DE102014114253A1 - Method for compensating aberrations caused by thermal lens effects in an optic - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Abbildungsfehlern durch Effekte thermischer Linsen in einer Optik. Die Aufgabe, Abbildungsfehler eines optischen Systems zu kompensieren, die innerhalb des optischen Systems in mindestens einem optischen Element durch Ausbildung einer thermischen Linse infolge angewendeter gebündelter energiereicher Strahlung zustande kommen, wird erfindungsgemäß gelöst durch Ermitteln von temperaturabhängigen Brechzahlinhomogenitäten des optischen Elements in Abhängigkeit von definierten Betriebsdauern der Einwirkung eines mit vorgegebenen Bündelparametern angewendeten Strahlenbündels der energiereichen Strahlung und Modellieren und Implementieren eines Vorhalts von Brechzahlinhomogenitäten im Nominaldesign (Nullzustand) des optischen Systems ohne Einwirkung des Strahlenbündels der energiereichen Strahlung derart, dass die Wirkung der thermisch induzierten Brechzahlinhomogenitäten für definierte Betriebsdauern der Einwirkung des Strahlenbündels kompensiert werden.The invention relates to a method for compensating imaging aberrations by effects of thermal lenses in an optics. The object to compensate for aberrations of an optical system, which occur within the optical system in at least one optical element by forming a thermal lens as a result of applied concentrated high-energy radiation, is achieved according to the invention by determining temperature-dependent refractive index inhomogeneities of the optical element as a function of defined operating times Influence of a radiation beam of high-energy radiation applied with predetermined beam parameters and modeling and implementing a proviso of refractive inhomogeneities in the nominal design (zero state) of the optical system without the action of the beam of high-energy radiation such that the effect of the thermally induced refractive index inhomogeneities for defined operating times compensates for the action of the beam become.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Abbildungsfehlern durch Effekte thermischer Linsen in einer Optik zur Anwendung von gebündelter energiereicher Strahlung, insbesondere zur Bündelung oder Fokussierung von Laserstrahlung mit hoher Strahlqualität. The invention relates to a method for compensating aberrations by the effects of thermal lenses in an optics for the application of concentrated high-energy radiation, in particular for focusing or focusing of laser radiation with high beam quality.
Im Stand der Technik ist das Problem der Ausbildung einer thermischen Linse durch die Einwirkung von energiereicher Strahlung (z. B. Laserstrahlung) bekannt und hat dazu geführt, über unterschiedliche Kompensationsmaßnahmen nachzudenken. Eine häufige Vorgehensweise dabei ist es, in einer von der Strahlung durchsetzten Optik die infolge der thermischen Linse verursachte Defokussierung zu kompensieren. In the prior art, the problem of the formation of a thermal lens by the action of high-energy radiation (eg laser radiation) is known and has led to thinking about different compensation measures. A common approach is to compensate for the defocusing caused by the thermal lens in an optics penetrated by the radiation.
So ist in der
Allen vorhergehenden Kompensationsprinzipien ist gemeinsam, dass sie ausschließlich die globale Erwärmung der Linse oder Linsengruppe berücksichtigen und die Fokuslage durch axiale Stellbewegung der Optik korrigieren, wodurch eine lokale Ausbildung einer thermischen Linse in der Optik infolge von gebündelter Strahlungseinwirkung keine Rolle spielt und solche Effekte nicht kompensierbar sind. All of the preceding compensation principles have in common that they take into account only the global warming of the lens or lens group and correct the focus position by axial displacement of the optics, whereby a local formation of a thermal lens in the optics due to bundled radiation exposure is irrelevant and such effects are not compensated ,
Ein erster Ansatz zur Berücksichtigung lokaler Strahlungsabsorption und radialer Wärmeleitung mit leistungsabhängiger Temperaturverteilung sowie thermischer Dispersion (zur Erzeugung einer thermischen Linse) innerhalb der Optik ist in der
Ferner ist aus der
Den letzten beiden Lösungen des Standes der Technik ist gemeinsam, dass radialabhängige Temperaturverteilungen, die lokale thermische Linseneffekte verursachen, zwar auch lokal angepasst kompensiert werden können, aber dafür zusätzliche, teilweise aufwändig generierte oder kompliziert gehalterte Kompensationsmedien in den Strahlengang eingebracht werden müssen, wobei jedes Zusatzelement unerwünschte Strahlungsschwächung und sekundäre Abbildungsfehler erzeugt. In beiden Fällen sind – ohne dass darauf explizit hingewiesen wurde – exakte Messungen zur Ermittlung von Wellenfrontaberrationen erforderlich, die aufgrund neuester optischer Messtechnik insbesondere für Laserstrahlung deutlich vereinfacht wurden. Eine solche Strahldiagnose ist beispielsweise von
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Kompensation von Abbildungsfehlern infolge thermischer Linsen in einer Optik für die Anwendung von gebündelter energiereicher Strahlung zu finden, bei der durch lokal unterschiedliche Temperaturfelder bedingte Abbildungsfehler der Optik reduziert werden, ohne dass aufwändige temperaturgeregelte Korrekturmaßnahmen oder zusätzliche durch die lokale Temperaturverteilung gesteuerte Kompensationsmedien zum Einsatz kommen. Eine erweiterte Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von athermischen Optiken, insbesondere zur Bündelung oder Fokussierung von Laserstrahlung mit hoher Strahlqualität, bereitzustellen. The invention has for its object to find a new way to compensate for aberrations due to thermal lenses in optics for the application of concentrated high-energy radiation, in which caused by locally different temperature fields aberrations of the optics are reduced, without elaborate temperature-controlled corrective measures or additional controlled by the local temperature distribution compensation media are used. An extended object is to provide a method for producing athermal optics, in particular for focusing or focusing laser radiation with high beam quality.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Reduktion von Abbildungsfehlern eines optischen Systems, die innerhalb mindestens eines optischen Elements des optischen Systems durch Ausbildung einer thermischen Linse infolge angewendeter gebündelter energiereicher Strahlung zustande kommen, mit den Schritten gelöst:
- – Ermitteln von temperaturabhängigen Brechzahlinhomogenitäten des mindestens einen optischen Elements für vorgegebene Betriebsbedingungen des optischen Systems in Abhängigkeit von definierten Betriebsdauern der Einwirkung eines definierten Strahlenbündels der energiereichen Strahlung und
- – Modellieren und Implementieren eines Vorhalts von Brechzahlinhomogenitäten des mindestens einen optischen Elements in einem Nullzustand des Optikdesigns ohne Einwirkung des Strahlenbündels der energiereichen Strahlung derart, dass die Brechzahlinhomogenitäten für definierte Betriebsdauern der Einwirkung des Strahlenbündels minimiert oder kompensiert werden.
- Determining temperature-dependent refractive index inhomogeneities of the at least one optical element for predetermined operating conditions of the optical system as a function of defined operating times of the action of a defined beam of high-energy radiation and
- Modeling and implementing a Vorhalt of refractive index inhomogeneities of the at least one optical element in a zero state of the optical design without the action of the beam of high-energy radiation such that the refractive index inhomogeneities for defined operating periods of the action of the beam are minimized or compensated.
Vorzugsweise wird zur Ermittlung der Brechzahlinhomogenitäten und zur Kompensation ihrer Effekte wie folgt vorgegangen:
- – Ermittlung von Bündelparametern des auf das optische System anzuwendenden definierten Strahlenbündels;
- – Berechnung einer Temperaturverteilung im optischen System auf Basis von FEM-Rechnungen für mindestens ein optisches Element des optischen Systems mit mindestens einem verwendeten Optikmaterial;
- – Ermittlung von Referenzbrechzahlen aus Nominalbrechzahlen des verwendeten Optikmaterials bei jeweils einer Referenzwellenlänge und einer Referenztemperatur;
- – Simulation eines Brechzahlprofils durch Anwendung einer analytischen Standardform zur Brechzahlprofilbeschreibung unter Nutzung der simulierten Temperaturverteilung sowie der ermittelten Referenzbrechzahlen und von Koeffizienten thermischer Dispersion des verwendeten Optikmaterials;
- – Modellierung (Programmierung und Nutzung) einer benutzerdefinierten Oberfläche zur Anpassung des simulierten Brechzahlprofils und Umsetzung in Modellparameter zur Optikdesignmodellierung des optischen Systems;
- – Simulation transienter Zustände des Brechzahlprofils im Optikdesign für bestimmte Betriebsdauern und Modellierung angepasste Modelle für unterschiedliche Brechzahlprofile und modifizierte Bündelpropagation mittels Optikdesignmodellierung des optischen Systems; und
- – Auswahl eines angepassten Modells mit einem Brechzahlprofil, bei dem die Simulation der transienten Zustände ein kompensierendes Optikdesign des optischen Systems ergeben hat, bei dem gewünschte Spezifikationen von vorgegebenen optischen Gütekriterien des optischen Systems wenigstens für eine definierte Betriebsdauer erfüllt sind.
- Determination of bundle parameters of the defined beam to be applied to the optical system;
- Calculation of a temperature distribution in the optical system on the basis of FEM calculations for at least one optical element of the optical system with at least one optical material used;
- - Determining reference refractive indices of nominal refractive indices of the optical material used in each case a reference wavelength and a reference temperature;
- - Simulation of a refractive index profile by application of a standard analytical form for refractive index profile description using the simulated temperature distribution and the determined reference refractive indices and coefficients of thermal dispersion of the optical material used;
- - Modeling (programming and usage) of a user-defined interface for adapting the simulated refractive index profile and conversion into model parameters for optical design modeling of the optical system;
- Simulation of transient states of the refractive index profile in optics design for specific operating times and modeling adapted models for different refractive index profiles and modified beam propagation by optical design modeling of the optical system; and
- Selection of an adapted model with a refractive index profile, in which the simulation of the transient states has yielded a compensating optical design of the optical system in which desired specifications of predetermined optical quality criteria of the optical system are satisfied at least for a defined operating period.
Vorteilhaft wird zur Simulation der Temperaturverteilung oder des Brechzahlprofils eine geeignete FEM-Simulations-Software verwendet. Dabei kommt vorzugsweise die Simulations-Software ANSYSTM zur Anwendung. Advantageously, a suitable FEM simulation software is used to simulate the temperature distribution or refractive index profile. Preferably, the simulation software ANSYS TM is used.
Zur Simulation des Brechzahlprofils wird als Standardform zweckmäßig eine Brechzahlprofilbeschreibung über Standard-GRIN-Linsen auch auf jede Art von refraktiven optischen Elementen angewendet. To simulate the refractive index profile, a refractive index profile description using standard GRIN lenses is expediently also applied to any type of refractive optical element as standard form.
Für die Simulation transienter Zustände des Brechzahlprofils wird bevorzugt eine kommerziell verfügbare Optikmodellierungssoftware verwendet. Hierfür wird vorteilhaft die Optikmodellierungssoftware ZEMAXTM oder Code VTM verwendet. For the simulation of transient states of the refractive index profile, a commercially available optical modeling software is preferably used. The optical modeling software ZEMAX ™ or Code V ™ is advantageously used for this purpose.
Dabei wird bei der Modellierung einer benutzerdefinierten Oberfläche weiterhin eine Verifikation des modellierten optischen Systems durch Vergleich mit Brechzahlprofile, die mit GRIN-Linsen (sog. Flächentyp in ZEMAXTM) beschrieben werden können, vorgenommen. In the modeling of a user-defined surface, a further verification of the modeled optical system by comparison with refractive index profiles, which can be described with GRIN lenses (so-called surface type in ZEMAX ™ ), is carried out.
Zur Programmierung der benutzerdefinierten Oberfläche wird vorteilhaft die Programmiersprache C++ gewählt. To program the user-defined interface, the programming language C ++ is advantageously chosen.
Vorzugsweise wird als Gütekriterium für die Bewertung, Optimierung und Auswahl der angepassten Modelle transienter Zustände zur Implementierung in das kompensierte Design des optischen Systems die Beugungsmaßzahl M2 verwendet. Zusätzlich dazu oder auch nur alternativ kann als Gütekriterium die Energie in einer definierten Kreisfläche (encircled Energy – EcE) verwendet werden. Außerdem kann zusätzlich oder alternativ als Gütekriterium ein bester Fokussierungszustand oder eine minimale Defokussierung verwendet werden. Preferably, the diffraction factor M 2 is used as a quality criterion for the evaluation, optimization and selection of the adapted models of transient states for implementation in the compensated design of the optical system. In addition to this, or only as an alternative, the energy in a defined area (encircled energy - EcE) can be used as the quality criterion. In addition, additionally or alternatively, as the quality criterion, a best focus state or a minimum defocus can be used.
Vorteilhaft wird die Simulation von temperaturabhängigen Brechzahlinhomogenitäten iterativ durchgeführt, indem die Festlegung der Bündelparameter des einstrahlenden energiereichen Bündels, die Ermittlung freier Durchmesser an den Oberflächen der optischen Elemente, davon ausgehend die Simulation von Temperaturprofilen des optischen Systems durch FEM-Rechnungen, die Anpassung der Zustandsparameter des transienten Temperaturverteilungsmodells; Einsetzen benutzerdefinierter Flächen im Optikdesign unter Nutzung dieser Zustandsparameter, die Simulation der Bündelpropagation im optischen System, Ermittlung der Systemperformance und der thermisch modifizierten neuen Bündelparameter aufeinanderfolgend wiederholt angewandt werden. Dabei werden die temperaturabhängigen Brechzahlinhomogenitäten vorzugsweise simuliert, indem
- – die Simulation von Temperaturverteilungen des optischen Systems durch FEM-Rechnungen,
- – die Simulation der Temperaturverteilung im optischen System durch ein analytisches Modell,
- – die Ermittlung des Brechzahlprofils unter Nutzung der simulierten Temperaturverteilung, der ermittelten Referenzbrechzahlen und der Koeffizienten thermischer Dispersion des verwendeten Optikmaterials,
- – Umsetzung des simulierten Brechzahlprofils durch Übergabe der ermittelten Modellparameter an die benutzerdefinierte Oberfläche (UDS);
- – die Simulation des transienten Zustands des optischen Systems mit – einer Ermittlung modifizierter Bündelpropagation in dem optischen System mittels der Optikmodellierungssoftware und – einer Ermittlung modifizierter Ein- und Austritts-Bündelparameter an allen Oberflächen optischer Elemente des optischen Systems
- The simulation of temperature distributions of the optical system by FEM calculations,
- The simulation of the temperature distribution in the optical system by an analytical model,
- The determination of the refractive index profile using the simulated temperature distribution, the determined reference refractive indices and the coefficients of thermal dispersion of the optical material used,
- - Implementation of the simulated refractive index profile by transferring the determined model parameters to the user-defined interface (UDS);
- The simulation of the transient state of the optical system with - a determination of modified beam propagation in the optical system by means of the optical modeling software and - a determination of modified input and output beam parameters on all surfaces of optical elements of the optical system
Die iterative Simulation wird bevorzugt für mehrlinsige optische Systeme angewendet. The iterative simulation is preferred for multi-lens optical systems.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass Optiken aufgrund des Einflusses unterschiedlicher Temperaturfelder infolge lokaler Erwärmung durch das angewandte Strahlenbündel eine variierende thermische Linse und damit einhergehende Wellenfrontdeformationen ausbilden. Diese hängen in erster Linie von der Nominaltemperatur zu einem Zeitpunkt Null (im kalten Zustand) und der Temperatur nach unterschiedlichen definierten Betriebsdauern ab. Die im Stand der Technik übliche Kompensation thermischer Effekte durch mechanische Verstellung, die lokal unterschiedliche Temperaturfelder ohnehin nicht kompensieren kann, oder durch Einbringung zusätzlicher Kompensationsmedien, wird erfindungsgemäß dadurch verbessert, dass eine Simulation der thermischen Linse für den thermischen Arbeitspunkt des optischen Systems vorgenommen wird. Die Wirkung der simulierten thermischen Linse für einen vorgegebenen Betriebszustand bzw. nach einer bestimmten Betriebsdauer (Dauer der Einwirkung des Strahlungsbündels energiereicher Strahlung) kann in das Optikdesign eingefügt werden, was die Möglichkeit eröffnet, die Auswirkungen der Brechzahlinhomogenitäten, wie Defokussierung und Öffnungsfehler im optischen System durch ein angepasstes Design weitgehend zu kompensieren. Für die Verifikation des erreichten Kompensationszustandes können verschiedene optische Gütekriterien verwendet werden, z. B. Minimierung der Beugungsmaßzahl M2 (definiert über das Strahlparameterprodukt – SPP = φw0 = M2λ/π), bester Fokussierungszustand (minimale Defokussierung – Fokusverschiebung in z-Richtung), minimaler Radius eines Querschnitts mit gegebenen Energieinhalt (encircled energy – EcE), Punktbildverwaschungsfunktion (PSF), RMS-Wellenfrontfehler, etc. Mit anderen Worten werden gemäß der Erfindung für den Ausgangszustand (Nullzustand bzw. „Kaltzustand“) der optischen Elemente des optischen Systems jeweils Wellenfrontdeformationen als Vorhalt mittels asphärischer Ausbildung der Linsenoberfläche so eingestellt, dass die Größe der thermischen Linse für vorgegebene Betriebsdauern – als transiente bzw. temporäre Zustände unter Berücksichtigung der anwendungsspezifischen Temperaturfelder simuliert und im Optikdesign modelliert – im Voraus einberechnet ist, sodass optische Gütekriterien (für kollimierte oder fokussierte Laserstrahlung vorzugsweise die Beugungsmaßzahl M2 des Strahlparameterprodukts) für einen oder mehrere angestrebte Zeitpunkte oder wahlweise Zeitintervalle (d. h. bei vorgegebenen Arbeitstemperaturen Ti des optischen Systems) optimiert und somit Abbildungsfehler infolge der thermischen Linse weitestgehend kompensiert sind. The invention is based on the basic idea that optics, due to the influence of different temperature fields as a result of local heating due to the applied beam, form a varying thermal lens and associated wavefront deformations. These depend primarily on the nominal temperature at a time zero (in the cold state) and the temperature after different defined operating periods. The customary in the prior art compensation of thermal effects by mechanical adjustment, which can not compensate locally different temperature fields anyway, or by introducing additional compensation media is inventively improved by performing a simulation of the thermal lens for the thermal operating point of the optical system. The effect of the simulated thermal lens for a given operating state or after a certain period of operation (duration of exposure of the beam of high-energy radiation) can be incorporated into the optical design, which opens up the possibility of the effects of Brechzahlinhomogenitäten, such as defocusing and aperture errors in the optical system to largely compensate for an adapted design. For the verification of the achieved compensation state different optical quality criteria can be used, for. B. Minimization of the diffraction factor M 2 (defined by the ray parameter product - SPP = φw 0 = M 2 λ / π), best focus state (minimum defocus - focus shift in z direction), minimum radius of a cross section with given energy content (encircled energy - EcE In other words, according to the invention, for the initial state (zero state or "cold state") of the optical elements of the optical system, wavefront deformations are set as lead by means of aspherical design of the lens surface such that the size of the thermal lens for predetermined operating times - simulated as transient or temporary states taking into account the application-specific temperature fields and modeled in optical design - is calculated in advance, so that optical quality criteria (for collimated or focused laser radiation preferably the diffraction ahl M 2 of the beam parameter product) for one or more desired times or optional time intervals (ie at predetermined operating temperatures T i of the optical system) optimized and thus aberrations due to the thermal lens are largely compensated.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Abbildungsfehler durch Brechzahlinhomogenitäten infolge der Ausbildung thermischer Linsen in einer Optik bei der Anwendung von gebündelter energiereicher Strahlung zu kompensieren oder zu minimieren, indem durch lokal unterschiedliche Temperaturfelder bedingte Abbildungsfehler der Optik reduziert werden, ohne dass aufwändige temperaturgeregelte Korrekturmaßnahmen oder zusätzliche durch die lokale Temperaturverteilung gesteuerte Kompensationsmedien zum Einsatz kommen. Insbesondere wird ein Verfahren zur Herstellung von athermalen Optiken angegeben, bei denen Wellenfrontdeformationen durch thermische Linsen im „Kaltzustand“ der Optik so vorgehalten werden, dass diese während der Nutzung der Optik, die insbesondere zur Bündelung oder Fokussierung von Laserstrahlung mit hoher Strahlqualität vorgesehen ist, nach oder bei vorgegebenen Betriebsdauern im thermischen Arbeitspunkt der Optik minimiert sind. With the present invention, it is possible to compensate for or minimize aberrations due to the refractive incoherence due to the formation of thermal lenses in optics in the application of concentrated high-energy radiation by optical aberrations caused by locally different temperature fields can be reduced without elaborate temperature-controlled corrective measures or additional compensation media controlled by the local temperature distribution are used. In particular, a method for the production of athermal optics is specified in which wavefront deformations by thermal lenses in the "cold state" of the optics are held so that this after the optics, which is particularly intended for focusing or focusing of laser radiation with high beam quality after or are minimized for given operating periods in the thermal operating point of the optics.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen: The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. The drawings show:
Das Verfahren zur Reduktion von Abbildungsfehlern eines optischen Systems, die aufgrund von Brechzahlinhomogenitäten durch Ausbildung einer thermischen Linse infolge angewendeter gebündelter energiereicher Strahlung zustande kommen, basiert grundsätzlich auf einer Ermittlung von temperaturabhängigen Brechzahlinhomogenitäten des mindestens einen optischen Elements für vorgegebene Betriebsbedingungen des optischen Systems in Abhängigkeit von definierten Betriebsdauern der Einwirkung eines definierten Strahlenbündels der energiereichen Strahlung einerseits, der Modellierung der Wirkung dieser Inhomogenitäten im optischen System andererseits, und schließlich der Implementierung eines Vorhalts für die thermischen Wirkungen im Design des Systems für mindestens ein optisches Element in einem Nullzustand ohne Einwirkung des Strahlenbündels der energiereichen Strahlung derart, dass die thermischen Linsen für definierte Betriebsdauern der Einwirkung des Strahlenbündels kompensiert oder zumindest minimiert werden. The method for the reduction of aberrations of an optical system, which occur due to refractive index inhomogeneities by forming a thermal lens as a result of applied concentrated high-energy radiation, is basically based on a determination of temperature-dependent refractive index inhomogeneities of the at least one optical element for predetermined operating conditions of the optical system depending on defined Operating times of the action of a defined beam of high-energy radiation on the one hand, the modeling of the effect of these inhomogeneities in the optical system on the other hand, and finally the implementation of a premise for the thermal effects in the design of the system for at least one optical element in a zero state without the influence of the beam of energy Radiation in such a way that the thermal lenses compensate for the action of the beam for defined operating times or at least minimized.
Die oben genannte Vorgehensweise untergliedert sich in die folgenden weiter detaillierten Schritte:
- – Ermittlung von Bündelparametern des auf das optische System anzuwendenden definierten Strahlenbündels,
- – Ermittlung von Referenzbrechzahlen bei einer Referenzwellenlänge und Referenztemperatur sowie den thermischen Dispersionskoeffizienten des verwendeten Optikmaterials,
- – Berechnung einer Temperaturverteilung in mindestens einem optischen Element durch FEM-Simulation unter Nutzung vorbekannter Angaben über das optische System (Daten verwendeter Optikmaterialien und geeignete Annahmen über Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Wärmeübergangskoeffizienten von Strukturen der Optikfassung und angrenzenden Medien),
- – Anpassung eines allgemeinen Temperaturverteilungsmodells mit freien Parametern an die Ergebnisse der FEM-Temperatursimulation zur Erzeugung einer gefitteten Temperaturverteilungsfunktion mit gefittetem Parametervektor und Maßzahlen zur Bewertung der Güte der Anpassung,
- – Berechnung einer Brechzahlverteilung über das Volumen eines optischen Elements, ausgehend von den Referenzbrechzahlen sowie den thermischen Dispersionskoeffizienten des verwendeten Optikmaterials mithilfe der gefitteten Temperaturverteilungsfunktion,
- – Modellierung einer benutzerdefinierten Oberfläche (UDS) mithilfe einer geeigneten Programmiersprache (z.B. C++), die zur Implementierung der allgemeinen analytischen Darstellung der Brechzahlenverteilung und deren räumlichen Ableitungen in ein geeignetes Optikdesignprogramm (bspw. ZEMAXTM oder Code VTM) vorgesehen ist und den gefitteten Parametervektor zu einer (ggf. wiederholten) Anpassung an eine vorgegebene Situation der Temperatur- und Brechzahlenverteilung verarbeitet für die Eingabe in das verwendete Optikdesignprogramm, wobei nach Einfügen der UDS in das Optikdesignprogramm und Übergabe der gefitteten Parameter an die UDS eine Repräsentation der thermischen Effekte im Optikdesign des optischen Systems zur Verfügung steht, die die Nutzung aller durch das verwendete Optikdesignprogramm bereitgestellten Analysewerkzeuge ermöglicht,
- – Simulation, Untersuchung und Bewertung von transienten Systemzuständen im Optikdesignprogramm zur Anpassung des optischen Systems als Modelle transienter Zustände für bestimmte Betriebsdauern und
- – Implementierung von ausgewählten angepassten Modellen transienter Zustände als Designvarianten des optischen Systems, für die geforderte optische Gütekriterien für wenigstens eine bestimmte Betriebsdauer am besten erfüllt sind.
- Determination of bundle parameters of the defined beam to be applied to the optical system,
- Determination of reference refractive indices at a reference wavelength and reference temperature and the thermal dispersion coefficient of the optical material used,
- Calculation of a temperature distribution in at least one optical element by FEM simulation using previously known information about the optical system (data of used optical materials and suitable assumptions about heat capacity, thermal conductivity and heat transfer coefficients of structures of the optical detection and adjacent media),
- Adapting a general temperature distribution model with free parameters to the results of the FEM temperature simulation to produce a fitted temperature distribution function with fitted parameter vector and measures for assessing the quality of fit,
- Calculation of a refractive index distribution over the volume of an optical element based on the reference refractive indices and the thermal dispersion coefficient of the optical material used by means of the fitted temperature distribution function,
- Modeling of a user-defined surface (UDS) using a suitable programming language (eg C ++) intended to implement the general analytical representation of the refractive index distribution and its spatial derivatives into a suitable optical design program (eg ZEMAX ™ or Code V ™ ) and the fitted parameter vector to a (possibly repeated) adaptation to a given situation of temperature and refractive index distribution processed for input into the optical design program used, wherein after inserting the UDS into the optical design program and passing the fitted parameters to the UDS a representation of the thermal effects in the optical design of the optical system that allows the use of all analysis tools provided by the optical design program used,
- Simulation, investigation and evaluation of transient system states in the optical design program for the adaptation of the optical system as models of transient states for certain operating times and
- Implementation of selected adapted models of transient states as design variants of the optical system for which required optical quality criteria are best fulfilled for at least a certain operating time.
Dabei umfasst die Simulation der Brechzahlinhomogenitäten des optischen Systems eine Simulation von Temperaturprofilen mittels der Methode der finiten Elemente (FEM), wie sie in
Zur Analyse und Simulation der Brechzahlprofile müssen als Datenbasis für die FEM-Rechnungen der Temperaturverteilung in der optischen Komponente zusätzlich Bündelparameter der auf das optische System angewandten energiereichen Strahlung, wie Bündeldurchmesser, Fokus-/Taillenlagen, Divergenz, Astigmatismus und Modenstruktur, eingegeben werden. Diese Datenbasis bildet einen Eingangsdatensatz für die FEM-Temperatursimulation. Eine Auswahl von ermittelten 2D-Temperaturprofilen im Axialschnitt einer optischen Komponente (Linse) ist für unterschiedliche Strahlprofile in
Ein typisches Temperaturprofil eines refraktiven optischen Elements nach 450 s Einwirkungsdauer eines Strahlenbündels energiereicher Strahlung, wie es mittels der ANSYS-Software für ein ausgewähltes Testobjekt, eine Bikonvexlinse, ausgerechnet wurde, ist in
- Ti
- – gegebene Werte (FEM-Temperaturen),
- T^ i
- – zugehörige Modelltemperaturen,
- T -
- – der Mittelwert der gegebenen Werte (FEM-Temperaturen),
- n
- – die Anzahl der Messpunkte und
- p
- – die Anzahl der Anpassungsparameter sind.
- T i
- Given values (FEM temperatures),
- T ^ i
- - associated model temperatures,
- T -
- The mean of the given values (FEM temperatures),
- n
- - the number of measuring points and
- p
- - are the number of fitting parameters.
In
Erstes Ausführungsbeispiel First embodiment
In einem Fokus, der bezüglich des RMS-Wellenfrontfehlers optimiert ist, beträgt der Öffnungsfehler (Standard-Zernike-Koeffizient) 0,23 λ. Somit weist das bildseitige Bündel initial eine Beugungsmaßzahl M2 = 3 (als optisches Gütekriterium) auf.
Zur Simulation des Verhaltens gut korrigierter Optiken wurde deshalb eine öffnungsfehlerkorrigierte Asphärenvariante der vorgenannten Projektionsoptik aus Suprasil modelliert und erzeugt. Die Asphäre weist bei einem praktisch zu Null korrigierten Öffnungsfehler einen RMS-Wellenfrontfehler von 6 µλ bis 4 mλ auf. Daraus ergibt sich das Gütekriterium der Beugungsmaßzahl zu M2 (t = 0) = 1. In
Tabelle 1 gibt für 7 transiente Systemzustände eines Testsets die Summe der quadratischen Abweichungen der Simulationspunke vom Modell (SSE), die klassische und adjustierte Varianzaufklärung (Quadrat der Korrelation R2 und R2 adj) der FEM-Simulation durch das allgemeine analytische Modell und den RMS-Fehler (RMSE). Die Varianzaufklärung gemäß der oben angegebenen Gleichung ergibt sich für alle Zeitpunkte ti zu R2 adj ≥ 99%, was einen nahezu optimalen Fit repräsentiert.
Die
Die Defokussierung wird dabei bezüglich drei verschiedener möglicher Kriterien gegeben: Minimaler RMS-Radius der Punktbildverwaschungsfunktionen (PSF) für zwei unterschiedliche gaußförmige Pupillenapodisationen und eine z-Position mit minimaler Kreisfläche mit Energieinhalt 86,5%, berechnet mit „Physical Optics Propagation“ (POP) in ZEMAX. Neben der Defokussierung ist zusätzlich die Zeitentwicklung der Bündelgüte (z.B. Beugungsmaßzahl M2) aufgetragen. In
Den Vorzug als Gütekriterium erhält bei der vorliegenden Projektionsoptik, wie für Optiken zur Lasermaterialbearbeitung meist üblich, die Beugungsmaßzahl M2. Es sind aber auch andere optische Gütekriterien anwendbar, wie der Öffnungsfehler oder die Defokussierung oder die umschlossene Energie (EcE – encircled energy), für die in Tabelle 2 die Größe r(EcE) als Kreisradius, in dem 86,5 % der Energie liegen (Diffration Encircled Energy) verwendet wurde. The preference as a quality criterion is obtained in the present projection optics, as is usual for optics for laser material processing, the diffraction factor M 2 . However, other optical quality criteria are applicable, such as aperture error or defocusing or encased energy (EcE - encircled energy), for which, in Table 2, the size r (EcE) is a circle radius containing 86.5% of the energy ( Diffration encircled energy) was used.
Als Kriterium für die Defokussierung (z-Fokuslage) sind verschiedene Definitionen möglich:
- – strahlenoptisch: – Schnittpunkt der Strahlen von der Feldachse und mit einem gegebenen Betrag der relativen Pupillenposition;
- – wellenoptisch: “Einzelschritt“: – z-Position mit minimalem RMS-Wellenfrontfehler in der zugehörigen Austrittspupille (AP) oder – z-Position, für die der Defokus-Koeffizient der Zernike-Zerlegung der Wellenfront in der zugehörigen Austrittspupille null ist – z-Position mit maximaler „Diffraction Encircled Energy“ in einem definierten Kreis in der Bildebene – z-Position, an der sich ein minimaler Kreisradius mit gegebenem Inhalt an Diffraction Encircled Energy in der Bildebene ergibt
- – wellenoptische Bündelpropagation: – Taillenlage der Gaußsbündelapproximation im Bildraum – z-Position mit maximaler Encircled Energy in einem definierten Kreis in der Bildebene, berechnet durch wellenoptische Bündelpropagation (POPD40) – z-Position, an der sich ein minimaler Kreisradius mit gegebenem Inhalt an Encircled Energy in der Bildebene ergibt, berechnet durch wellenoptische Bündelpropagation (POPD50)
- - Radiation-optical: - intersection of the rays from the field axis and with a given amount of the relative pupil position;
- - wave-optical: "single step": - z-position with minimal RMS wavefront error in the associated exit pupil (AP) or - z-position for which the defocus coefficient of the Zernike decomposition of the wavefront in the associated exit pupil is zero - z- Position with maximum "diffraction encircled energy" in a defined circle in the image plane - z position, where a minimum circle radius with given content of diffraction encircled energy in the image plane results
- - Wave optical beam propagation: - waist position of the Gaussian beam approximation in the image space - z position with maximum encircled energy in a defined circle in the image plane, calculated by wave optical beam propagation (POPD40) - z position, at which there is a minimum radius of circle with given content of encircled energy in the image plane, calculated by wave-optical beam propagation (POPD50)
Das zeitliche Verhalten der Gütekriterien Defokussierung und Beugungsmaßzahl M2 ist in
Zweites Ausführungsbeispiel Second embodiment
Bisher war zur Erklärung des Prinzips der Erfindung das optische System auf eine einlinsige Optik (Test-Linse Suprasil) beschränkt. Nachfolgend soll aber gezeigt werden, dass die Erfindung auch auf mehrlinsige Optiken anwendbar ist. In diesem Beispiel wird ein zweilinsiges optisches System untersucht, welches beispielhaft in
In
Die in
Die in
Abschließend kann somit zusammengefasst werden, dass Defokussierung und Öffnungsfehler durch eine thermische Linse in gewissem Rahmen kompensiert werden können (siehe rEcE und M2 bei sphärischer Testset-Linse), wenn im Linsendesign für den „Kaltzustand“ des optischen System ein definierter Vorhalt an Brechzahlinhomogenität für einen definierten Wellenfrontfehler berücksichtigt wird, der durch die Wirkung der thermischen Linse(n) nach definierten Betriebsdauern (d. h. der Dauer der Einwirkung des Bündels der energiereichen Strahlung) den thermisch erzeugten Wellenfrontfehler kompensiert, sodass bei einem vorgegebenen üblichen Betriebzustand mit geringster Wellenfrontdeformation und somit höchster Präzision gearbeitet werden kann. In conclusion, it can thus be summarized that defocusing and aperture aberrations can be compensated to a certain extent by a thermal lens (see r EcE and M 2 in the case of a spherical test set lens), if in the lens design for the "cold state" of the optical system a defined derivative of refractive index inhomogeneity is taken into account for a defined wavefront error, which compensates for the thermally generated wavefront error by the action of the thermal lens (s) after defined operating times (ie the duration of the action of the bundle of high-energy radiation), so that at a given normal operating state with minimum wavefront deformation and thus highest Precision can be worked.
Die bisher gewählten Beispiele legten zwar einen rotationssymmetrischen Strahlquerschnitt zugrunde, jedoch sind die FEM- und Modellrechnungen ebenso für beliebige andere Strahlquerschnitte geeignet. Insbesondere kommen in der Lasermaterialbearbeitung häufig Linienlaser mit einem Strahlprofil zum Einsatz, wie er beispielhaft in
Für Multielement-Systeme beeinflusst die thermisch modifizierte Lichtpropagation in modellierten Linsen das Eintrittsbündel in nachfolgenden Elementen. Andererseits können bei Mitten- und Hinterblenden Simulationsergebnisse in Folgelinsen den Bündelquerschnitt in Vorgängerelementen modifizieren. Für solche Modellierungen ist – gemäß der schematischen Darstellung von
Die iterative Simulation der temperaturabhängigen Brechzahlinhomogenitäten kann wie folgt durchgeführt werden:
- – Ermitteln von Bündelparametern des auf das optische System anzuwendenden eingehenden Strahlenbündels,
- – FEM-Simulation von Temperaturprofilen in den optischen Elementen auf Basis der Bündelparameter und der für das (die) optische(n) Element(e) ermittelten Referenzbrechzahlen,
- – Ermitteln von Referenzbrechzahlen bei einer Referenzwellenlänge, einer Referenztemperatur sowie einem zugehörigen Koeffizienten thermischer Dispersion der im optischen System verwendeten Optikmaterialien,
- – Analyse des Brechzahlprofils durch Anwendung einer Standardform zur Brechzahlprofilbeschreibung und jeweilige Anpassung an das FEM-simulierte Temperaturverteilungsmodell durch angepasste Parametervektoren,
- – Einsetzen der angepasste Parametervektoren der Referenzbrechzahlen und der Koeffizienten thermischer Dispersion der verwendeten Optikmaterialien in eine modellierte benutzerdefinierte Oberfläche (UDS);
- – Simulation transienter Zustände des Brechzahlprofils für bestimmte Betriebsdauern des optischen Systems und Anpassen des Brechzahlprofils in Modellen des optischen Designs sowie modifizierter Bündelpropagation an allen Oberflächen des optischen Systems mittels einer Optikmodellierungssoftware,
- – wiederholtes Durchführen der Simulationen von Temperaturprofilen, Brechzahlprofilen und transienten Zuständen sowie Modellieren angepasster Modelle des optischen Designs und modifizierter Bündelpropagation, bis mindestens ein angepasstes Modell des Designs des optischen Systems bei den simulierten transienten Zuständen mindestens für eine definierte Betriebsdauer die gewünschten Spezifikationen vorgegebener optischer Gütekriterien erfüllt,
- – Implementieren wenigstens eines ausgewählten angepassten Modells des optischen Designs, für das bei den simulierten transienten Zuständen die spezifizierten Gütekriterien mindestens erfüllt oder übererfüllt sind, in das optische Design des optischen Systems als kompensierenden Vorhalt für betriebsbedingte (temperaturabhängige) Brechzahlinhomogenitäten.
- Determining beam parameters of the incoming beam to be applied to the optical system,
- FEM simulation of temperature profiles in the optical elements based on the bundle parameters and the reference refractive indices determined for the optical element (s),
- Determining reference refractive indices at a reference wavelength, a reference temperature and an associated coefficient of thermal dispersion of the optical materials used in the optical system,
- Analysis of the refractive index profile by use of a standard form for the refractive index profile description and respective adaptation to the FEM-simulated temperature distribution model by means of adapted parameter vectors,
- - inserting the adjusted parameter vectors of the reference refractive indices and the coefficients of thermal dispersion of the optical materials used into a modeled user-defined surface (UDS);
- Simulation of transient states of the refractive index profile for specific operating times of the optical system and adjustment of the refractive index profile in models of the optical design as well as modified beam propagation on all surfaces of the optical system by means of an optical modeling software,
- Repeatedly performing the simulations of temperature profiles, refractive index profiles, and transient states, and modeling adapted models of optical design and modified beam propagation until at least one adapted model of the optical system design meets the desired specifications of predetermined optical quality criteria for the simulated transient states for at least a defined operating time .
- Implementing at least one selected adapted model of the optical design for which the specified quality criteria are at least fulfilled or exceeded in the simulated transient states, in the optical design of the optical system as compensating derivative for operational (temperature-dependent) refractive index inhomogeneities.
Wie viele Iterationszyklen dabei notwendig oder sinnvoll sind, um die bestmögliche Anpassung des Objektivdesigns (Linsenprofil) an die unter vorgegebenen Betriebsdauern zu erwartenden thermischen Linsen als Vorhalt zu modellieren, ist im Wesentlichen von dem Optikdesign (Anzahl der optischen Elemente, optischen Materialien und ihrer thermischen Dispersion, Größe der Lufträume und verwendeten Beschichtungen) sowie von der Laserintensität (relative Brechkraft der thermischen Linsen im Verhältnis zur Nominalbrechkraft des optischen Systems) abhängig. How many iteration cycles are necessary or useful in order to model the best possible adaptation of the lens design to the thermal lenses to be expected under given operating times is essentially dependent on the optical design (number of optical elements, optical materials and their thermal dispersion , Size of the air spaces and coatings used) as well as the laser intensity (relative refractive power of the thermal lenses in relation to the nominal refractive power of the optical system) dependent.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 6650412 B1 [0003] US 6650412 B1 [0003]
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- US 6134039 A [0006] US 6134039 A [0006]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
-
Kunzmann et al. in „Charakterisierung von Laserstrahlung mittels Hartmann-Shack-Wellenfront-Sensor“ (in: Photonics 1/2005, ISSN 1432–9778) [0007] Kunzmann et al. in "Characterization of Laser Radiation by means of Hartmann-Shack Wavefront Sensor" (in:
Photonics 1/2005, ISSN 1432-9778) [0007] - ANSYSTM von ANSYS, Inc., Pennsylvania, USA; s. Präsentation auf ANSYS Conference & 31. CADFEM Usersmeeting, Mannheim, 19.–21. Juni 2013 [0045] ANSYSTM from ANSYS, Inc., Pennsylvania, USA; s. Presentation at ANSYS Conference & 31. CADFEM Users Meeting, Mannheim, 19.-21. June 2013 [0045]
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Kunzmann et al. in "Charakterisierung von Laserstrahlung mittels Hartmann-Shack-Wellenfront-Sensor" (in: Photonics 1/2005, ISSN 1432-9778) |
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