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Dokumentenidentifikation DE19635792A1 03.04.1997
Titel Zoomvorrichtung
Anmelder Fa. Carl Zeiss, 89518 Heidenheim, DE
Erfinder Schweizer, Jürgen, Dr., 73463 Westerhafen, DE
DE-Anmeldedatum 04.09.1996
DE-Aktenzeichen 19635792
Offenlegungstag 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse G02B 7/10
IPC-Nebenklasse G02B 15/14   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Zoomvorrichtung, welche aus mehreren Linsen aufgebaut ist, bei welcher zumindest ein paralleler Eintrittsstrahl in seinem Durchmesser verändert werden kann. Dabei hat der Austrittsstrahl dieselbe optische Achse wie der Eintrittsstrahl.
Erfindungsgemäß ist die Zoomvorrichtung aus mehreren Zoomsystemen aufgebaut. Die optischen Achsen der Linsen der verschiedenen Zoomsysteme sind zueinander parallel oder zumindest räumlich fest angeordnet, so daß bei einem Strahlenbündel aus vielen Einzelstrahlen der umschriebene Durchmesser durch die Achsen der äußeren Einzelstrahlen konstant bleibt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Zoomvorrichtung, welche aus mehreren Linsen aufgebaut ist, bei welcher zumindest ein paralleler Eintrittsstrahl in seinem Durchmesser verändert werden kann und bei welcher der Austrittsstrahl dieselbe optische Achse hat wie der Eintrittsstrahl.

Zoomvorrichtungen als solche sind bekannt und werden in vielen Geräten verwendet. Zoomvorrichtungen dienen dazu, eine kontinuierliche Brennweitenänderung zu erzielen. Sie werden auch häufig als Vario-Systeme bezeichnet. In dem Buch "Bauelemente der Optik" von H. Naumann und G. Schröder, 4. Auflage des Carl Hansen Verlags München, Wien, Seite 396 ff. sind die mathematischen Grundlagen dazu beschrieben.

Aus der US-PS 4,617,578 ist ein eine Vielstrahl-Zoom- und Fokusiereinrichtung bekannt.

Aus der US-PS 5,170,277 ist ein eine Strahlablenkeinrichtung bekannt, bei welcher eine Linse an einem oder zwei piezoelektrischen Bimorph gehalten wird.

Aus der WO 94/18582 ist ein optisches Array bekannt, bei welchem binäre Optik verwendet wird. Hier werden viele Strahlen zum Abscannen eines Objektes verwendet. Die verwendete Optik erzeugt dabei aus einem parallelen Strahl mit großem Strahldurchmesser einen parallelen Strahl mit kleinerem Strahldurchmesser.

Aus einem Prospekt der Firma TELEDYNE BROWN ENGINEERING (Cummings Research Park, 300 Sparkman Drive NW, P.O. Box 070007, Hundsville, USA) ist ein Linsenarray bekannt, welches eine maximale Arraygröße von 110 * 110 mm besitzt und mit eng aneinanderliegenden Linsen (Abstand zwischen 1 µm und 10 µm) mit einem Linsendurchmesser zwischen 10 µm bis 300 µm belegt ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, bei welcher ein oder mehrere Eintrittsstrahlen auf die Vorrichtung fallen, eine definierte Anzahl von Austrittsstrahlen vorhanden sind oder erzeugt werden und eine gezielte Veränderung des Durchmessers der diskreten Austrittsstrahlen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs gelöst.

Fallen auf die Vorrichtung mehrere diskrete Einzelstrahlen auf, wobei diese Einzelstrahlen im wesentlichen parallel zu ihren optischen Achsen sind und die einzelnen Einzelstrahlen untereinander eine räumlich symmetrische Ausrichtung (z. B. zueinander parallel, bezogen auf die optischen Achsen der Einzelstrahlen) besitzen, so bleibt mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung diese räumlich symmetrische Ausrichtung nach der Vorrichtung erhalten und lediglich der Durchmesser der Einzelstrahlen wird verändert.

Man kann auch sagen, daß bei den einfallenden Einzelstrahlen der Durchmesser der einzelnen Strahlen und bei räumlich symmetrischen Strahlen der Öffnungswinkel der einzelnen Strahlen nach Verlassen der Strahlerzeugungseinrichtung (z. B. lineares oder flächiges Laserdiodenarray, lineare oder flächige Mikrolinsenanordnung, lineare oder flächige Prismenanordnung, usw.) konstant ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt nun eine Veränderung des Durchmessers der Einzelstrahlen, ohne daß sich dabei die Relation der optischen Achsen der Einzelstrahlen zueinander ändert und wobei der umschreibende Durchmesser um die Einzelstrahlen konstant bleibt.

Fällt nur ein paralleler Eintrittseinzelstrahl auf die Vorrichtung, so wird dieser in eine definierte Anzahl von zueinander parallelen Austrittsstrahlen zerlegt, wobei durch die Vorrichtung gezielt der Durchmesser der einzelnen Austrittsstrahlen verändert werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend in beispielhafter Weise anhand der Fig. 1-7 der Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere wesentliche Merkmale sowie dem besseren Verständnis dienende Erläuterungen und Ausgestaltungsmöglichkeiten des Erfindungsgedankens beschrieben sind.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vielstrahl-Zoomvorrichtung mit parallelen Eintrittsstrahlen und parallelen Ausgangsstrahlen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vielstrahl-Zoomvorrichtung mit parallelen Eintrittsstrahlen und fokussierten Austrittsstrahlen;

Fig. 3 ein durch die Vielstrahl-Zoomvorrichtung in den Fig. 1 oder 2 erzeugtes Bestrahlungsmuster auf der Oberfläche eines Werkstücks;

Fig. 4 eine weitere schematische Darstellung einer Vielstrahl-Zoomvorrichtung mit parallelen Eintrittsstrahlen und parallelen Austrittsstrahlen;

Fig. 5a-c ein durch die Vielstrahl-Zoomvorrichtung in den Fig. 1 oder 2 erzeugtes Bestrahlungsmuster auf der Oberfläche eines Werkstücks;

Fig. 6a eine Ausführungsform der erfinderischen Vorrichtung in Sichtrichtung auf die Linsen;

Fig. 6b die Vorrichtung aus Fig. 5 in seitlicher Ansicht; und

Fig. 7 eine Vorrichtung zur Erläuterung des allgemeinen Zoom-Prinzips.

Die in der Fig. 1 dargestellte Zoomvorrichtung besteht aus einer Vielzahl von 3-Linsen-Vorrichtungen (L&sub1;&sub1;, L&sub2;&sub1;, L&sub3;&sub1;; . . . ; L1N, L2N, L3N), welche jeweils ein Zoomsystem bilden. Die einzelnen Zoomsysteme der Zoomvorrichtung sind zumindest in einem linearen, vorzugsweise aber flächigen Array angeordnet. Jeweils zwei Linsen (L&sub2;&sub1;, L&sub3;&sub1;; . . ., L2N, L3N) der einzelnen 3-Linsen-Vorrichtungen sind in der optischen Achse des einfallenden Strahlenbündels (PS) in ihrer Lage zueinander und in ihrer Lage zur dritten Linse (L&sub1;&sub1;; L1N) beweglich.

Das einfallende Strahlenbündel (PS) kann ein Einzelstrahlenbündel (ES) oder ein Multistrahlenbündel (MS) sein. Unter einem Multistrahlenbündel (MS) soll nachfolgend ein Bündel von im allgemeinen identischen und voneinander separierten Einzelstrahlen verstanden werden, deren Hauptachsen zueinander parallel oder zumindest räumlich zueinander symmetrisch angeordnet sind.

Multistrahlenbündel (MS) können durch verschiedene Techniken erzeugt werden, von welchen hier nur zwei erwähnt seien:

  • 1) durch eine dichte Packung von einzelnen Strahlenquellen, welche linear oder flächig angeordnet sind, wobei die Strahlenquellen z. B. aus Laserdioden bestehen;
  • 2) durch Zerlegung eines kompakten großen Einzelstrahls in viele kleine Strahlen durch eine Vorrichtung, welche aus z. B. zwei (Mikro-)Linsengittern besteht; usw.


Wünscht man sich einen variablen Strahldurchmesser der Einzelstrahlen, so ist dies prinzipiell zwar dadurch erreichbar, daß man das gesamte Multistrahlenbündel (MS) durch ein optisches Zoomsystem nach dem Stand der Technik schickt. Dieser Vorgehen weist aber den grundsätzlichen Nachteil auf, daß sich der (äußere) Durchmesser des Multistrahlenbündel (MS) proportional zur Änderung aller Einzelstrahlen mitverändert. Das heißt, die optische Achse der Einzelstrahlen liegt in einem definierten Abstand von der Zoomvorrichtung nicht fest sondern wandert. Eine weitere "Verarbeitung" des Multistrahlenbündel (MS) z. B. auf einem flächig angeordneten Scanspiegelfeld ist somit wenn überhaupt nur begrenzt möglich, da sich das Scanspiegelfeld eigentlich geometrisch proportional mitverändern müßte.

Deshalb ist es wünschenswert, daß der Abstand paralleler Eintrittsstrahlen beim Durchlaufen der Zoomvorrichtung konstant bleibt und nicht wie nach dem Stand der Technik hinter der Zoomvorrichtung die Abstände der Eintrittsstrahlen sich proportional zur Durchmesseränderung der Einzelstrahlen mitändern.

Das einfallende Strahlenbündel (PS) wird durch die flächig angeordneten Linsen (L&sub1;&sub1;, . . ., L1N) im ersten Linsenarray in einzelne diskrete Strahlenbündel (ST&sub1;&sub1;, . . ., ST1N) aufgeteilt und fokussiert. Im Fokus befindet sich in diesem konkreten Beispiel eine Blende (B), welche zu den ersten Linsen (L&sub1;&sub1;, . . ., L1N) der Zoomvorrichtung im Strahlengang immer den selben Abstand behält. Diese Blende (B) sorgt für eine scharf umrandete Abbildung der einzelnen diskreten Strahlenbündel (ST&sub1;&sub1;, . . ., ST1N) auf einer Werkstückoberfläche. Generell ist die Blende (B) in der Zoomvorrichtung nicht zwingend erforderlich.

Nach dem Durchtritt der diskreten einzelnen Strahlenbündel (ST&sub1;&sub1;, . . ., ST1N) durch die Blende (B) werden diese durch die zweiten Linsen (L&sub2;&sub1;, . . ., L2N) der Zoomvorrichtung jeweils einzeln und unabhängig von den anderen Strahlenbündel (ST&sub1;&sub1;, . . ., ST1N) im Strahlengang gebeugt und fokussiert. Vor dem Fokus der Strahlenbündel (ST&sub2;&sub1;, . . ., ST2N) befinden sich nun die dritten Linsen (L&sub3;&sub1;, . . ., L3N) der Zoomvorrichtung im Strahlengang.

Die dritten Linsen (L&sub3;&sub1;, . . ., L3N) könnten im Prinzip auch nach dem Fokus der Strahlenbündel (ST&sub2;&sub1;, . . ., ST2N) angeordnet sein.

Die die Zoomvorrichtung verlassenden Strahlenbündel (ST&sub3;&sub1;, . . ., ST3N) sind zueinander zumindest im wesentlichen parallel und fallen in diesem konkreten Beispiel beispielhaft auf einen Ablenkspiegel (M), welcher für jedes zu reflektierende Strahlenbündel (ST&sub3;&sub1;, . . ., ST3N) einen zumindest in einer, vorzugsweise in zwei Achsen beweglichen Kippspiegel (M&sub1;, . . ., MN) aufweist.

Jeder dieser Kippspiegel (M&sub1;, . . ., MN) kann das auf ihn fallende Strahlenbündel (ST&sub3;&sub1;, . . ., ST3N) auf einen bestimmten Teil einer Werkstückoberfläche ablenken, welcher bearbeitet (belichtet oder abgetragen) werden soll. Im Strahlengang zwischen Kippspiegel (M&sub1;, . . ., MN) und Werkstückoberfläche können noch weitere optische Elemente angeordnet sein. Diese sind aus Übersichtlichkeitsgründen in dieser Figur nicht dargestellt.

Wie die beiden Linsenpaare (L&sub2;&sub1;, L&sub3;&sub1;, . . ., L2N, L3N) zueinander verstellt werden müssen, damit die Strahlenbündel (ST&sub3;&sub1;, . . ., ST3N) beim Austritt einen zueinander parallelen Verlauf haben, ist Stand der Technik und kann insbesondere in dem Buch "Bauelemente der Optik" von H. Naumann und G. Schröder, 4. Auflage des Carl Hansen Verlags München, Wien nachgelesen werden. Dort kann man auch entnehmen, daß die ersten beiden Linsen (L&sub1;&sub1;, . . ., L1N; L&sub2;&sub1;, . . ., L2N) der Zoomvorrichtung normalerweise Positivlinsen sind, während die dritte Linse (L&sub3;&sub1;, . . ., L3N) dann eine Negativlinse sein muß.

Wenn die Linsen (L&sub2;&sub1;, . . ., L2N bzw. L&sub3;&sub1;, . . ., L3N) eines Linsenarrays alle gleichzeitig bewegt werden, kann man den Strahldurchmesser der einzelnen Strahlenbündel (ST&sub3;&sub1;, . . ., ST3N) alle gleichzeitig verändern.

Man kann aber auch für jede einzelne Linse (L&sub2;&sub1;, . . ., L2N bzw. L&sub3;&sub1;, . . ., L3N) eine diskrete Verstellvorrichtung schaffen, so daß letztendlich die resultierenden, auf die Werkstückoberfläche fallenden Strahlenbündel (ST&sub3;&sub1;, . . ., ST3N) alle einen unterschiedlichen Durchmesser besitzen können. Eine derartige Vorrichtung wird noch in den Fig. 6a und 6b beschrieben, eine Zoomvorrichtung mit drei verschiedenen Zoombereichen wird zur Fig. 4 erläutert.

In der Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 1 im wesentlichen nochmals dargestellt, wobei hier auf die Vorrichtung viele diskrete einzelne, parallele Strahlenbündel (ST&sub0;&sub1;, . . ., ST0N) fallen.

Die parallele Strahlenbündel (ST&sub0;&sub1;, . . ., ST0N) fallen beim Eintritt in die Zoomvorrichtung auf die Linsen (L&sub1;&sub1;, . . ., L1N) im ersten Linsenarray. Diese Strahlenbündel (ST&sub0;&sub1;, . . ., ST0N) werden durch die Linsen (L&sub1;&sub1;, . . ., L1N) fokussiert, wobei sich im Fokus eine Blende (B) befindet. Nach dem Durchgang durch die Blende (B) werden die Strahlenbündel (ST&sub1;&sub1;, . . ., ST1N) durch die Linsen (L&sub2;&sub1;, . . ., L2N) im zweiten Linsenarray gebeugt und fokussiert. Vor dem Fokus sind die Linsen (L&sub3;&sub1;, . . ., L3N) des dritten Linsenarrays angeordnet, welche aus den auf sie einfallenden Strahlenbündel (ST&sub2;&sub1;, . . ., ST2N) zueinander parallele Strahlenbündel machen.

Diese zueinander parallelen Strahlenbündel (ST&sub3;&sub1;, . . ., ST3N) fallen nun auf eine zusätzlich angebrachte große vierte Linse (L&sub4;), welche die aus ihr heraustretenden Strahlenbündel (ST&sub4;&sub1;, . . ., ST4N) alle gemeinsam fokussiert.

Im Fokus der großen Linse (L&sub4;) ist eine weitere Blende (BL) angeordnet. Nach dem Durchtritt durch diese Blende (BL) fallen die diskreten Strahlenbündel (ST&sub4;&sub1;, . . ., ST4N) auf einen Ablenkspiegel (M), welcher nun aber nicht mehr eine plane Form besitzen sollte. Dieser Ablenkspiegel (M) besteht wie in Fig. 1 aus einer Vielzahl von Kippspiegeln (M&sub1;&sub1; . . ., MN), wobei die einzelnen Kippspiegel (M&sub1;, . . ., MN) zumindest in einer Achse kippbar sind.

Jedes von der Zoomeinrichtung kommende Strahlenbündel (ST&sub4;&sub1;, . . ., ST4N) fällt auf einem dem Strahlenbündel (ST&sub4;&sub1;, . . ., ST4N) diskret zugeordneten Kippspiegel (M&sub1;, . . ., MN), so daß jedes Strahlenbündel (ST&sub4;&sub1;, . . ., ST4N) diskret auf einer Werkstückoberfläche kontinuierlich oder aber in einzelnen Schritten bewegt werden kann.

In Fig. 3 ist eine durch die Strahlenbündel (ST&sub3;&sub1;, . . ., ST3N) zu bearbeitende Werkstückoberfläche (10) dargestellt. Jedes Strahlenbündel (ST&sub3;&sub1;, . . ., ST3N) kann dabei im wesentlichen in dem ihm zugeordneten Bereich (W&sub1;&sub3;, . . ., WN3) bewegt werden, wobei sich die benachbarten Bereiche (W&sub1;&sub3;, . . ., WN3) an allen Stellen zumindest um einen sehr kleinen Betrag überlappen. Der insgesamt durch den Gesamtbereich (W&sub1;&sub3;, . . ., WN3) abgedeckte Bereich auf der Werkstückoberfläche (10) ist so ausgebildet, daß bei einer Bewegung des Werkstücks in einer horizontalen Ebene (Bestrahlung aus vertikaler Richtung) ein bzw. mehrere weitere Gesamtbereiche lückenlos aneinandergelegt werden können und so eine theoretisch unendlich große Werkstückoberfläche (10) bestrahlt werden kann.

In Fig. 4 ist nun eine Zoomvorrichtung dargestellt, mit welcher drei gleiche oder verschiedene Zoombereiche erzeugt werden können.

Hierbei erfolgt aus übersichtlichkeitsgründen eine Beschränkung auf je zwei Zoomsysteme pro Gruppe. Selbstverständlich können sehr viel mehr Zoomsysteme einer Gruppe angehören und diese Zoomsysteme können selbstverständlich zweidimensional angeordnet sein.

Die verschiedenen Zoomsysteme sind in diesem Beispiel in drei Gruppen (Zoom1, Zoom2, Zoom3) aufgeteilt, wobei die zweiten und dritten Linsen (Z&sub2;&sub1;, . . ., Z2N; Z&sub3;&sub1;, . . ., Z3N) einer Gruppe (Zoom1, Zoom2, Zoom3) alle gleichzeitig bewegt werden. Dagegen behalten die Eintrittslinsen (Z&sub1;&sub1;, . . ., Z1N) und die Blenden (B&sub1;, . . ., BN) bei jeder Zoomstellung ihre Position bei.

Die auf die Zoomvorrichtung fallenden parallelen Strahlenbündel (S01ZOOM1, . . ., S0NZOOM3) werden auch hier durch die ersten Linsen (Z&sub1;&sub1;, . . ., Z1N) fokussiert, die Strahlenbündel (S&sub1;&sub1;, . . ., SN1) durchlaufen eine Blende (B&sub1;, . . ., BN) und werden durch die zweiten Linsen (Z&sub2;&sub1;, . . ., Z2N) gebeugt. Vor dem Fokus der gebeugten Strahlenbündel (S&sub1;&sub1;, . . ., SN1) befinden sich die dritten Linsen (Z&sub3;&sub1;, . . ., Z3N), welche aus den diskreten Strahlenbündeln (S&sub1;&sub2;, . . ., SN2) wieder parallele Strahlenbündel (S&sub3;&sub1;, . . ., S3N) machen, welche dieselbe optische Achse aufweisen wie die auf die Zoomvorrichtung einfallenden Strahlenbündel (S01ZOOM1, . . ., S0NZOOM3).

Die von den durch die Linsen (Z&sub1;&sub1;, . . ., Z1N; Z&sub2;&sub1;, . . ., Z2N; Z&sub3;&sub1;, . . ., Z3N) geformten diskreten Strahlenbündel (S&sub3;&sub1;, . . . , S3N) jeweils bestrahlbare Werkstückoberfläche ist in den Fig. 5a bis 5c exemplarisch dargestellt und zwar für jede Gruppe von Zoomsystemen (Zoom1, Zoom2, Zoom3) der Zoomvorrichtung in einer Figur. Die Strahlenbündel (S&sub3;&sub1;, . . ., S3N) bestrahlen dabei nicht die gesamte Fläche eines Sechsecks gleichzeitig aus. Die Sechsecke geben lediglich den Bewegungsraum eines Strahlenbündels (S&sub3;&sub1;, . . ., S3N) an, wobei ein kleiner, in den Figuren nicht dargestellter Überlappungsbereich noch hinzugedacht werden muß.

Auf die Zoomvorrichtung in Fig. 4 kann entweder ein großes Strahlenbündel oder eine Vielzahl von kleinen Strahlenbündeln (S01ZOOM1, . . ., S0NZOOM3) einfallen. Die Zoomeinrichtung kann so als Strahlenteiler eingesetzt werden.

Der auf das erste Zoomsystem (Zoom1) einfallende Teil des großen Strahlenbündels bzw. die jeweiligen diskreten Strahlenbündel (S01ZOOM1, . . ., S0NZOOM1) wird durch die drei Linsen (Z&sub1;&sub1;, . . ., Z1N; Z&sub2;&sub1;, . . ., Z2N; Z&sub3;&sub1;, . . ., Z3N) des ersten Zoomsystems (Zoom1) in seinem Durchmesser dem gewünschten Durchmesser angepaßt und die auf die Zoomvorrichtung auffallenden einzelnen diskreten Strahlenbüschel (S01ZOOM1, . . ., S0NZOOM1) (bzw. die erzeugten Teilstrahlen das großen Strahlenbündels) verlassen als parallele Strahlenbündel (S&sub3;&sub1;, . . ., S3N) die Zoomvorrichtung.

Entsprechend wird der auf das zweite Zoomsystem (Zoom2) einfallende Teil des großen Strahlenbündels bzw. die jeweiligen diskreten Strahlenbündel (S01ZOOM2, . . ., S0NZOOM2) wird durch die drei Linsen (Z&sub1;&sub2;, . . ., Z1N; Z&sub2;&sub2;, . . ., Z2N; Z&sub3;&sub2;, . . . , Z3N) des zweiten Zoomsystems (Zoom2) in seinem Durchmesser dem gewünschten Durchmesser angepaßt und die auf die Zoomvorrichtung auffallenden einzelnen diskreten Strahlenbüschel (S01ZOOM2, . . ., S0NZOOM2) (bzw. die erzeugten Teilstrahlen das großen Strahlenbündels) verlassen als parallele Strahlenbündel (S&sub3;&sub2;, . . ., S3N) die Zoomvorrichtung.

Auch der auf das dritte Zoomsystem (Zoom3) einfallende Teil des großen Strahlenbündels bzw. die jeweiligen diskreten Strahlenbündel (S01ZOOM3, . . ., S0NZOOM3) wird durch die drei Linsen (Z&sub1;&sub3;, . . ., Z1N; Z&sub2;&sub3;, . . ., Z2N; Z&sub3;&sub3;, . . ., Z3N) des ersten Zoomsystems (Zoom3) in seinem Durchmesser dem gewünschten Durchmesser angepaßt und die auf die Zoomvorrichtung auffallenden einzelnen diskreten Strahlenbüschel (S01ZOOM3, . . ., S0NZOOM3) (bzw. die erzeugten Teilstrahlen das großen Strahlenbündels) verlassen als parallele Strahlenbündel (S&sub3;&sub3;, . . ., S3N) die Zoomvorrichtung.

Die jeweiligen Bestrahlungsbereiche der einzelnen Teilstrahlenbüschel (S&sub3;&sub1;, . . ., S3N) einer Gruppe (siehe hierzu die Fig. 5a bis 5c) auf der Werkstückoberfläche sollten sich dabei so überlagern, daß kein nicht zu bestrahlender Raum zwischen den Teilstrahlenbüscheln (S&sub3;&sub1;, . . ., S3N) einer Gruppe von Zoomsystemen auftritt.

In den Fig. 6a und 6b ist nun an einer beispielhaften Vorrichtung dargestellt, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen realisiert werden kann.

Um die einzelnen Linsen (z. B. LA2, LA3) einer der Zoomsysteme der Zoomvorrichtung zu verstellen, ist jede der Linsen (LA2, LA3) jeweils an einem Zugseil (ZA2, ZA3) befestigt. Die zu verstellenden Linsen (LA2, LA3) werden durch Zwischenträger (LT&sub1;&sub1;, LT&sub1;&sub2;, LT&sub2;&sub1;, LT&sub2;&sub2;) geführt, wobei diese Führung möglichst reibungsfrei und leicht sein muß.

Das Zugseil (ZA&sub2;, ZA&sub3;) wird über Umlenkrollen (UA21, UA22; UA31, UA32) zu beiden Seiten zu jeweils einer Aufwicklungseinrichtung (AA21, AA22; AA31, AA32) geführt, welche ihrerseits mit einem Motor (MA21, MA22; MA31, MA32) verbunden ist. Zwischen einem Motor (MA21, MA22; MA31, MA32) und einer Aufwicklungseinrichtung (AA21, AA22; AA31, AA32) befindet sich jeweils eine Rutschkupplung (in der Figur nicht dargestellt, aus dem Stand der Technik bekannt), so daß beim Betrieb des einen Motors (MA21, MA31) der andere Motor (MA22, MA32) keine zu große zurückhaltende Kraft ausübt.

Will man nun z. B. den Durchmesser eines auf die Linse (LA2) in der Fig. 6b fallenden Strahlenbündels verändern, so bewegt man mit einem Motor (MA21) die an ihm angebrachte Aufwicklungseinrichtung (AA21). Dadurch wird die Linse (LA2) durch das an dieser Linse (LA2) angebrachte Zugseil (ZA&sub2;) in eine Richtung parallel zur optischen Achse verschoben. Dabei zieht der Motor (MA21) an dem einen Ende des Zugseils (ZA&sub2;). Das Zugseil (ZA&sub2;) wird dabei auf der Aufwicklungseinrichtung (AA21) an dem Motor (MA21) aufgewickelt. Da der an dem anderen Ende befindliche Motor (MA22) eine Rutschkupplung besitzt, kann sich bei ihm das Zugseil (ZA&sub2;) von der an dem Motor (MA22) angebrachten Aufwicklungseinrichtung (AA22) abwickeln. Gleichzeitig bewegt der Motor (MA31) die zweite bewegliche Linse (LA3) des Zoomsystems mit dem an dieser Linse (LA3) angebrachten Zugseil (ZA&sub3;) um den erforderlichen Betrag in der optischen Achse. Dabei zieht der Motor (MA31) an dem einen Ende des Zugseils (ZA&sub3;). Das Zugseil (ZA&sub3;) wird dabei auf der Aufwicklungseinrichtung (AA31) an dem Motor (MA31) aufgewickelt. Da der an dem anderen Ende befindliche Motor (MA32) eine Rutschkupplung besitzt, kann sich bei ihm das Zugseil (ZA&sub3;) von der an dem Motor (MA32) angebrachten Aufwicklungseinrichtung (AA32) abwickeln.

Da die beiden Motoren (z. B. MA21, MA22) einer zu bewegenden Linse (LA2) nur schwer in der Zoomvorrichtung an den jeweiligen Linsen (LA2) angebracht werden können, werden die jeweiligen Zugseile (ZA&sub2;) durch Umlenkrollen (UA21, UA22) geführt. Dies erlaubt eine Anbringung der Motoren (MA21, MA22) seitlich des flächigen Linsenarrays.

Anstelle von zwei Motoren (z. B. MA21, MA22) pro Linse (LA2) kann man den zweiten Motor (MA22) auch durch eine Federeinrichtung (in den Figuren nicht dargestellt) ersetzen, welche eine genügend große Federkraft zur Zurückholung der jeweiligen Linse (LA2) in eine definierte Ausgangsstellung besitzt.

Aber auch andere Realisierungsvarianten sind mit dem Stand der Technik möglich (z. B. Verwendung von sehr kleinen Miniaturmotoren an den Linsen, welche ein Zahnrad antreiben und so die Linse bewegen) und werden hier aufgrund ihrer leichten Herleitbarkeit nicht explizit ausgeführt. Wesentlich ist lediglich, daß man für jede der beiden zu bewegenden Linsen des 3-linsigen Linsensystems eines Zoomsystems eine Bewegungseinrichtung benötigt, welche ein Verschieben der Linse in der jeweiligen optischen Achse in beiden Richtungen ermöglicht.

In Fig. 7 ist das 3-linsige Linsensystem nochmal vergrößert dargestellt, um die Erzeugung der Veränderung des Strahlenquerschnitts eines Einzelstrahls genauer zu erläutern.

Der Eintrittsstrahl (ES) wird durch die erste Linse (101) des Linsensystems fokussiert. Im Fokus f&sub1; der ersten Linse (101) ist eine Blende (M) angeordnet. Wenn sich die zweite Linse (102) in der Grundstellung P2 befindet, befindet sich die dritte Linse (103) in der Position P3. Der Austrittsstrahl (AS) hat dann den Durchmesser d/AS.

Will man diesen Durchmesser d/AS verkleinern, so kann man die zweite Linse (102) in die Position P2&min; und die dritte Linse (103) in die Position P3&min; verschieben. Der resultierende Durchmesser d/AS, des Austrittsstrahls (AS) wird dann kleiner.

Will man diesen Durchmesser d/AS vergrößern, so kann man die zweite Linse (102) in die Position P2&min;&min; und die dritte Linse (103) in die Position P3&min;&min; verschieben. Der resultierende Durchmesser d/AS&min;&min; des Austrittsstrahls (AS) wird dann größer.

In der Fig. 7 sind auch die Foki (f&sub1;, f&sub2;, f&sub2;&min;, f&sub2;&min;&min;, f&sub3;, f&sub3;&min;, f&sub3;&min;&min;) der einzelnen Linsen (101, 102, 103) je nach ihrer Stellung (P1, P2, P2&min;, P2&min;&min;, P3, P3&min;, P3&min;&min;) eingezeichnet. Die Verschiebung der beiden beweglichen Linsen (102, 103) erfolgt auf der optischen Achse (104). Wie man unschwer erkennt, wird aus einem parallelen Eintrittsstrahl (ES) ein paralleler Austrittsstrahl (AS) erzeugt, wobei die optische Achse (104) des Strahls erhalten bleibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere bei monochromatischen und dichromatischen Strahlen sehr gut eingesetzt werden, da insbesondere bei dichromatischen Strahlen die Farbfehler durch Beschichtung der Linsen nach dem Stand der Technik leicht korrigiert werden können. Die Linsen können sphärisch oder asphärisch sein, wobei man mit asphärischen Linsen weitere Abbildungsfehler korrigieren kann.

Als Zoomsystem für die Veränderung des Strahldurchmessers kann jedes aus dem Stand der Technik bekannte Zoomsystem verwendet werden, welche sich linear oder flächig zu einem Array anordnen läßt, ohne das die Strahlengänge der einzelnen Strahlen gestört werden. Das heißt, die Erfindung ist nicht auf das hier dargestellte Beispiel mit drei Linsen beschränkt und es können alle Zoomsysteme verwendet werden, bei welchen ein paralleler Eintrittsstrahl die Einrichtung als paralleler Austrittsstrahl verläßt, wobei Eintrittsstrahl und Austrittsstrahl unterschiedliche Strahlquerschnitte aufweisen.

Die Zoomvorrichtung kann aus nur zwei oder aber mehreren hundert oder gar tausend Zoomsystemen bestehen, je nach der gewünschten Auslegung der Einrichtung, in welcher die Zoomvorrichtung eingesetzt werden soll.


Anspruch[de]
  1. 1. Zoomvorrichtung, welche aus mehreren Linsen aufgebaut ist, bei welcher zumindest ein paralleler Eintrittsstrahl in seinem Durchmesser verändert werden kann und der Austrittsstrahl dieselbe optische Achse hat wie der Eintrittsstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Zoomvorrichtung aus mehreren Zoomsystemen aufgebaut ist und daß die optischen Achsen der Linsen der verschiedenen Zoomsysteme zueinander parallel oder zumindest räumlich fest angeordnet sind, so daß bei einem Strahlenbündel aus vielen Einzelstrahlen der umschriebene Durchmesser durch die Achsen der äußeren Einzelstrahlen konstant bleibt.
  2. 2. Zoomvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zoomsystem zumindest einen eigenen Lichteintrittslinsenteil aufweist.
  3. 3. Zoomvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zoomsystem aus einer Lichteintrittslinse, einer mittleren Linse und einer Lichtaustrittslinse aufgebaut ist, wobei die beiden ersten Linsen jeweils eine Positivlinse und die letzte Linse eine Negativlinse ist.
  4. 4. Zoomvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichteintrittslinse und der mittleren Linse eine Blende angeordnet ist.
  5. 5. Zoomvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittslinsen in einer Ebene flächig oder linear angeordnet sind.
  6. 6. Zoomvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrittsstrahlenbündel parallel zur optischen Achse des oder der Lichteintrittsstrahlenbündel orientiert sind.
  7. 7. Zoomvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Zoomvorrichtung mindestens eine Positivlinse bzw. ein Positivlinsenteil angeordnet ist.
  8. 8. Zoomvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Linse und die Lichtaustrittslinse mehrerer oder aller Linsenpaare einzeln oder in Gruppen verstellbar sind.
  9. 9. Zoomvorrichtung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Linsenrand zumindest der Lichteintrittslinsen sechseckig ist.
  10. 10. Zoomvorrichtung nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Lichteintrittslinsen in einem Array angeordnet sind.
  11. 11. Zoomvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Array so gestaltet ist, daß ein weiteres, gleiches Array an allen Seiten angefügt werden kann.
  12. 12. Zoomvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Array aus Sechseckmustern aufgebaut ist.






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