveränderliche Fokusabstand und die normalerweise hohen Kosten der Scanlinse sind zwei Nachteile beim Gebrauch von Scanlinsen. Daher ist ein System erwünscht, das beim Scannen des Strahls für einen dynamischen Fokus sorgt, damit ungleichmäßige Oberflächen markiert werden können.
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Zu einer weiteren Anwendung für Laser zählen Laserdisplays. Laserdisplays kommen für viele Zwecke zum Einsatz, darunter optische Layoutschablonen. In einer verwandten Anwendung kann ein Laserdisplay für Unterhaltungsanwendungen verwendet werden, um beispielsweise Firmenlogos, animierte Comicfiguren u. ä. zu projizieren und auch um direkt in ein Publikum zu projizieren. In die Zuschauer projizierte Laser bezeichnet man als Laser- oder Beamshow bzw. „Audience Scanning”.
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Beim Erzeugen eines Anzeigebilds mit einem Firmenlogo oder Comic wird der „rohe Laserstrahl” normalerweise direkt aus der Laserquelle verwendet und dann zu X-Y-Scannern gesendet. Zu dem X-Y-Scannern von einem Computer gesendete Vektorgrafiken erzeugen dann ein Bild auf einer Zieloberfläche. In technisch bekannten Laserdisplayprojektoren erfolgt normalerweise keine Fokussierung, Defokussierung oder Änderung des Strahldurchmessers beim X-Y-Scannen. Als Ergebnis hat das Bild einen ungefähr konstant großen Laserstrahl über die gesamte Projektionsfläche. Erwünscht ist aber eine Vorrichtung, die ein variables Fokussier- oder Defokussiervermögen hat, damit bestimmte Teile des projizierten Bilds eine größere Fleckgröße haben können (zum Beispiel große errötete Wangen auf dem Gesicht einer Frau), während andere Teile des Bilds eine sehr kleine Fleckgröße haben können (beispielsweise Wimpern auf dem Gesicht einer Frau).
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Ebenso wird beim Erzeugen eines Audience-Scanning-Displays der rohe Laserstrahl normalerweise gleich aus dem Laser verwendet, zu einem X-Y-Scanner und dann direkt in das Publikum gesendet. In technisch bekannten Audience-Scanning-Laserprojektoren erfolgt normalerweise keine Fokussierung, Defokussierung oder Änderung des Strahldurchmessers des X-Y-Scanstrahls. Wie im Fall eines zuvor diskutierten typischen Lasergrafikprojektors empfängt daher das gesamte Publikum den Laserstrahl mit gleichem Durchmesser zu jeder Zeit und an allen Stellen im projizierten Display. Erwünscht ist aber eine Vorrichtung, die für variable Fokussierung oder Defokussierung sorgen kann, damit Teile des erzeugten Bilds einen größeren Strahldurchmesser und andere Teile einen kleineren Strahldurchmesser haben können. Bei Audience-Scanning-Anwendungen kann dies besonders wichtig sein, weil die Sicherheit des Laserstrahls mit zunehmendem Durchmesser des Laserstrahls im Publikum steigt. Würde eine Vorrichtung mit variablem Fokus verwendet, könnte sie den Strahldurchmesser für Bereiche der Laserprojektion vergrößern, in denen Zuschauer dem Laserprojektor besonders nahe sind, was auch Sicherheitsmerkmale und -nutzeffekte erhöht.
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In der Technik sind mehrere Vorrichtungen bekannt, die versuchen, ein präzises System mit variablem Fokus für einen Laserstrahl zu erzeugen. Allgemein haben diese Vorrichtung eine von zwei Formen. Bei einer Form wird ein normaler Galvanometerscanner (der eine Drehvorrichtung ist) in einem System eingesetzt, das eine mechanische Umsetzung von Dreh- in Linearbewegung verwendet, z. B. ein Spannband-Rolamite. Dann ist die Bewegung des bewegten Bauteils durch ein Stangenlagersystem so eingeschränkt, dass es sich nur axial und nicht radial oder drehend bewegen kann. Eine Linse oder ein anderes optisches Element ist am bewegten Bauteil angebaut. Auf diese Weise kann ein serienmäßiger Galvanometerscanner verwendet werden, um eine Linse linear zu bewegen, statt einen Spiegel drehend zu bewegen, was normalerweise bei Galvanometerscannern der Fall ist. Obwohl Galvanometerscanner serienmäßige Vorrichtungen sind, wurden sie eigentlich nicht für die Anwendung als Bauteile zur Linsenverschiebung gestaltet. Somit gibt es eine Reihe von Problemen mit dieser Technik. Beispielsweise verschleißen die Stangenlager letztlich und haben auch begrenzte maximale Geschwindigkeiten. Ferner kann das Gestänge zwischen der Drehscannerwelle und dem Linearschiebebauteil nicht wie gewünscht versteift werden. Daher verhindern Resonanzprobleme, dass die Geschwindigkeit so hoch wie gewünscht ist.
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Ein weiterer Weg zur Schaffung eines präzisen Systems mit variablem Fokus für einen Laserstrahl besteht darin, einen Drehspulen-Stellantrieb zu verwenden, der mit einem dem zuvor beschriebenen ähnelnden Stangenlagersystem gekoppelt ist. Das Stangenlagersystem ermöglicht der Spule und dem bewegten optischen Element, sich axial, aber weder radial noch drehend zu bewegen. Häufig liegt die Linse in der Mitte der Drehspule. Allgemein ist die Leistung dieser Art von System stärker erwünscht als der zuvor beschriebene Ansatz, aber für einige Anwendungen immer noch nicht befriedigend, darunter Laserdisplay- und Audience-Scanning-Anwendungen. In einem speziellen bekannten System, bei dem das bewegte Element und die Spule entlang einem Stangenlagersystem verfahren, beträgt die maximal erreichbare Nachführgeschwindigkeit 1600 Millimeter pro Sekunde, und die maximale Beschleunigung beträgt 50 G (z. B. m/s2).
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Für bestimmte Anwendungen zieht der Gebrauch eines Stangenlagersystems einen Nachteil für ein System mit Z-Achsenfokussierung nach sich. Als Ergebnis gab es Versuche, das Linearlagersystem gegen Biegeelemente verschiedener Formen auszutauschen, z. B. ein Flachfederbiegeelement oder sogar Drähte, um ein Biegeelement vorzusehen. Allerdings zeigen bekannte Biegeelementsysteme Eigenresonanzen, die verhindern, dass die gesamte Vorrichtung mit Z-Achsenfokussierung Geschwindigkeiten erreicht, die auch nur in die Nähe der Frequenz der Eigenresonanzen der Biegeelemente kommen.
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In einer Konfiguration, die Metallbiegeelemente verwendet, wird dem bewegten Bauteil eine unerwünschte Zusatzbewegung verliehen. beispielsweise nutzt ein solcher Weg drei Flachfederbiegeelemente, die dreieckförmig angeordnet sind. Wird das bewegte Element entlang der Z-Achse bewegt, behalten die Biegeelemente Axialbewegung bei, während sie Radialbewegung einschränken. Wegen der dreieckigen und flachfederartigen Beschaffenheit wird aber bei Bewegung des Elements auch eine parasitäre Drehbewegung dem Bauteil verliehen, wenn es axial bewegt wird. Dadurch ergibt sich letztlich eine „Schraub”-Wirkung, die verglichen mit reiner Linearbewegung unerwünscht ist.
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In einer weiteren Konfiguration, die in CD- und DVD-Laufwerken verbreitet zum Einsatz kommt, werden einfache Drähte zur Einschränkung der Bewegung des bewegten Elements verwendet. Jedoch muss der Durchmesser der Drähte recht klein sein, um Axialbewegung zu ermöglichen, weshalb die Eigenresonanzfrequenz und Steifigkeit in Radialrichtung für Laserdisplay- oder Audience-Scanning-Anwendungen unzureichend sind.
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Unabhängig von der Realisierung als Dreh- in Linearbewegung umsetzende Vorrichtung oder als Drehspulenvorrichtung haben derzeit bekannte Systeme eines gemeinsam: Das bewegte Bauelement selbst hat eine unerwünschte Masse. Beispielsweise beträgt in gewerblichen Vorrichtungen mit Z-Achsenfokussierung, die zum Lasermarkieren und -schneiden zum Einsatz kommen, die normalerweise verfügbare niedrigste typische bewegte Masse mindestens 20 Gramm, und eine bewegte Masse von 50 Gramm ist viel stärker verbreitet. Zum Erzielen sehr hoher Geschwindigkeiten ist eine so hohe bewegte Masse nachteilig. Auch bei den Vorrichtungen mit Z-Achsenfokussierung, die in CD- und DVD-Playern zum Einsatz kommen, beträgt die bewegte Masse normalerweise rund 0,3 Gramm, was viel Masse verglichen mit der Kraft ist, die CD-/DVD-Stellantriebe erzeugen (typischerweise unter 0,2 Newton). Somit ist die durch Vorrichtungen mit Z-Achsenfokussierung derzeit erreichbare Frequenz zum Gebrauch mit solchen Anwendungen unzureichend, die sehr schnelle dynamische Fokussiervorgänge erfordern, z. B. Laserdisplays und Audience Scanning.
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Die Erfindung betrifft eine Light-Beam-Brush (Lichtstrahlvorrichtung für „Bürsten-Effekte”). Die Beam-Brush verfügt über eine Linse, die zum Empfangen eines sich entlang einer ersten Strahlachse ausbreitenden Laserstrahls fixiert ist, einen Retroreflektor, der zum Umlenken des Laserstrahls auf eine zweite Strahlachse über eine Änderung der Strahlweglänge positioniert ist, und eine zweite Linse, die den umgelenkten Strahl überträgt. Der Retroreflektor ist um eine versetzte Achse drehbar, und sein Drehwinkel wird zum Bewirken einer Änderung der Strahlweglänge gesteuert. Der zur Weglängenänderung führende Drehwinkel wird so ausgewählt, dass er für Fokus oder Streuung des über die zweite Linse übertragenen reflektierten Strahls sorgt. Ein solches System ist als Vorrichtung mit Z-Achsenfokussierung von Nutzen, das in einem X-Y-Scanner betreibbar ist, der nach dem modifizierten Strahl liegt.
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Eine Ausführungsform gemäß den Lehren der Erfindung überwindet vorteilhaft Probleme bekannter Vorrichtungen mit Z-Achsenfokussierung durch Bereitstellung einer drehenden Retroreflektoranordnung, die leichtes Gewicht und dennoch ausreichende Steifigkeit hat, um wiederholbare Bewegung mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen. Eine Ausführungsform kann einen in Kombination mit einem Paar fixierten Linsen verwendeten Retroreflektor aufweisen, wobei eine resultierende Vorrichtung den Fokus oder die Streuung eines einfallenden Lichtstrahls schnell ändern kann. Eine Ausführungsform gemäß den Lehren der Erfindung kann eine Light-Beam-Brush aufweisen, die eine zum Empfangen eines sich entlang einer ersten Strahlachse ausbreitenden Lichtstrahls positionierte erste Linse und einen Retroreflektor mit einem ersten und einem zweiten reflektierenden Oberflächenabschnitt hat, wobei der erste Oberflächenabschnitt zum Empfangen des von der ersten Linse übertragenen Strahls und Umlenken des Strahls auf den zweiten reflektierenden Oberflächenabschnitt positioniert ist, wobei der Retroreflektor um eine Drehachse drehbar ist. Eine zweite Linse kann an einer Position nach der ersten Linse zum Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls vom zweiten reflektierenden Oberflächenabschnitt des Retroreflektors zum Übertragen des Strahls entlang einer zweiten Strahlachse fixiert sein. Eine Steuerung kann mit dem Retroreflektor zum Steuern eines Drehwinkels der ersten und zweiten reflektierenden Oberfläche um die Drehachse und damit zum Steuern einer Weglängenänderung des Strahls zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse betreibbar sein. Der Drehwinkel und damit die Weglängenänderung können zum Bilden eines Fokus oder einer Streuung des reflektierten Lichtstrahls ausgewählt sein, der durch die zweite Linse übertragen wird.
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Ferner kann eine Ausführungsform ein Paar als Retroreflektor angeordnete Spiegel aufweisen, wobei der Retroreflektor an einem Drehstellantrieb so angebracht ist, dass Drehbewegung eine Weglängenänderung zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse erzeugt, und wobei ein zum Drehstellantrieb gesendetes Befehlssignal den Winkel des Stellantriebs steuert und somit eine Weglängenänderung steuert.
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Außerdem kann ein X-Y-Scanner nach dem ersten und zweiten Spiegel hegen, wobei das zum Drehstellantrieb gesendete Befehlssignal zum X-Y-Scanner zum Kompensieren jedes ungewünschten Scanvorgangs als Ergebnis des Vorrichtungsbetriebs gesendet wird.
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Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung als Beispiel anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Light-Beam-Brush gemäß den Lehren der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Prismastruktur, die reflektierende Oberflächen zum Gebrauch in einem Retroreflektor vorsieht;
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3 und 4 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen reflektierender Oberflächen, die in einem Retroreflektor von Nutzen sind, der ein Paar in spitzem bzw. stumpfem Winkel ausgerichtete Spiegel verwendet;
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5, 6 und 7 schematische Darstellungen einer zweidimensionalen, dreidimensionalen bzw. kreisförmigen reflektierenden Oberfläche, die in einem Retroreflektor von Nutzen sind, sowie mögliche einfallende und reflektierende Strahlen, die damit betreibbar sind;
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8 eine schematische Darstellung einer bekannten Newtonschen Teleskopanordnung mit zwei Linsen und der Art und Weise, wie die Bewegung einer Linse relativ zur anderen genutzt werden kann, um eine Streuungs- oder Fokusänderung des einfallenden Lichtstrahls zu bewirken;
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9 eine schematische Darstellung, wie das Newtonsche Teleskop von 8 mit Hilfe eines Retroreflektors neu angeordnet sein kann;
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10 eine schematische Darstellung, wie man eine ähnliche Streuungs- oder Fokusänderung wie in 8 durch Bewegen des Retroreflektors von 9 statt der Linsen erreichen kann;
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11 eine schematische Darstellung der Light-Beam-Brush von 1, die den Gebrauch von Spiegeln auf einer Basis des Retroreflektors in einer möglichen Anwendung zeigt;
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12 eine Draufsicht auf den Retroreflektor von 11;
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13 und 14 eine Drauf- bzw. Perspektivansicht eines mit dem Retroreflektor von 11 betreibbaren Spiegels;
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15 eine schematische Darstellung der Light-Beam-Brush gemäß den Lehren der Erfindung, die eine Ausführungsform zeigt, die dafür sorgt, dass der einfallende und der reflektierte Strahl in gleicher Richtung und nicht in Gegenrichtungen wie in 11 projiziert werden;
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16 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, die in ein X-Y-Scansystem integriert ist; und
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17 eine Ausführungsform des Retroreflektors mit einem Satz erwünschter Abmessungen, der als nicht einschränkendes Beispiel dargestellt ist.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in denen Ausführungsformen der Erfindung als Veranschaulichung und Beispiel dargestellt sind. Gleichwohl kann die Erfindung in vielen Formen ausgeführt sein und sollte nicht so interpretiert werden, als sei sie auf die hier vorgestellten Ausführungsformen beschränkt. Statt dessen dienen diese Ausführungsformen zur gründlichen und vollständigen Offenbarung und vermitteln dem Fachmann umfassend den Schutzumfang der Erfindung.
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Mit anfänglichem Bezug auf 1 wird eine Ausführungsform gemäß den Lehren der Erfindung hier als Light-Beam-Brush (Lichtstrahlvorrichtung für „Bürsten- bzw. Pinsel-Effekte”) 10 beschrieben, die eine erste Linse 12 aufweist, die zum Empfangen eines Lichtstrahls 14 positioniert ist, der sich entlang einer ersten Strahlachse 16 ausbreitet. Für hier als nicht einschränkendes Beispiel vorgestellte Ausführungsformen ist der Lichtstrahl ein Laserstrahl, der von einem Laser als Lichtquelle 18 als gebündelter Lichtstrahl abgestrahlt wird. Ein hier als Beispiel beschriebener Retroreflektor 20 weist eine erste und eine zweite reflektierende Oberfläche 22, 24 auf. Die erste reflektierende Oberfläche 22 ist zum Empfangen des von der ersten Linse 12 übertragenen Lichtstrahls 14 und Umlenken des Strahls auf die zweite reflektierende Oberfläche 24 positioniert. Der Retroreflektor gemäß den Lehren der Erfindung ist um eine Drehachse 26 drehbar. Eine zweite Linse 28 wird an einer Position nach der ersten Linse 12 zum Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls 30 von der zweiten reflektierenden Oberfläche 24 des Retroreflektors 20 und Übertragen des reflektierten Strahls 30 entlang einer zweiten Strahlachse 32 zu einem Ziel 34 fixiert gehalten, wobei das Ziel eine Leinwand, Wolken in der Atmosphäre oder wunschgemäß sein kann, ohne von der Lehre der Erfindung abzuweichen.
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Mit weiterem Bezug auf 1 ist eine Steuerung mit dem Retroreflektor 20 zum Steuern eines Drehwinkels 38 der ersten und zweiten reflektierenden Oberfläche 22, 24 um die Drehachse 26 und damit zum Steuern einer Weglängenänderung 40 des Strahls zwischen der ersten und zweiten Linse 12, 28 betreibbar. Der Drehwinkel 38 um die Drehachse 26 und somit die Weglängenänderung 40 sind so ausgewählt, dass wie gewünscht für Fokus oder Streuung des durch die zweite Linse 28 übertragenen reflektierten Lichtstrahls gesorgt ist.
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Für die hier als Beispiel vorgestellte Ausführungsform und mit weiterem Bezug auf 1 sind die erste und zweite reflektierende Oberfläche 22, 24 in einer ersten und einer zweiten Ebene 42, 44 fixiert, wobei sich die Ebenen an einem Schnitt 46 schneiden. Allgemein liegt die Drehachse 26 nahe der ersten oder zweiten Ebene 42, 44 und vom Schnitt 46 versetzt. Für die Ausführungsform, die hier für die Ausführungsform von 1 veranschaulicht ist, sind die erste und zweite reflektierende Oberfläche eben und orthogonal zueinander.
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Gemäß 2 können die reflektierenden Oberflächen 22, 24 Oberflächen eines Prismas 50 sein. Alternativ und bei Bedarf im Hinblick auf Strahlachsen kann die erste reflektierende Oberfläche 22 einen spitzen Winkel 52 oder einen stumpfen Winkel 54 mit der zweiten reflektierenden Oberfläche 24 bilden, was anhand von 3 bzw. 4 veranschaulicht ist. Wie dem Fachmann deutlich ist, können weiterhin verschiedene reflektierende Oberflächenkonfigurationen, Formen und auf diese ausgewählten Oberflächen fallende Strahlwinkel gemäß 5, 6 und 7 zum Einsatz kommen, ohne von den Lehren der Erfindung abzuweichen. Wie mit erneutem Bezug auf 1 dargestellt, ist die erste Strahlachse 16 zwar parallel zur zweiten Strahlachse 32, aber bei Bedarf können sie orthogonal zueinander sein, was durch die Ausführungsformen gemäß 3 und 4 als nicht einschränkendes Beispiel veranschaulicht ist.
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Die Lehren der Erfindung werden besser verständlich, betrachtet man die Lehren im Stand der Technik. Gemäß 8 beruht ein bekanntes System auf dem Grundsatz der Schaffung eines Newtonschen Teleskops und der Änderung der Weglänge durch das Teleskop. Ein solches System weist ein Paar Linsen mit positiver Brennweite auf. Indem eine Linse zur anderen bewegt wird, erhöht sich die Streuung des Ausgangsstrahls, was eine erwünschte Funktion beim Einsatz des Systems für Laserdisplayanwendungen ist. Bewegt man umgekehrt eine Linse von der anderen weg, führt dies zu einer Fokussierung des Ausgangsstrahls, was eine erwünschte Funktion für Laser-Markier- und Schneidvorgänge ist. Der Abstand zwischen den beiden Linsen bestimmt den Grad der Streuungszunahme oder Fokussierung. Soll keine Streuungs- oder Fokusänderung erfolgen, können die beiden Linsen zudem in einem Abstand platziert werden, der gleich der Summe der Brennweiten der Linsen ist.
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8 zeigt einen Weg, der durch das Paar Linsen darstellungsgemäß gerade ist. Als Alternative kann dieser Weg mit Hilfe eines Retroreflektors gefaltet sein, was anhand von 9 gezeigt ist. Der Retroreflektor weist ein Paar Spiegel auf, die gewöhnlich in einem 90-Grad-Winkel angeordnet sind, so dass ein einfallender Lichtstrahl zurück zu einer abgehenden Lichtstrahlrichtung reflektiert wird.
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Kommt der Retroreflektor mit weiterem Bezug auf 9 und nun auch 10 zum Einsatz, kann der Retroreflektor linear bewegt werden, um die Weglänge zwischen den beiden Linsen zu beeinflussen. Damit wird das gleiche Ergebnis wie bei Bewegung der Linsen selbst erzielt. Obwohl die Ausführungsform von 10 die Streuung oder den Fokus eines einfallenden Lichtstrahls ändern kann, gibt es Herausforderungen, die Probleme mit dem geradlinigen Bewegen von Linsen und verwandten Strukturen hervorrufen. Eine große Herausforderung ist, dass ein normalerweise zum Gebrauch gewünschter serienmäßiger Stellantrieb derzeit nicht verfügbar ist, der den Grad an Geschwindigkeit und Präzision besitzt, den man für anspruchsvolle Anwendungen, z. B. Laserdisplays, normalerweise fordert.
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Aus Analysen geht hervor, dass ein schneller, präziser Drehstellantrieb gegenüber einem schnellen, präzisen Linearstellantriebs bevorzugt ist. Tatsächlich werden relativ schnelle und genaue Drehstellantriebe schon sowohl für Laserdisplay- als auch für Laser-Markier-/Schneidanwendungen in Form von optischen Scannern auf Galvanometerbasis verwendet. In der Vergangenheit wurde versucht, einen solchen Scanner zur z-Achsenfokussierung und für Beam-Brush-Anwendungen zu nutzen. Allgemein ist bei diesen Ansätzen ein Spannband an der Scannerwelle angebracht, das als Umsetzer von Dreh- in Linearbewegung konfiguriert ist, und mit diesem Band wird ein Shuttle angetrieben, das auf Kugellagern fährt. Da wie zuvor beschrieben dieses System kompliziert ist und lineare Kugellager und das Rolamite-Spannband beinhaltet, wird keine Positionierung mit hoher Geschwindigkeit erreicht, wie sie für Laserdisplayanwendungen erforderlich ist.
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Die Lehren der Erfindung, so wie sie eingangs beschrieben wurden, können mit Hilfe eines Drehstellantriebs mit begrenzter Drehung umsetzbar sein, z. B. eines optischen Scanners auf Galvanometerbasis, zusammen mit dem selektiv positionierten Retroreflektor, um nach Bedarf Streuungszunahmen und Fokusänderungen für die anspruchsvollen Display- und Laser-Markier-/Schneidanwendungen zu erreichen. Als weiteres Beispiel im Hinblick auf die Lehren der Erfindung sei nunmehr auf 11 verwiesen, in der die Light-Beam-Brush 10 den Retroreflektor 20 aufweist, der mit Hilfe einer Basis 56 gebildet ist, die um die Drehachse 26 drehbar ist. Mit weiterem Bezug auf 11 und jetzt auch auf 12 ist ein erster Spiegel 58 auf der Basis 56 angebaut und an einer ersten Ausrichtung 60 ausgerichtet. Der erste Spiegel 58 weist die zuvor anhand von 1 beschriebene erste reflektierende Oberfläche 22 auf. Ein zweiter Spiegel 62 ist auf der Basis 56 angebaut und hat vom ersten Spiegel 58 einen Abstand 64. Der Raum 64 zwischen den Spiegeln 58, 62 kann vorab so ausgewählt sein, dass einer gewünschten Weglängenänderung 40 Rechnung getragen wird. Der zweite Spiegel 62 ist an der Basis 56 befestigt und an einer zweiten Ausrichtung 66 ausgerichtet, die orthogonal zur ersten Ausrichtung 60 orientiert ist. Der zweite Spiegel weist die zuvor anhand von 1 beschriebene zweite reflektierende Oberfläche 24 auf.
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Der erste und zweite Spiegel 58, 62 haben eine allgemein rechtwinklige Form. Um aber Gewicht und Trägheit wie in Laserscansystemen normalerweise gewünscht zu optimieren, hat jeder der Spiegel seine rechtwinklige Form, die einen oberen Mittelabschnitt 70 parallel zu einem unteren Abschnitt 72 sowie eine Unterschneidung 74 auf der linken und rechten Oberseite gemäß 13 und 14 aufweist.
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Mit weiterem Bezug auf 11 und wie zuvor anhand von 1 beschrieben, wird der Lichtstrahl 14 in einer Richtung 76 entlang der ersten Strahlachse 16 übertragen, und der reflektierte Strahl 30 wird in Gegenrichtung 78 entlang der zweiten Strahlachse 32 übertragen, wobei die zweite Strahlachse parallel zur ersten Strahlachse ist.
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Optional kann bei Bedarf an Übertragung des reflektierten Strahls in ähnlicher Richtung wie der Anfangsstrahl unter Beibehaltung des hier vorgestellten Fokussier- und Streuungsvermögens die Beam-Brush 10 so modifiziert sein, dass sie zusätzliche reflektierende Oberflächen aufweist, die den Strahl empfangen. Als nicht einschränkendes Beispiel und gemäß 15 weist die Beam-Brush 10 ferner eine nach der ersten Linse 12 positionierte dritte reflektierende Oberfläche 80 zum Empfangen des davon übertragenen Strahls 14 und zum Reflektieren des Strahls auf die erste reflektierende Oberfläche 22 des Retroreflektors 20 auf. Eine vierte reflektierende Oberfläche 82 ist nach der zweiten reflektierenden Oberfläche 24 zum Empfangen des davon reflektierten Strahls 30 und zum Reflektieren des Strahls auf die zweite Linse 28 positioniert. Für das hier gezeigte Beispiel verläuft der entlang der zweiten Strahlachse 32 übertragene Strahl in Richtung 76 des Strahls 14, der entlang der ersten Strahlachse 16 übertragen wird. Dem Fachmann wird klar sein, dass zwar von einem Strahl und einem reflektierten Strahl die Rede ist. sie aber eigentlich derselbe Strahl sind und als Abschnitt dieses Strahls zur zweckmäßigen Veranschaulichung beschrieben werden.
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Mit erneutem Bezug auf 11 weist beispielhaft die Beam-Brush 10 ferner einen Beam-Brush-Scanner 84 mit einer Welle 86 auf, die mit dem Retroreflektor 20 betreibbar und um die Drehachse 26 drehbar ist. Die zuvor anhand von 1 beschriebene Steuerung 36 ist mit dem Beam-Brush-Scanner 84 zum Bereitstellen von Steuersignalen 88 betreibbar, die die Drehung des Retroreflektors 20 um die Drehachse 26 begrenzen.
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Eine erwünschte Verwendung der hier als Beispiel beschriebenen Beam-Brush 10 ist der Wertzuwachs bei Einsatz in einem Laserscansystem 90, das als Beispiel gemäß 16 veranschaulicht ist. Ein X-Y-Scanner 92 kann nach der zweiten Linse 28 zum Empfangen des Lichtstrahls 30 mit Fokus- oder Streuungskennwerten angeordnet sein. Der einfallende Lichtstrahl 14 durchläuft die erste Linse 12, fällt dann auf den ersten Retroreflektorspiegel 58, dann auf den zweiten Retroreflektorspiegel 62, durchläuft anschließend die zweite Linse 28 wie zuvor beschrieben und fällt dann auf einen X-Achsenspiegel 94 zur Ablenkung. Abschließend wird der Strahl 30 vom X-Achsenspiegel 94 zum Y-Achsenspiegel 96 reflektiert, von wo er dann nach außen zum Ziel 34 projiziert wird, das eine Projektionsfläche oder ein Werkstück aufweisen kann. Der Retroreflektor kann in einer Z-Achse angeordnet sein, um für X-, Y- und Z-Scannen zu sorgen, was eine Beam-Brush mit Z-Achsenfokussierung bildet. Für Laserdisplayanwendungen können geeignete Linsen Achromat-Linsen mit etwa 12 mm Brennweite sein, und der als Drehstellantrieb verwendete optische Scanner auf Galvanometerbasis kann vom trägheitsarmen Typ sein, z. B. das Modell Saturn 5 von ScannerMAX.
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Die Steuerung 36 kann zum Übertragen eines Signals 98 zum X-Y-Scanner 92 beim Steuern des Drehwinkels 38 des Retroreflektors 20 zur bedarfsweisen Kompensation des Scanvorgangs betreibbar sein. Wie dem Fachmann bekannt ist, hat der gebündelte Laserstrahl normalerweise eine niedrige Streuung, so dass ein Strahldurchmesser allgemein gewahrt bleibt. Mit den Lehren der Erfindung lässt sich ein solcher Laserstrahl wie gewünscht steuern. Weiterhin kann die Steuerung 36 Verarbeitungssoftware zum Übertragen von Betriebsbefehlen 100 zur Laserquelle aufweisen, wodurch das System 100 zum Beispiel eine Lasershowaufführung vollständig steuert.
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Als weiteres Beispiel und mit erneutem Bezug auf 11 und 12 durchläuft der einfallende Lichtstrahl 14 die erste Linse 12 und wird zum ersten Spiegel 58 gelenkt, der Teil des Retroreflektors 20 ist. Der erste Spiegel 58 reflektiert den Lichtstrahl 14 in einem 90-Grad-Winkel zum zweiten Spiegel 62 des Retroreflektors 20. Danach reflektiert der zweite Spiegel 62 diesen Lichtstrahl in einem weiteren 90-Grad-Winkel zur zweiten Linse 28. Der reflektierte Ausgangsstrahl 30 tritt aus der zweiten Linse gestreut, fokussiert oder unverändert aus, was von der Orientierung (Position, Drehung und damit Abstand) des Retroreflektors von der ersten Linse und den zweiten Linsen abhängt. Das Befehlssignal wird zum Beam-Brush-Scanner 84 (einem Drehstellantrieb) gesendet, an dem die Retroreflektoranordnung angebracht ist. Dieses Befehlssignal steuert den Drehwinkel des Drehstellantriebs 84 und kann dadurch den Betrag der Streuungszunahme oder Betrag der Fokussierwirkung steuern, die auftritt. Zu beachten ist, dass bei Anordnung des ersten Spiegels 58 in einem 90-Grad-Winkel im Hinblick auf den zweiten Spiegel 62 das Paar Spiegel des Retroreflektors den Lichtstrahl immer in einer Summe von 180 Grad reflektiert, wodurch es den Lichtstrahl in gleicher Richtung zurücksendet, aus der er kam, was zuvor beschrieben wurde.
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Auf den ersten Blick und aus praktischer Sicht könnte es möglich erscheinen, einen Einzelspiegel statt des Retroreflektors mit dem Spiegelpaar zu verwenden. Anders als ein Einzelspiegel, der bei einem Einfallswinkel von null Grad auch einen einfallenden Lichtstrahl zurück in die Richtung reflektieren würde, aus der er kam, sieht der Retroreflektor eine Lageverschiebung vor, wodurch die Linsen 12, 28 getrennt sein können. Ändert sich zudem der Einfallswinkel eines Einzelspiegels, so ändert sich auch die Winkelrichtung des reflektierten Strahls. Dagegen reflektiert der Retroreflektor 20, dessen Paar Spiegel 58, 62 in einem Winkel von 90 Grad angeordnet ist, den Lichtstrahl immer zurück zur Ausgangsrichtung unabhängig von der Drehorientierung des Retroreflektors 20. Daher ist es durch Platzieren des Retroreflektors 20 an einer strategischen Drehachse 26 möglich, die gleiche Weglängenänderung 40 zu erzeugen, zu der es käme, würde der Retroreflektor 20 mit einem Linearstellantrieb verwendet, was zuvor anhand von 10 beschrieben wurde.
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Daher ist erwünscht, die Drehachse 26 (einen Schwenkpunkt für den auf einer Galvanometerwelle angebauten Retroreflektor) an einem Punkt anzuordnen, an dem die Drehung der Galvanometerwelle eine Änderung der Weglänge und nicht nur eine Drehung des Retroreflektors bewirkt. Platziert man beispielsweise diesen Drehpunkt am Schnitt oder Scheitel, an dem sich die beiden Spiegel schneiden (der zuvor anhand von 1 beschriebene Schnitt 46) oder entlang der Achse dieses Scheitels, kommt es nur zu Drehung des Retroreflektors. Der Retroreflektor reflektiert immer den einfallenden Strahl von der ersten Linse um 180 Grad zur zweiten Linse, ohne aber die Distanz zu ändern, die der Strahl von der Linse 12 zur Linse 28 zurücklegt. Platziert man aber die Drehachse 26 versetzt vorn Schnitt 46, beeinflusst dies durchaus die Weglänge, während der Beam-Brush-Scanner 84 den Retroreflektor 20 dreht. Allerdings zieht diese Platzierung der Drehachse 26 auch eine unerwünscht höhere Trägheit des Scanners 84 nach sich, da sie ein Massenzentrum des Retroreflektors 20 in größerer Entfernung von der Drehachse der Welle selbst platziert. Zusätzlich zur unerwünschten Trägheitszunahme ändert sich der Abstand zwischen dem eintreffenden und ausgehenden Strahl, wenn der Retroreflektor gedreht wird. Durchläuft der Strahl eine oder beide Linsen, führt diese Verschiebung zu einer Winkeländerung. ferner führt die Drehung des Retroreflektors zu einem parasitären Scanvorgang des Lichtstrahls, was unerwünscht ist. Daher muss die Drehachse 26 als Kompromiss zwischen dem Betrag der Weglängenänderung aus Sicht des Paars Linsen 12, 28, der Trägheit des Retroreflektors 20, dem gewünschten Betrag der Weglängenänderung 40 und dem resultierenden parasitären Scannen ausgewählt werden. Durch Versuche und Experimente wurde festgestellt, dass sich eine erwünschte Lage für die Drehachse 20 nahe einem Ort befindet, wo der Strahl 14 von einem der Spiegel 58 weg reflektiert wird, was mit erneutem Bezug auf 1, 11 und 12 gezeigt ist.
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Zu beachten ist, dass sich zwar Verschiebung und parasitäres Scannen aus suboptimaler Platzierung des Schwenkpunkts ergeben, diese Verschiebung und der resultierende Scanvorgang aber vorhersagbar sind und in einigen Anwendungen tolerierbar sein können. Für Anwendungen, die den Scanvorgang als Ergebnis der Verschiebungsänderung nicht tolerieren können, lässt sich dies durch Frühverstellung eines Anteils des Befehlssignals kompensieren, das den Drehstellantrieb für die X-Y-Scanner ansteuert, die nach der Vorrichtung liegen. Das den X-Y-Scannern zugeführte Befehlssignal 98 wird so eingestellt, dass die X-Y-Scanner 92 für Gegenlenkung sorgen. Erreicht also der Strahl 30 schließlich das Ziel 34 (eine Projektionsfläche oder ein Werkstück), ändert sich die Lage des Strahlflecks nicht als Ergebnis der Streuungszunahme oder des Fokussiervorgangs.
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Als weiteres Beispiel hinsichtlich des Gebrauchs ist der Anbau des Paars Spiegel 58, 62 des Retroreflektors 20 auf der Welle 86 eines Galvanometers relativ einfach. Der Retroreflektor 20 kann aus Aluminium oder sogar Kunststoff hergestellt sein und ist dadurch sehr leicht und steif, was Positionierung der Anordnung mit hoher Geschwindigkeit und somit Streuungs- oder Fokuswirkung mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht. Gemäß 17 sind Musterabmessungen dargestellt, die eine erwünschte Orientierung der Retroreflektorspiegel veranschaulichen. Beinhalten Ausführungsformen eine Änderung des Retroreflektors von einer Anordnung, die eine 180-Grad-Gesamtwegänderung bewirkt, zu einer Anordnung, die eine 90-Grad-Gesamtwegänderung herbeiführt, können die Spiegel 58, 62 neu ausgerichtet verwendet werden, und die hier vorgestellten Grundsätze bleiben gleich.
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Nachdem die Erfindung, der Aufbau, der Betrieb und Gebrauch ihrer bevorzugten Ausführungsformen sowie die durch sie zustande kommenden vorteilhaften neuen und nützlichen Ergebnisse beschrieben wurden, werden ihre neuen und nützlichen Aufbauten sowie angemessene mechanische Äquivalente, die dem Fachmann deutlich sind, in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt.
