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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Beleuchten eines Werkstücks mit einem Interferenzmuster, umfassend ein zwei senkrecht zu seiner optischen Achse ausgerichtete und beabstandet voneinander angeordnete Beugungsgitter, nämlich ein eingangsseitiges und ein ausgangsseitiges Beugungsgitter, aufweisendes Zwei-Gitter-Interferometer zum Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden, einander in einer Interferenzmusterebene interferierend überlagernden Beugungsstrahlen durch Beugen eines Eingangsstrahls in am eingangsseitigen Beugungsgitter und erneutes Beugen resultierender Beugungsstrahlen am ausgangsseitigen Beugungsgitter,
wobei an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen gleichartige, um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen synchronisiert spiegelsymmetrisch verkippbare Strahlmodifikationselemente angeordnet sind.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks mittels eines Zwei-Gitter-Interferometers mit einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Beugungsgitter, umfassend die Schritte:
- - Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden Beugungsstrahlen durch Beugen eines gepulsten Eingangsstrahls am eingangsseitigen Beugungsgitter und
- - Erzeugen eines Interferenzmusters in einer Bearbeitungsebene des Werkstücks durch Überlagern der Beugungsstrahlen mittels ihres erneuten Beugens am ausgangsseitigen Beugungsgitter,
wobei der Eingangsstrahl in mit seinem Pulstakt synchronisierter Weise verschwenkt wird, um unterschiedliche Bereiche der Bearbeitungsebene mit dem Interferenzmuster zu beleuchten,
und wobei an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen gleichartige Strahlmodifikationselemente um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen in mit den Eingangsstrahl-Pulsen synchronisierter Weise spiegelsymmetrisch verkippt werden.
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Die Erfindung bezieht sich schließlich auf ein Verfahren zum Vermessen einer Werkstückoberfläche mittels eines Zwei-Gitter-Interferometers mit einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Beugungsgitter, umfassend die Schritte:
- - Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden, zunächst auseinander und sodann wieder auf einen gemeinsamen geometrischen Schnittpunkt zulaufenden Beugungsstrahlen durch Beugen eines Eingangsstrahls am eingangsseitigen Beugungsgitter und erneutes Beugen resultierender Beugungsstrahlen am ausgangsseitigen Beugungsgitter,
- - Ermitteln des senkrechten Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen, wobei das Ermitteln besagten senkrechten Abstandes ein Variieren desselben umfasst,
- - Berechnen eines lokalen Oberflächenhöhenwertes aus dem ermittelten senkrechten Abstand,
wobei der Eingangsstrahl über die Werkstückoberfläche verschwenkt wird, um unter wiederholter Durchführung der vorgenannten Schritte für eine Mehrzahl von Punkten der Werkstückoberfläche die zugeordneten lokalen Oberflächenhöhenwerte zu erhalten.
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Stand der Technik
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Eine gattungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung sowie ein gattungsgemäßes Werkstückmodifikationsverfahren sind bekannt aus der
US 6 904 201 B1 .
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Aus der
DE 10 2006 032 053 A1 ist ein sogenanntes Zwei-Gitter-Interferometer zur Beleuchtung eines Werkstücks mit einem Interferenzmuster und - bei geeigneter Einstellung der Fluenz des Interferenzmusters - zur entsprechenden Modifikation des Werkstücks, insbesondere seiner Oberfläche, bekannt. Ein Zwei-Gitter-Interferometer besteht im Wesentlichen aus zwei parallelen, zueinander beabstandeten Beugungsgittern, deren gleich ausgerichtete Gitterlinien zueinander in einem dem Fachmann bekannten, in der vorgenannten Druckschrift allgemein beschriebenen Periodenverhältnis zueinander stehen. Ein auf das eingangsseitige Beugungsgitter auftreffender Eingangsstrahl wird in Teilstrahlen unterschiedlicher Beugungsordnungen, jeweils mit positivem und negativem Vorzeichen, gebeugt. Die beiden Teilstrahlen unterschiedlichen Vorzeichens einer ausgewählten Beugungsordnung laufen entlang auseinander laufender Strahlengänge innerhalb einer gemeinsamen, hier als Beugungsebene bezeichneten Ebene auseinander. So treffen sie auf das zweite Beugungsgitter, wo sie erneut eine Beugung in Teilstrahlen unterschiedlicher Beugungsordnung, jeweils wieder mit positivem und negativem Vorzeichen, erfahren. Insbesondere entstehen entlang aufeinander zu laufender Strahlengänge in der Beugungsebene verlaufende Teilstrahlen, die sich in einem Abstand hinter dem ausgangseitigen Beugungsgitter, der dem Abstand zwischen den Beugungsgittern entspricht, miteinander interferierend überlagern. In einem von der Strahlweite abhängigen Bereich dieser hier als Interferenzmusterebene bezeichneten Ebene entsteht so ein Interferenzmuster mit einer periodischen Verteilung von Intensitätsmaxima und -minima. Ein in dieser Interferenzmusterebene liegendes Werkstück wird entsprechend beleuchtet. Liegt dabei die Fluenz des Interferenzmusters in den Bereichen seiner Intensitätsmaxima oberhalb einer Materialmodifikationsschwelle des Werkstückmaterials und liegt weiter die Fluenz des Interferenzmusters in den Bereichen seiner Intensitätsminima unterhalb besagter Materialmodifikationsschwelle erfolgt eine entsprechend gemusterte Modifikation des Werkstücks in der Interferenzmusterebene, die in diesem Zusammenhang dann als Bearbeitungsebene bezeichnet werden kann. Die erzielte Materialmodifikation kann bspw. in einer Ablation bestehen. In diesem Fall wird typischerweise die Werkstückoberfläche in die Interferenzmuster- bzw. Bearbeitungsebene gelegt. Bei transparenten Materialien ist es jedoch auch möglich, einen tieferen Bereich des Werkstücks mit endlichem Abstand von der Werkstückoberfläche in die Interferenzmuster- bzw. Bearbeitungsebene zu legen. In diesen Fällen ist die Modifikation häufig mit einer Brechungsindexänderung des Materials, bspw. durch eine strahleninduzierte chemische Reaktion, verbunden.
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Ein solcher Fall ist in der eingangs erwähnten, gattungsbildenden Druckschrift beschrieben. Hier handelt es sich bei dem zu modifizierenden Werkstück um einen Lichtleiter, in dessen Kernbereich ein sogenanntes Bragg-Gitter eingeschrieben werden soll. Um ohne Wechsel der Beugungsgitter Bragg-Gitter unterschiedlicher Periodizität oder ein Bragg-Gitter mit variierender Periodizität einschreiben zu können, schlägt die genannte Druckschrift vor, hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter ein spiegelsymmetrisches Paar von transparenten Prismen einzusetzen, die jeweils um eine Kippachse, die senkrecht zur Beugungsebene steht, kippbar sind. Durch den Einfluss dieser Prismen verändert sich die Periodizität des in der Interferenzmusterebene erzeugten Interferenzmusters in Abhängigkeit vom konkret gewählten Kippwinkel der Prismen. Um einen längeren Faserabschnitt mit einem Bragg-Gitter zu versehen, kann der Eingangsstrahl entsprechend der Faserausrichtung verschwenkt werden. Eine Besonderheit des Zwei-Gitter-Interferometers ist es nämlich, dass die Musterausbildung und die Lage der Interferenzmusterebene unabhängig vom Einfallswinkel des Eingangsstrahls sind. Mittels einer mit der Verschwenkung des Eingangsstrahls und seinem Pulstakt synchronisierten Verkippung der Prismen lässt sich also ein längerer Faserabschnitt mit einem Bragg-Gitter mit über seine Länge variierender Periodizität versehen.
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Eine mit der gattungsgemäßen Vorrichtung nicht lösbare Schwierigkeit besteht dann, wenn - unabhängig von der Frage einer variierenden Periodizität des Interferenzmusters - kein im Wesentlichen eindimensionales Werkstück, wie besagter Lichtleiter, sondern eine ausgedehnte Werkstückoberfläche mit dem Interferenzmuster versehen werden soll. Bei einer perfekt ebenen Gestaltung der Werkstückoberfläche und ihrer Ausrichtung exakt senkrecht zur optischen Achse des Zwei-Gitter-Interferometers kann die Musterung des großen Flächenbereiches durch entsprechende, zweidimensionale Verschwenkung des Eingangsstrahls erzielt werden. Ist jedoch die Oberfläche gekrümmt und/oder die Einspannung nicht perfekt senkrecht zur optischen Achse, wird das Interferenzmuster in unterschiedlichen Flächenbereichen oberhalb, unterhalb oder (wie optimaler Weise vorgesehen) exakt auf der Werkstückoberfläche abgebildet. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Schärfe des in die Werkstückoberfläche eingeschriebenen Musters. Bei bekannter Oberflächenform und/oder bekannter Fehljustage lässt sich das Problem theoretisch durch entsprechende Nachführung des Werkstücks parallel zur optischen Achse lösen. Die Genauigkeit dieser Nachführung müsste jedoch typischerweise im Bereich von 10 - 20 µm liegen, was insbesondere im Hinblick auf die erforderlichen Geschwindigkeiten und zu bewegenden Gewichte in der Praxis kaum realisierbar ist.
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Eine vergleichbare Problematik stellt sich auch bei der dem Fachmann grundsätzlich bekannten Nutzung des Zwei-Gitter-Interferometers zum Vermessen einer gekrümmten oder nicht ideal eben eingespannten Werkstückoberfläche. Es ist bekannt, hierzu die Werkstückoberfläche wie oben beschrieben zu beleuchten, wobei jedoch die Lage der Interferenzmusterebene, d.h. derjenigen Ebene, in der sich der geometrische Schnittpunkt der sich überlagernden Beugungsstrahlen liegt, relativ zur Werkstückoberfläche zunächst unbekannt ist. Mit einem Bilddetektor werden sodann die von der Werkstückoberfläche entlang vertauschter Strahlengänge durch das zweite und das erste Beugungsgitter hindurch rückreflektierten Beugungsstrahlen abgebildet, wobei die Optik des Bilddetektors so eingestellt ist, dass die Werkstückoberfläche in ihrem Tiefenschärfenbereich liegt. Das aufgenommene Bild zeigt dann zwei scharf abgebildete Punkte, nämlich die beiden Auftreffpunkte der Beugungsstrahlen auf der Werkstückoberfläche, deren lateraler Abstand direkt abhängig ist vom Absolutwert des Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen. Letzterer kann oberhalb oder unterhalb der Werkstückoberfläche liegen (wobei es insbesondere im zweiten Fall und bei intransparentem Werkstückmaterial möglich ist, dass er gar nicht als realer Strahlenschnittpunkt realisiert ist). Variation des senkrechten Abstandes durch mechanisches Anheben bzw. Absenken des Werkstücks führt zu einer Variation des lateralen Abstandes der abgebildeten Punkte. Bei geringem senkrechten Abstand verschmelzen die abgebildeten Punkte zu einem einzigen. Es ist allerdings sehr schwer, die Form dieses einzigen abgebildeten Punktes so exakt zu bestimmen, dass sich daraus die exakte Überlagerung der Auftreffpunkte - entsprechend dem Zusammenfallen von geometrischem Schnittpunkt und Werkstückoberfläche - hinreichend genau bestimmen ließe. Man nimmt daher üblicherweise eine Einstellung des senkrechten Abstandes vor, bei der sich zwei separat abgebildete Punkte ergeben, deren Mitten präzise durch Intensitätsmessungen bestimmt werden können. Sodann wird der senkrechte Abstand durch bekannte, senkrechte, mechanische Verschiebung des Werkstücks variiert. Aus der resultierenden Lateralbewegung der abgebildeten Punkte werden in Kenntnis der Geometrie der Apparatur der Absolutwert (insbesondere aus dem lateralen Punktabstand) und das Vorzeichen (insbesondere aus der Bewegungsrichtung) des senkrechten Abstandes zwischen dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen und der Werkstückoberfläche berechnet. Ein wesentlicher Schwachpunkt dieses Ansatzes ist jedoch die mangelhafte Schnelligkeit der mechanischen Werkstückverstellung.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzubilden, dass auch gekrümmte und/oder schräg zur optischen Achse eingespannte Werkstücke präzise mit einem kontinuierlichen Interferenzmuster beschriftbar werden, bzw. ein entsprechendes Werkstück-Modifikationsverfahren sowie ein entsprechendes Werkstück-Vermessungsverfahren anzubieten.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Strahlmodifikationselemente als planparallele Platten ausgebildet sind.
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Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 5 dadurch gelöst, dass die Strahlmodifikationselemente als planparallele Platten ausgebildet sind, durch deren Verkippen ein vorgegebener Abstand zwischen dem jeweils beleuchteten Bereich der Bearbeitungsebene einerseits und der Werkstückoberfläche andererseits eingestellt wird. Insbesondere kann dieser Abstand „Null“ betragen. D. h. Bearbeitungsebene und Werkstückoberfläche fallen im beleuchteten Bereich zusammen.
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Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 11 dadurch gelöst, dass besagtes Variieren des senkrechten Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen erfolgt, indem an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen angeordnete, planparallele Platten spiegelsymmetrisch und synchronisiert um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen verkippt werden.
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Die planparallelen Platten, die in ihrer Grundstellung senkrecht zum jeweiligen Strahlengang, in den sie eingebracht sind, stehen, verursachen bei einer Verkippung aus dieser Grundstellung heraus einen Parallelversatz des jeweiligen Strahls. In der Beugungsebene verlaufen die Beugungsstrahlen rautenbartig, d. h. zwischen dem eingangsseitigen und dem ausgangsseitigen Beugungsgitter laufen sie auseinander und zwischen dem ausgangsseitigen Beugungsgitter und der Interferenzmusterebene wieder aufeinander zu. Die jeweiligen Beugungswinkel sind dabei durch die Eigenschaften des jeweiligen Beugungsgitters vorgegeben. Diese Winkel bleiben daher unabhängig von der Kippstellung der planparallelen Platten unverändert erhalten. Der durch die Verkippung erzeugte Parallelversatz der Strahlen im Bereich zwischen den Beugungsgittern und/oder hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter führt allerdings zu einem Wandern des Schnittpunktes der Beugungsstrahlen in Z-Richtung, d. h. in Richtung der optischen Achse des Zwei-Gitter-I nterferometers. Der Schnittpunkt der Strahlen definiert jedoch die Interferenzmusterebene, in der besagter Strahlen-Schnittpunkt liegt und die ihrerseits senkrecht zur optischen Achse des Interferometers steht. Im beleuchteten Bereich dieser Ebene bildet sich das Interferenzmuster aus.
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Im Rahmen eines Bearbeitungsverfahrens entspricht, wie oben bereits erläutert, die Interferenzmusterebene der Bearbeitungsebene des Werkstücks. Soll eine gekrümmte Fläche, z.B. die gekrümmte Werkstückoberfläche, großflächig bearbeitet werden, kann das beim Abrastern des Werkstücks auftretende „Auswandern“ der gewünschten Bearbeitungsebene aus der vom Interferometer vorgegebenen Interferenzmusterebene dadurch kompensiert werden, dass diese Interferenzmusterebene durch entsprechende Verkippung der planparallelen Platten und damit durch Änderung des Parallelversatzes der Beugungsstrahlen nachgeführt wird, sodass sie sich zumindest im jeweils beleuchteten Bereich exakt mit der gewünschten Bearbeitungsebene deckt. Da, wie oben erläutert, mit der Verkippung der planparallelen Platten lediglich ein Parallelversatz der Beugungsstrahlen und nicht etwa eine Änderung der Winkel im Strahlengang verbunden ist, führt eine solche Nachführung nicht zu einer Periodenänderung des Interferenzmusters. Vielmehr kann ein Werkstück entlang einer gekrümmten Bearbeitungsfläche, insbesondere entlang einer gekrümmten Oberfläche, mit einer kontinuierlichen Musterprojektion einheitlicher Periodizität belegt werden, wie dies nach dem Stand der Technik bislang lediglich bei exakt ebenen und exakt senkrecht zur optischen Achse ausgerichteten Werkstückoberflächen möglich war.
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Bevorzugt sind zwei erste der planparallelen Platten im Bereich zwischen den Beugungsgittern angeordnet. Diese Position ist besonders vorteilhaft, da so der Bereich hinter dem ausgangsseitigem Beugungsgitter, in dem das Werkstück angeordnet ist, frei von zusätzlichen Elementen bleibt, was allgemein die Handhabung der Vorrichtung erleichtert. Erzielbar ist der erfindungsgemäße Effekt jedoch auch mit hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter angeordneten ersten planparallelen Platten.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung, die insbesondere bei besonders kurz gepulsten Eingangsstrahlen vorteilhaft ist, ist vorgesehen, dass zwei zweite planparallele Platten zusätzlich im Bereich zwischen dem ausgangsseitigen Beugungsgitter und der Interferenzmusterebene bzw. der Bearbeitungsebene angeordnet sind. Bekanntermaßen sind ultrakurze Pulse durch ein breites Wellenlängenspektrum gekennzeichnet. Unterschiedliche Wellenlängen werden jedoch an den Beugungsgittern unterschiedlich stark gebeugt, treffen also unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die planparallelen Platten auf, was dort zu wellenlängenabhängigen Parallelversätzen führt. Da die erfindungsgemäße Z-Verschiebung der Interferenzmusterebe aber eine unmittelbare Folge dieses Parallelversatzes ist, führt diese Winkeldispersion zu einer unerwünschten Wellenlängenabhängigkeit der Lage der Interferenzmusterebene bzw. bei breitbandigem Licht zur Ausbildung eines nach Wellenlängen geordneten „Stapels“ von Interferenzmusterebenen. Dies kann jedoch durch die genannte Anordnung erster planparalleler Platten zwischen den Beugungsgittern und zweiter planparalleler Platten hinter dem ausgangsseitigem Beugungsgitter kompensiert werden. Die ersten und zweiten planparallelen Platten werden dabei vorzugsweise um denselben Winkel aus ihrer jeweiligen Grundstellung verkippt. Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung der ersten und zweiten planparallelen Platten zum jeweils vorgeschalteten Beugungsgitter erfahren diejenigen Strahlanteile, die an den ersten planparallelen Platten einen größeren Parallelversatz erfahren haben, an den zweiten planparallelen Platten einen kleineren Parallelversatz und umgekehrt. Die Parallelversatz-Dispersion wird somit kompensiert. Andererseits wird der erfindungsgemäße Effekt der Interferenzmusterebenen-Verschiebung durch die doppelte Anwendung des Parallelversatzes (nämlich sowohl an den ersten als auch an den zweiten planparallelen Platten) verstärkt.
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Unabhängig von dem erläuterten Dispersions-Vorteil hat diese Ausgestaltung der Erfindung auch den Vorteil, einen gewünschten Gesamt-Parallelversatz bzw. eine gewünschte Gesamtverschiebung der Interferenzmusterebene mit dünneren planparallelen Platten bzw. mit planparallelen Platten eines schwächer brechenden Materials zu erzeugen, was bei spezieller Wahl der verwendeten Strahlenquelle hilfreich sein kann.
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In besonderen Fällen, in denen nicht die Erzeugung eines Musters mit einheitlicher Periodizität gewünscht ist, sondern ausdrücklich eine Veränderung der Periodizität über den aus vielen einzelnen Beleuchtungsbereichen zusammengesetzten Bearbeitungsbereich, kann bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen gleichartige, um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen synchronisiert spiegelsymmetrisch verkippbare und als Prismen ausgebildete, zusätzliche Strahlmodifikationselemente angeordnet sind. Diese Art der gezielten Periodenanpassung ist, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert, aus der
US 6 904 201 B1 bekannt.
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Um bei der Bearbeitung eines Werkstücks eine präzise Z-Nachführung der Interferenzmuster- bzw. Bearbeitungsebene durchzuführen, bedarf es einer präzisen Kenntnis der Oberflächenform und -lage des Werkstücks, um auf dieser Basis die Verkippung der planparallelen Platten ansteuern zu können. Grundsätzlich kommt es auf die konkrete Quelle dieser Oberflächendaten nicht an. Allerdings lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung selbst zur Erfassung solcher Oberflächendaten nutzen.
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Das eingangs erläuterte Messverfahren wird erfindungsgemäß so abgewandelt, dass die Variation des senkrechten Abstandes zwischen dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen und der Werkstückoberfläche nicht länger durch eine langsame Vertikalverschiebung des Werkstücks erfolgt, sondern durch die Vertikalverschiebung besagten Schnittpunktes mittels des zuvor ausführlich erläuterten Verkippens der planparallelen Platten. Die Vermessung der Werkstückoberfläche kann auf diese Weise sehr viel schneller erfolgen als bisher. Insbesondere wird es dadurch in wirtschaftlich effizienter Weise möglich, eine solche Vermessung zeitlich verschachtelt mit der Werkstückbearbeitung erfolgen zu lassen: Für jedes lokale Bearbeitungsgebiet, welches durch Verschwenken des Eingangsstrahls angesteuert wird, wird zunächst ein Vermessungsschritt mit einer Beleuchtungsfluenz unterhalb der Modifikationsschwelle des Werkstückmaterials und sodann der eigentliche Bearbeitungsschritt mit einer die Modifikationsschwelle des Werkstückmaterials wenigstens bereichsweise übersteigender Fluenz durchgeführt. Zwischen diesen beiden Schritten wird die Bearbeitungsebene in den vorgesehenen Abstand zur Werkstückoberfläche, insbesondere auf die Werkstückoberfläche, gefahren. Dies erfolgt ebenfalls mittels präziser Verkippung der planparallelen Platten.
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Denkbar ist es auch, dass für die Vermessung einerseits und die Bearbeitung andererseits Eingangsstrahlen aus unterschiedlichen Strahlquellen verwendet werden. Sie müssten lediglich durch geeignete Strahlleitmittel auf denselben Eingangs-Strahlengang geführt werden, was bspw. mittels halbdurchlässiger Spiegel oder anderer dem Fachmann bekannten optischer Elemente möglich ist. Diese Variante bietet sich insbesondere dann an, wenn die für die Materialbearbeitung verwendete Laser-Wellenlänge nicht mittels des gewählten Bilddetektors detektierbar ist.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung,
- 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung und
- 3: eine schematische Darstellung des Schnittbereichs der Beugungsstrahlen zur Illustration des erfindungsgemäßen V ermessu ngsverfah rens.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung die wesentlichen Teile des Strahlengangs in einem erfindungsgemäßen Zwei-Gitter-Interferometer
10. Das Interferometer
10 weist zwei Beugungsgitter
11,
12, nämlich ein eingangsseitiges Beugungsgitter
11 und ein ausgangsseitiges Beugungsgitter
12 auf. Die gleich orientierten Gitterlinien der Beugungsgitter
11,
12 stehen zueinander in einem dem Fachmann bekannten Periodenverhältnis, wie es in allgemeiner Form in der
DE 10 2006 032 053 A1 beschrieben ist. Der Eingangsstrahl
20 trifft eingangsseitig auf das eingangsseitige Beugungsgitter
11. In der Darstellung von
1 ist ein senkrechter Einfall des Eingangsstrahls
20 auf das eingangsseitige Beugungsgitter
11 dargestellt. Mittels einer nicht dargestellten Verschwenkungsoptik kann der Eingangsstrahl jedoch auch unter anderen Einfallswinkeln auf das eingangsseitige Beugungsgitter
11 gelenkt werden.
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Am eingangsseitigen Beugungsgitter 11 wird der Eingangsstrahl 20 in Teilstrahlen unterschiedlicher Beugungsordnungen gebeugt. Aus Vereinfachungsgründen sind in 1 lediglich die symmetrischen Beugungsstrahlen 21 einer einzigen, ausgewählten Beugungsordnung dargestellt. Die Teilstrahlen der übrigen Beugungsordnungen können, sofern sie überhaupt in relevanter Weise auftreten, geblockt oder abgelenkt werden.
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Die Beugungsstrahlen 21 treffen jeweils auf an spiegelsymmetrischen Positionen in spiegelsymmetrischer Ausrichtung angeordnete, erste planparallele Platten 31. Die planparallelen Platten 31 sind jeweils in zwei Stellungen dargestellt. Mit gestrichelten Linien ist die jeweilige Grundstellung dargestellt, in denen die ersten planparallelen Platten 31 exakt senkrecht zum jeweils zugeordneten Beugungsstrahl 21 stehen. In dieser Grundstellung ergibt sich keine Änderung des Strahlengangs, wie durch die punktierte Fortsetzung der Beugungsstrahlen 21 hinter den ersten planparallelen Platten 31 angedeutet.
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Die Beugungsstrahlen 21 fallen sodann auf das ausgangsseitige Beugungsgitter 12 und werden dort erneut in Teilstrahlen unterschiedlicher Beugungsordnungen gebeugt. Eine ausgewählte Beugungsordnung, die vom Periodenverhältnis der Beugungsgitter 11, 12 abhängt, produziert Teilstrahlen der beiden Beugungsstrahlen 21, die sich in einer Interferenzmusterebene 40 schneiden, sich dort überlagern und ein Interferenzmuster ausbilden. Liegt eine Bearbeitungsebene eines Werkstücks in dieser Interferenzmusterebene 40 und ist die Fluenz der Beugungsstrahlen 21 geeignet gewählt, kann das Material des Werkstücks in dieser Bearbeitungs- bzw. Interferenzmusterebene 40 entsprechend modifiziert werden. Ein derartiges Werkstück ist in 1 nicht dargestellt.
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Zur Verschiebung der Interferenzmusterebene können die ersten planparallelen Platten 31 spiegelsymmetrisch um senkrecht zu der von den Beugungsstrahlen 21 aufgespannten Beugungsebene (entsprechend der Papierebene in 1) ausgerichtete Kippachsen verkippt werden. Die in einer derartigen Kippstellung befindlichen ersten planparallelen Platten 31 sind in 1 mit ausgezogenen Linien dargestellt. In den in 1 gezeigten Stellungen ist die rechte der ersten planparallelen Platten 31 im und die linke der ersten planparallelen Platten gegen den Uhrzeigersinn verkippt.
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Hieraus resultiert ein schräger Einfall der Beugungsstrahlen 21 auf die ersten planparallelen Platten 31, woraus sich ein entsprechender Parallelversatz der Beugungsstrahlen 21 ergibt. Der Strahlengang der Beugungsstrahlen 21 mit Parallelversatz ist in 1 als durchgezogene Pfeillinie dargestellt.
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Der Parallelversatz der Beugungsstrahlen 21 durch die ersten planparallelen Platten 31, der insbesondere keine Winkeländerung des Strahlengangs impliziert, ändert nichts an der zuvor beschriebenen, erneuten Beugung der Beugungsstrahlen 21 am ausgangsseitigen Beugungsgitter 12. Allerdings sind die Punkte, in denen die Beugungsstrahlen 21 auf das ausgangsseitige Beugungsgitter 12 auftreffen, gegenüber der Situation mit in Grundstellung befindlichen ersten planparallelen Platten 31 aufeinander zu verschoben. Hieraus resultiert, dass sich die Beugungsstrahlen 21 hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter 12 in einer anderen, insbesondere näher am ausgangseitigen Beugungsgitter 12 liegenden Interferenzmusterebene 40 treffen und dort das Interferenzmuster ausbilden. Durch entsprechende Ansteuerung der Kippstellung der ersten planparallelen Platten 31 kann also die Z-Lage der Interferenzmusterebene 40 und damit der Bearbeitungsebene für ein Werkstück präzise eingestellt werden. Insbesondere kann die Bearbeitungsebene einer gekrümmten Oberfläche des Werkstücks nachgeführt bzw. entlang einer gekrümmt vorgegebenen Bearbeitungsfläche geführt werden, wenn das Werkstück durch Verschwenkung des Eingangsstrahls 20 im Rahmen einer großflächigen Bearbeitung abgerastert wird.
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2 zeigt in ähnlicher Darstellung wie 1 eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, wobei zusätzlich zu den zwischen den Beugungsgittern 11, 12 angeordneten ersten planparallelen Platten 31 zweite planparallele Platten 32 hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter 12 angeordnet sind. Die Vorrichtung von 2 eignet sich besonders für Fälle, in denen der Eingangsstrahl 20 ein gepulster Laserstrahl mit kurzer Pulsdauer ist.
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Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die notwendige spektrale Bandbreite innerhalb eines Laserpulses umso größer, je kürzer seine Pulsdauer ist. Bei ultrakurzen Pulsen ist also das Wellenlängenspektrum innerhalb des Pulses sehr breit. Dies kann im Kontext der vorliegenden Erfindung insofern problematisch sein, als die Beugungsgitter 11, 12 eine deutliche Winkeldispersion aufweisen, d. h. eine Abhängigkeit der Beugungswinkel von der Wellenlänge des Eingangsstrahls. Bei einem breitbandigen Eingangsstrahl werden also Bestandteile unterschiedlicher Wellenlängen unter unterschiedlichen Winkeln gebeugt, was in 1 in stark übertriebener Weise durch die jeweils doppelte Darstellung von Beugungsstrahlen 21, 22 symbolisiert wird. Die Beugungsstrahlen 21, 22 sollen hier die Strahlengänge der jeweils kürzesten (Beugungsstrahlen 22) und jeweils längsten Wellenlänge (Beugungsstrahlen 21) innerhalb des Eingangsstrahlspektrums repräsentieren. Die planparallelen Platten 31, 32 sind in diesem Beispiel so eingestellt, dass in ihrer Grundstellung die kurzwelligen Beugungsstrahlen 22 senkrecht auftreffen.
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Auf die Grundfunktion eines Zwei-Gitter-Interferometers hat diese Dispersionsproblematik keinen Einfluss, da sich bei Abwesenheit jeglicher planparalleler Platten 31, 32 die Effekte an den Beugungsgittern 11, 12 vollständig kompensieren. Dies ändert sich jedoch mit der Einführung der ersten planparallelen Platten 31. Das Ausmaß des durch sie erzielten Parallelversatzes ist nämlich abhängig vom Einfallswinkel der Beugungsstrahlen 21 auf ihre Oberfläche. Da dieser, wie zuvor erläutert, aufgrund der Winkeldispersion des eingangsseitigen Beugungsgitters 11 für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich ist, ergeben sich hinter den ersten planparallelen Platten 31 wellenlängenabhängige Parallelversätze, was bei einer Vorrichtung gemäß 1 zu wellenlängenabhängigen Z-Lagen des jeweiligen Interferenzmusters führen würde. Hierdurch „verschmiert“ die Bearbeitungsebene für ein Werkstück.
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Werden jedoch, wie in 2 dargestellt, zusätzliche, zweite planparallele Platten 32 hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter angeordnet, die hinsichtlich Dicke und Material den ersten planparallelen Platten 31 entsprechen, und, wie in 2 gezeigt, um denselben Kippwinkel wie ihr jeweiliges Pendant zwischen den Beugungsgittern 11, 12 verkippt sind, kann der Dispersionseffekt weitgehend (in linearer Näherung vollständig) kompensiert werden. Diejenigen Strahlanteile der Beugungsstrahlen, die mit größerem Eingangswinkel auf ersten planparallelen Platten 31 getroffen sind (langwellige Beugungsstrahlen 21 in 2), treffen nämlich mit einem kleineren Einfallswinkel auf die zweiten planparallelen Platten 32. Diese Strahlanteile erfahren also an den ersten planparallelen Platten 31 einen größeren Parallelversatz und an den zweiten planparallelen Platten 32 einen kleineren Parallelversatz. Im Vergleich dazu erfahren diejenigen Strahlanteile, die mit kleinerem Einfallswinkel auf die ersten planparallelen Platten 31 fallen (kurzwellige Beugungsstrahlen 22), dort einen kleineren Parallelversatz und an den zweiten planparallelen Platten 32, auf die sie unter einem größeren Einfallswinkel auftreffen, einen größeren Parallelversatz. Dies führt im Ergebnis dazu, dass sich sämtliche spektrale Strahlanteile der Beugungsstrahlen 21, 22 in derselben Interferenzmusterebene 40 treffen und dort ein präzise definiertes, scharfes Interferenzmuster ausbilden. Dieser Ansatz vernachlässigt allerdings den Effekt der durch das Plattenmaterial selbst hervorgerufenen Dispersion, was aufgrund des geringen Ausmaßes des resultierenden Fehlers in den meisten Fällen auch durchaus vertretbar ist. Beide Dispersionseffekte lassen sich jedoch gemeinsam weitgehend kompensieren, indem für die ersten planparallelen Patten 31 einerseits und die zweiten planparallelen Platten 32 andererseits leicht unterschiedliche Dicken (und/oder hinsichtlich ihres Brechungsindexes leicht unterschiedliche Materialien) verwendet werden.
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3 zeigt, ebenfalls stark schematisiert, den Kreuzungsbereich der Beugungsstrahlen 21 bei einer Einstellung des im Übrigen nicht näher gezeigten, erfindungsgemäßen Zwei-Gitter-Interferometers 10, in der die Interferenzmusterebene 40, in der der geometrische Schnittpunkt 23 der Beugungsstrahlen 21 liegt, um einen senkrechten Abstand 61 oberhalb einer Werkstückoberfläche 50 angeordnet ist. Der Fachmann wird sich auch die umgekehrte Situation vorstellen können, bei der der geometrische Schnittpunkt 23 unterhalb der Werkstückoberfläche 50 liegt. In beiden Fällen treffen die Beugungsstrahlen 21 an voneinander lateral beabstandeten Auftreffpunkten 24 auf der Werkstückoberfläche 50 auf. Ihr lateraler Abstand 62 ändert sich mit der Änderung des senkrechten Abstandes 61. Dieser wird erfindungsgemäß durch Vertikalverschiebung des geometrischen Schnittpunktes 23 mittels Verkippens der in 3 nicht gezeigten planparallelen Platten 31, 32 variiert. Die Auftreffpunkte 24 werden auf einen Bilddetektor abgebildet und ihre Bewegung in Abhängigkeit von der Plattenverkippung analysiert.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zwei-Gitter-Interferometer
- 11
- eingangsseitiges Beugungsgitter von 10
- 12
- ausgangsseitiges Beugungsgitter von 10
- 20
- Eingangsstrahl
- 21
- Beugungsstrahlen
- 22
- Beugungsstrahlen
- 23
- geometrischer Schnittpunkt
- 24
- Auftreffpunkt
- 31
- erste planparallele Platten
- 32
- zweite planparallele Platten
- 40
- Interferenzmusterebene
- 50
- Werkstückoberfläche
- 61
- senkrechter Abstand
- 62
- lateraler Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6904201 B1 [0004, 0018]
- DE 102006032053 A1 [0005, 0024]