DE102014114253A1 - Method for compensating aberrations caused by thermal lens effects in an optic - Google Patents

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Hans-Jürgen Feige
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    • G02B27/0012Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines

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 US 6 509 702 B1 ein Verfahren zur Korrektur temperaturbedingter Fokussierfehler beschrieben, bei dem eine Blickfeldanzeige (HUD – engl. head-up display) mit einer Vielzahl von Linsen, die aus Plastikmaterial bestehen, und einer Halterung aus metallischem Material ausgestattet ist, wobei die Temperaturänderungen der Umgebung berücksichtigt werden durch mechanische Messungen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Plastik und Metall und deren nachfolgende Verwendung zur Steuerung der Bildposition. Eine sehr ähnliche thermische Kompensationsmaßnahme ist in der US 6 650 412 B1 offenbart, wobei in diesem Fall die Optik federnd gehaltert und parallel zur optischen Achse durch mehrere Polymer-Abstandshalter, die einen positiven linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, passiv (d. h. ohne aktive Mess- und Regelungseinheit) verschiebbar ist, sodass mit steigender Temperatur die Optik auf einen Detektor zubewegt wird. Noch ein weiteres Verfahren zur Reduktion thermischer Effekte in kompakten einstellbaren Objektiven ist aus der US 8 310 772 B2 bekannt geworden, bei dem für eine Linsengruppe ein Polymer-Linsenkörper vorhanden ist, der mittels Aktuatoren durch Steuersignale deformiert werden kann, um die Fokallänge der Linsengruppe anzupassen. So is in the US Pat. No. 6,509,702 B1 discloses a method of correcting for temperature-related focusing errors, in which a head-up display (HUD) is provided with a plurality of lenses made of plastic material and a support of metallic material, taking into account the temperature changes of the environment mechanical measurements of the different coefficients of expansion of plastic and metal and their subsequent use to control the image position. A very similar thermal compensation measure is in the US Pat. No. 6,650,412 B1 discloses in this case, the optics resiliently supported and parallel to the optical axis by a plurality of polymer spacers having a positive linear thermal expansion coefficient, passive (ie without active measuring and control unit) is displaceable, so that with increasing temperature, the optics on a Detector is moved. Yet another method for reducing thermal effects in compact adjustable lenses is the US 8 310 772 B2 has become known, in which for a lens group, a polymer lens body is present, which can be deformed by means of actuators by control signals to adjust the focal length of the lens group.

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 US 2002/0021724 A1 insbesondere für Laserresonatoren, in denen eine besonders gute Strahlqualität gefordert ist, offenbart. Dort werden thermische Kompensationselemente mit verschiedenen Materialeigenschaften in direkten Kontakt mit optischen Komponenten gebracht, um dieselbe radiale Temperaturverteilung wie im benachbarten optischen Element und so eine angepasste Kompensation zu erreichen. Die im Strahlengang eingesetzten rotationssymmetrischen Kompensationseinheiten bestehen aus Festkörpern und Kompensationsraum, der mit einem transparenten optischen Kompensationsmedium, das keine mechanischen Scherkräfte überträgt, gefüllt ist. Bei gleichem Brechungsindex von optischem Festkörper (z. B. Laserstab) und verformbarem Kompensationsmedium wird der thermische Linseneffekt nicht wirksam, da keine Fresnel-Reflexionen auftreten. A first approach for consideration of local radiation absorption and radial heat conduction with power-dependent temperature distribution and thermal dispersion (for producing a thermal lens) within the optics is in the US 2002/0021724 A1 in particular for laser resonators in which a particularly good beam quality is required disclosed. There, thermal compensation elements with different material properties are brought into direct contact with optical components in order to achieve the same radial temperature distribution as in the adjacent optical element and thus an adapted compensation. The rotationally symmetric compensation units used in the beam path consist of solids and compensation space which is filled with a transparent optical compensation medium which does not transmit any mechanical shear forces. With the same refractive index of optical solid (eg laser rod) and deformable compensation medium, the thermal lensing effect is not effective because no Fresnel reflections occur.

Ferner ist aus der US 6 134 039 A bekannt, ein wellenlängenabhängig thermisch kompensiertes optisches System für einen Scanner mit einer refraktiven Fokussieroptik und einem thermischen Kompensationselement auszustatten, wobei vor der Fokussieroptik ein diffraktives optisches Element (DOE) angeordnet ist, das durch seine andere thermische Charakteristik die Fokusverschiebung, die infolge der thermischen Ausdehnung der refraktiven Fokussieroptik entsteht, kompensiert. Für Anpassung und Test des Designs des DOE wurde eine Optikdesign-Software verwendet, die bei den Optical Research Associates, Pasadena, Kalifornien (USA) verfügbar ist. Zur Verifikation wurde dann eine weitere Optikdesign-Software ZEMAXTM von Focus Software, Inc., Tucson, Arizona (USA) verwendet. Furthermore, from the US 6 134 039 A It is known to provide a wavelength-dependent thermally compensated optical system for a scanner with a refractive focusing optics and a thermal compensation element, wherein a diffractive optical element (DOE) is arranged in front of the focusing optics, the focus shift due to the thermal expansion of the Refractive focusing optics arises, compensated. To customize and test the design of the DOE, optics design software available from Optical Research Associates, Pasadena, California (USA) was used. For verification, another optical design software ZEMAX from Focus Software, Inc., Tucson, Arizona (USA) was used.

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 Kunzmann et al. in „Charakterisierung von Laserstrahlung mittels Hartmann-Shack-Wellenfront-Sensor“ (in: Photonics 1/2005, ISSN 1432–9778) beschrieben. The last two solutions of the prior art have in common that radially-dependent temperature distributions that cause local thermal lens effects, although locally compensated can be compensated, but for additional, sometimes complex generated or complex held compensating compensation media must be introduced into the beam path, each additional element unwanted radiation attenuation and secondary aberrations generated. In both cases - without any explicit mention - exact measurements are required to determine wavefront aberrations, which were significantly simplified due to the latest optical measurement technology, especially for laser radiation. Such a beam diagnosis is for example of Kunzmann et al. in "Characterization of laser radiation by Hartmann-Shack wavefront sensor" (in: Photonics 1/2005, ISSN 1432-9778) described.

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.
According to the invention, the object is achieved by a method for the reduction of aberrations of an optical system that occur within at least one optical element of the optical system by forming a thermal lens as a result of applied concentrated high-energy radiation, with the following steps:
  • 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.
The procedure for determining the refractive index inhomogeneities and for compensating their effects is as follows:
  • 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
aufeinanderfolgend wiederholt durchgeführt werden, bis vorgegebene optische Gütekriterien des optischen Systems zumindest für eine definierte Betriebsdauer am besten erfüllt sind.Advantageously, the simulation of temperature-dependent refractive index inhomogeneities is carried out iteratively by determining the bundle parameters of the radiating high-energy beam, the determination of free diameters on the surfaces of the optical elements, starting from the simulation of temperature profiles of the optical system by FEM calculations, the adaptation of the state parameters of transient temperature distribution model; Implementation of user-defined surfaces in optics design using these state parameters, the simulation of the bundle propagation in the optical system, determination of the system performance and the thermally modified new bundle parameters are successively applied repeatedly. The temperature-dependent refractive index inhomogeneities are preferably simulated by
  • 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
be carried out repeatedly successively until predetermined optical quality criteria of the optical system are best satisfied at least for a defined operating time.

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:

1: Motivation und schematische Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 : Motivation and schematic outline of the method according to the invention;

2: eine bevorzugte Ausführung der Simulation der Brechzahlinhomogenitäten eines optischen Elements auf Basis der computergestützten FEM-Analyse des Temperaturprofils in Abhängigkeit von Materialparametern, der Geometrie des angewendeten Strahlenbündels und Umweltparametern, wie Temperatur und Wärmeleitfähigkeit der Elementumgebung; 2 a preferred embodiment of the simulation of the refractive index inhomogeneities of an optical element based on the computer-aided FEM analysis of the temperature profile as a function of material parameters, the geometry of the applied beam and environmental parameters, such as temperature and thermal conductivity of the element environment;

3: eine Temperatursimulation auf Basis der Methode der finiten Elemente (FEM) nach Modellanpassung für eine rotationssymmetrische Optik bei nichtsymmetrischem Strahlprofil; 3 : a temperature simulation based on the finite element method (FEM) after model adaptation for a rotationally symmetrical optics with non-symmetrical beam profile;

4: ein FEM-simuliertes Temperaturprofil einer Linse im Axialschnitt für ein Strahlenbündel mit begrenztem Bündelquerschnitt nach 450 s Strahlungseinwirkung; 4 : a FEM-simulated temperature profile of a lens in axial section for a beam bundle with a limited beam cross-section after 450 s radiation exposure;

5: eine dreidimensionale Gegenüberstellung des FEM-simulierten Temperaturprofils von 4 (Punkte) und der für die Systemoptimierung und Performance-Simulation genutzten angepassten Temperaturverteilung (Fläche) über dem Linsendurchmesser (in x-Richtung) und die Linsendicke (z-Richtung); 5 : a three-dimensional comparison of the FEM-simulated temperature profile of 4 (Points) and the adjusted temperature distribution (area) over the lens diameter (in x-direction) and the lens thickness (z-direction) used for system optimization and performance simulation;

6: eine dreidimensionale Darstellung des Residuums der Anpassung der Temperaturverteilung nach 450 s Strahlungseinwirkung in 5; 6 : a three-dimensional representation of the residual of the adaptation of the temperature distribution after 450 s of radiation exposure in 5 ;

7: ein Ausführungsbeispiel mit einer zweilinsigen Projektionsoptik im originalen sphärischen Zustand in einem 3D-Layout; 7 an embodiment with a two-lens projection optics in the original spherical state in a 3D layout;

8: Darstellungen FEM-modellierter Temperaturverteilungen im Axialschnitt einer Linse für verschiedene Strahlenbündel: a) schmales paralleles Laserbündel mit Volumenabsorption; b) breites, kollimiertes Laserbündel mit Volumenabsorption, c) breites kollimiertes Laserbündel mit Flächenabsorption, d) fokussiertes Laserbündel mit Volumenabsorption, e) kollimiertes Laserbündel mit unterschiedlicher Flächenabsorption an Ober- und Unterseite; 8th : Representations of FEM-modeled temperature distributions in the axial section of a lens for different beam bundles: a) narrow parallel laser bundle with volume absorption; b) broad, collimated laser bundle with volume absorption, c) broad collimated laser bundle with surface absorption, d) focused laser bundle with volume absorption, e) collimated laser bundle with different surface absorption on top and bottom;

9: ein Ausführungsbeispiel mit einer einlinsigen Projektionsoptik im originalen sphärischen Zustand in einem 3D-Layout; 9 an embodiment with a single-lens projection optics in the original spherical state in a 3D layout;

10: Auswanderung des Fokus durch thermische Effekte über die Zeit für ein unmodifiziertes System nach 9; 10 : Emigration of focus due to thermal effects over time for an unmodified system 9 ;

11: ein Vergleich der Temperatur am Linsenvertex in FEM-Simulation und Temperaturverteilungsmodell für die transienten Zustände zwischen 0,1 s und 900 s für die Projektionsoptik von 9; 11 : a comparison of the temperature at the lens vertex in FEM simulation and temperature distribution model for the transient states between 0.1 s and 900 s for the projection optics of 9 ;

12: eine FEM-Simulation der Temperaturverteilung für die Projektionsoptik von 9; 12 : a FEM simulation of the temperature distribution for the projection optics of 9 ;

13: eine Darstellung von Defokussierung nach drei verschiedenen Kriterien der Taillenlage und der Bündelgüte (Beugungsmaßzahl M2) über der Zeit für eine original sphärische Linse (Suprasil); 13 : a representation of defocusing according to three different criteria of the waist position and the bundle quality (diffraction factor M 2 ) over time for an original spherical lens (Suprasil);

14: eine Darstellung von Defokussierung nach drei verschiedenen Kriterien der Taillenlage und der Bündelgüte (Beugungsmaßzahl M2) über der Zeit für eine modellierte asphärische Linse (Suprasil); 14 FIG. 3: shows defocusing according to three different criteria of waist position and bundle quality (diffraction factor M 2 ) over time for a modeled aspherical lens (Suprasil); FIG.

15: eine grafischer Vergleich der Variation von Defokussierung und M2 für das sphärische Originaldesign aus 13 und die „asphärisierte“ Version von 14 über der Zeit; 15 : A graphical comparison of the variation of defocusing and M 2 for the original spherical design 13 and the "aspherized" version of 14 over time;

16: den RMS-Wellenfrontfehler in Abhängigkeit von der Expositionszeit für zwei Designvarianten eines zweilinsigen optischen Systems mit „asphärisierten“ Linsen, die jeweils für optimale Abbildung nach 2s beziehungsweise 450s optimiert worden sind; 16 : the RMS wavefront error versus exposure time for two design variants of a two-lens optical system with "aspherized" lenses optimized for optimal imaging after 2s and 450s, respectively;

17: den RMS-Wellenfrontfehler in Abhängigkeit von der Expositionszeit für vier Varianten eines zweilinsiges System mit unterschiedlich asphärisierten Designs, optimiert auf beste Performance über verschiedene Bestrahlungzeiträume; 17 : the RMS wavefront error as a function of the exposure time for four variants of a two-lane system with differently aspherized designs, optimized for best performance over different irradiation periods;

18: ein gemessener Intensitätsquerschnitt eines nicht rotationssymmetrischen Laserbündels, das eine Temperaturverteilung gemäß 3 erzeugt; 18 : a measured intensity cross section of a non-rotationally symmetrical laser beam, the temperature distribution according to 3 generated;

19: eine schematische Darstellung der Fit-Funktion zur Modellierung der Temperaturverteilung für einen Bündelquerschnitt gemäß 18 und 19 : a schematic representation of the fit function for modeling the temperature distribution for a bundle cross-section according to 18 and

20: ein Schema der Strategie zur iterativen Simulation. 20 : a schema of the iterative simulation strategy.

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.
The above procedure is broken down into the following more detailed steps:
  • 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.

1 verdeutlicht die Analyse, die dem oben dargestellten Verfahren zugrunde liegt. Die in Optikdesignsoftware implementierten Standardmittel zur Beschreibung von nicht konstanten Brechzahlverteilungen über das Volumen (GRIN-Flächen) haben sich nach Inspektion der vorhandenen Daten (FEM-simulierte Temperaturverteilungen, Bündelparameter und thermische Dispersionseigenschaften der verwendeten Materialien) als im Allgemeinen nicht geeignet zur Untersuchung der thermischen Linseneffekte erwiesen. Ursache ist unter anderem, dass die Temperaturverteilungen in den optisch wirksamen Elementen sehr Lichtbündel-spezifisch sind, und häufig durch Schichtabsorption mitbestimmt werden. Als Alternative wurde daher die Darstellung der thermischen Effekte durch frei programmierbare benutzerdefinierte Flächen (UDS) gewählt. Diese ermöglichen die weitgehend freie Beschreibung der Brechzahlverteilung als DLL, zum Beispiel in C++ erzeugt. Die Anpassungsparameter der FEM-simulierten Temperaturfeldes an das verwendete sehr allgemeine Temperaturmodell werden an die UDS übergeben und bestimmen so den Brechzahlverlauf im optischen Element. Zur Verifikation der Softwareimplementierung wurden einige praxisferne Spezialfälle, die sich alternativ auch mit Standard-GRIN-Flächen beschreiben lassen untersucht, und die Identität der Wirkung festgestellt. 1 illustrates the analysis underlying the above procedure. The standard means of describing non-uniform volume fractional refractive index distributions (GRIN surfaces) implemented in optical design software have generally not been suitable for investigating thermal lensing effects after inspection of existing data (FEM-simulated temperature distributions, bundle parameters, and thermal dispersion properties of the materials used) proved. One of the reasons is that the temperature distributions in the optically active elements are very light beam-specific, and are often determined by layer absorption. As an alternative, therefore, the representation of the thermal effects by freely programmable user defined areas (UDS) was chosen. These allow the largely free description of the refractive index distribution as a DLL, for example generated in C ++. The adaptation parameters of the FEM-simulated temperature field to the very general temperature model used are transferred to the UDS and thus determine the refractive index profile in the optical element. In order to verify the software implementation, some practical special cases, which could alternatively be described with standard GRIN surfaces, were examined and the identity of the effect determined.

Dabei umfasst die Simulation der Brechzahlinhomogenitäten des optischen Systems eine Simulation von Temperaturprofilen mittels der Methode der finiten Elemente (FEM), wie sie in 2 schematisch dargestellt ist. Mittels einer kommerziell verfügbaren Software (z. B. ANSYSTM von ANSYS, Inc., Pennsylvania, USA; s. Präsentation auf ANSYS Conference & 31. CADFEM Usersmeeting, Mannheim, 19.–21. Juni 2013 ) werden unter Einbeziehung von Durchmessern und geometrischen Verhältnissen der verwendeten Strahlenbündel der energiereichen Strahlung (z. B. kollimierte oder fokussierte Laserstrahlung) sowie von Materialeigenschaften aus Datenblättern des verwendeten optischen Materials, z. B. Suprasil (Suprasil ist ein Produktname für ein Quarzglas von HERAEUS Quarzglas GmbH & Co. KG), sowie unter Nutzung vorbekannter Angaben des optischen Systems und geeigneter Annahmen über Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und -übergangskoeffizienten des Optikmaterials und angrenzender Medien und Strukturen der Optikfassung die FEM-Berechnungen der Temperaturprofile der optischen Elemente des optischen Systems ausgeführt. Das Ergebnis einer durchgeführten FEM-Temperatur-Simulation für eine optische Komponente (Linse) ist in 3 als 3D-Ebenendarstellung gezeigt. Aus einer allgemeinen analytischen Darstellung der Brechzahlverteilung und deren räumlichen Ableitungen kann in einer geeigneten Programmiersprache (z. B. C++) eine benutzerdefinierte Oberfläche (UDS) modelliert werden, mit der in einer geeigneten Optikdesign-Software (z. B. ZEMAXTM von Focus Software, Inc., USA, oder Code VTM von SYNOPSYS Inc., USA) eine Anpassung an die gegebene Situation durch Eingabe eines Fitparametervektors erreicht wird. Zur Eingabe in die UDS sind des Weiteren nominale Referenzbrechzahlen für Referenzwellenlängen und Referenztemperaturen sowie Koeffizienten der thermischen Dispersion aus den Datenblättern der verwendeten optischen Materialien bereitzustellen. Die Brechzahlen n für eine bestimmte Wellenlänge λ und Temperatur T lassen sich damit beispielsweise nach der folgenden Gleichung (Quelle: SCHOTT Glass Technologies, Inc.) berechnen:

Figure DE102014114253A1_0002
wobei ∆T die Temperaturdifferenz zur Referenztemperatur des Glases, D0 bis D2, E0 bis E1 zugehörige Koeffizienten und λtk vom Glashersteller bereitgestellte Konstanten sind. Nach Einfügen (Modellieren) der UDS in die Optikdesign-Software und die damit ermöglichte Übergabe der Parameter an die UDS steht eine Repräsentation der thermischen Effekte im Optikdesign zur Verfügung, die die Nutzung aller durch die verwendete Optikdesign-Software (Lens Design Program) bereitgestellten Analysetools ermöglicht. In einem nächsten Schritt wird dadurch in der Optikdesign-Software die Möglichkeit zur Untersuchung und Bewertung der transienten Systemzustände für bestimmte Betriebsdauern des optischen Systems eröffnet. Darüber hinaus werden Designvarianten (angepasste Modelle) des optischen Systems erstellt, die geforderte optische Gütekriterien für vorgegebene definierte Betriebsdauern am besten erfüllen. Diese optischen Systeme mit optimierten Arbeitspunkt, oder athermalisiert über einen weiten Bereich, können dann nach Bedarf gefertigt werden. The simulation of the refractive index inhomogeneities of the optical system includes a simulation of temperature profiles using the finite element method (FEM) as described in 2 is shown schematically. By means of commercially available software (eg ANSYSTM from ANSYS, Inc., Pennsylvania, USA; s. Presentation at ANSYS Conference & 31. CADFEM Users Meeting, Mannheim, 19.-21. June 2013 ) Including diameters and geometrical relationships of the beam used the high-energy radiation (eg collimated or focused laser radiation) as well as material properties from data sheets of the optical material used, eg. B. Suprasil (Suprasil is a product name for a quartz glass of HERAEUS Quarzglas GmbH & Co. KG), as well as using known information of the optical system and appropriate assumptions about heat capacity, thermal conductivity and transition coefficients of the optical material and adjacent media and structures of the optical socket the FEM Calculations of the temperature profiles of the optical elements of the optical system carried out. The result of a performed FEM temperature simulation for an optical component (lens) is in 3 shown as a 3D layer image. From a general analytical representation of the refractive index distribution and its spatial derivatives, a user-defined surface (UDS) can be modeled in a suitable programming language (eg C ++) using suitable optical design software (eg ZEMAX from Focus Software , Inc., USA, or Code V of SYNOPSYS Inc., USA) an adaptation to the given situation is achieved by entering a fit parameter vector. Furthermore, nominal reference refractive indices for reference wavelengths and reference temperatures as well as coefficients of thermal dispersion from the data sheets of the optical materials used are to be provided for input into the UDS. The refractive indices n for a specific wavelength λ and temperature T can thus be calculated, for example, according to the following equation (source: SCHOTT Glass Technologies, Inc.):
Figure DE102014114253A1_0002
where ΔT is the temperature difference to the reference temperature of the glass, D 0 to D 2 , E 0 to E 1 are associated coefficients, and λ tk are constants provided by the glass manufacturer. After inserting (modeling) the UDS into the optical design software and allowing the parameters to be transferred to the UDS, a representation of the thermal effects in the optics design is available, using all the analysis tools provided by the Lens Design Program software allows. In a next step, this opens up the opportunity in optics design software to examine and evaluate the transient system states for specific operating times of the optical system. In addition, design variants (adapted models) of the optical system are created that best meet the required optical quality criteria for specified defined service lives. These optical systems with optimized operating point, or athermalized over a wide range, can then be manufactured as needed.

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 8a bis 8e dargestellt, die weiter unten noch näher erläutert werden. In order to analyze and simulate the refractive index profiles, in addition to the temperature distribution in the optical component, bundle parameters of the high-energy radiation applied to the optical system, such as bundle diameter, focus / waist positions, divergence, astigmatism and mode structure, must be entered. This database forms an input data set for the FEM temperature simulation. A selection of determined 2D temperature profiles in the axial section of an optical component (lens) is available for different beam profiles in 8a to 8e represented, which will be explained in more detail below.

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 4 gezeigt. Im Querschnitt der Linse wird dieses Ergebnis der FEM-Simulation in 5 als Punktwolke dem angepassten allgemeinen Temperaturmodell (Fläche) gegenübergestellt. In der Darstellung ist die Temperatur in vertikaler Richtung aufgetragen und die Horizontalebene wird von Linsendicke (z-Richtung) und Linsendurchmesser (x-Richtung) aufgespannt. Deutlich erkennbar sind die Temperaturmaxima an den Ein- und Austrittsorten des Strahlenbündels an der Linsenoberfläche, die zur Ausbildung von lokalen thermischen Linsen und damit zu Brechzahlinhomogenitäten im Bereich des Strahldurchtritts durch die Linse führen. An die Punktwolke angeschmiegt ist als Oberfläche die Temperaturverteilung entsprechend dem gefitteten allgemeinen analytischen Temperaturmodell dargestellt. 6 zeigt das Residuum zwischen beiden Temperaturverteilungen aus 5. Zur Bewertung der Güte der Anpassung des allgemeinen Temperaturmodells an das FEM-modellierte Temperaturfeld wurde die adjustierte Pearson-Korrelation verwendet. Sie ist ein Standardmaß zur Charakterisierung der Güte einer multivarianten Anpassung an eine Punktmenge metrischer (intervallskalierter) Variablen. Das Quadrat der Pearson-Korrelation R2 ist ein Maß für den erklärten Anteil der Variabilität (Varianz) einer abhängigen Variablen durch ein statistisches Modell. Die freiheitsgrad-adjustierte Korrelation R2 wird wie folgt berechnet:

Figure DE102014114253A1_0003
wobei

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.
A typical temperature profile of a refractive optical element after 450 s exposure time of a beam of high-energy radiation, as calculated by means of the ANSYS software for a selected test object, a biconvex lens, is in 4 shown. In the cross section of the lens, this result of the FEM simulation in 5 as a point cloud compared to the adapted general temperature model (area). In the illustration, the temperature is applied in the vertical direction and the horizontal plane is spanned by lens thickness (z-direction) and lens diameter (x-direction). Clearly visible are the temperature maxima at the entry and exit points of the beam at the lens surface, which lead to the formation of local thermal lenses and thus to refractive index inhomogeneities in the beam passing through the lens. Connected to the point cloud, the temperature distribution according to the fitted general analytical temperature model is shown as the surface. 6 shows the residual between both temperature distributions 5 , To evaluate the quality of the adaptation of the general temperature model to the FEM-modeled temperature field, the adjusted Pearson correlation was used. It is a standard measure for characterizing the quality of a multivariant fit to a set of metric (interval-scaled) variables. The square of the Pearson correlation R 2 is a measure of the declared proportion of the variability of a dependent variable by a statistical model. The freedom-adjusted correlation R 2 is calculated as follows:
Figure DE102014114253A1_0003
in which
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 8 sind FEM-Berechnungen der Temperatur in einer konvexen Quarz-Linse unter Berücksichtigung von Strahlprofilen und Absorptionsverhalten des optischen Elementes gezeigt. 8a zeigt das Temperaturprofil für ein sehr schmales Strahlungsbündel bei dominierender Volumenabsorption des Materials der Linse. In 8b ist die Temperaturverteilung, die ein breiteres Bündel erzeugt, bei dominierender Volumenabsorption gezeigt. In 8c ist das Temperaturprofil für ein breites Strahlungsbündel bei auftretender Oberflächenabsorption an zusätzlich eingefügten absorbierenden Schichten dargestellt. Im Gegensatz dazu zeigt das Temperaturprofil in der konvexen Linse von 8d erneut Volumenabsorption bei einem fokussierten Strahlungsbündel. 8e zeigt dann nochmals einen Fall von Oberflächenabsorption mit unterschiedlicher Ausprägung der Absorption an der Bündeleintritts- und der Bündelaustrittsfläche. In 8th FEM calculations of the temperature in a convex quartz lens are shown taking into account beam profiles and absorption behavior of the optical element. 8a shows the temperature profile for a very narrow radiation beam with dominant volume absorption of the material of the lens. In 8b For example, the temperature distribution that produces a broader bundle is shown to be dominant in volume absorption. In 8c the temperature profile for a broad radiation beam is shown when surface absorption occurs on additionally inserted absorbent layers. In contrast, the temperature profile in the convex lens of 8d again volume absorption with a focused radiation beam. 8e shows again a case of surface absorption with different expression of the absorption at the bundle entry and the bundle exit surface.

Erstes Ausführungsbeispiel First embodiment

9 zeigt als Testobjekt eine einlinsige Projektionsoptik aus Quarzglas (z. B. HERAEUS [Heraeus Quarzglas GmbH & Co.KG]) mit einer Brennweite f’ = 54 mm. Die originale sphärische Ausführung weist einen RMS-Wellenfrontfehler von 0,3 λ bis 0,6 λ bei apodisiertem Integrationsgebiet bis zu einem Radius von 2·1/e2...3·1/e2 auf. 9 shows as a test object a single-lens projection optics made of quartz glass (eg HERAEUS [Heraeus Quarzglas GmbH & Co.KG]) with a focal length f '= 54 mm. The original spherical design has an RMS wavefront error of 0.3 λ to 0.6 λ in the apodized integration region up to a radius of 2 · 1 / e 2 · 3 · 1 / e 2 .

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. 10 verdeutlicht dazu die temperaturbedingte Auswanderung des Fokus (bezüglich eines minimierten encircled energy – Wertes). In a focus optimized with respect to the RMS wavefront error, the aperture error (standard Zernike coefficient) is 0.23λ. Thus, the image-side bundle initially has a diffraction factor M 2 = 3 (as an optical quality criterion). 10 illustrates the temperature - related emigration of the focus (with respect to a minimized encircled energy value).

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 11 ist die Temperatur am Eintrittsvertex entsprechend FEM-Simulation (durchgezogene Kurve) und gefittetem analytischen Profil (gepunktete Kurve) für transiente Zustände von 0,1 s bis 900 s gegenüber gestellt. Die Starttemperatur wurde mit 22°C gewählt und dann die nachfolgende Temperaturentwicklung simuliert: T[°C] @10s @200s @900s Tmax 23,0 32,5 43,8 Tmin 22,5 31,9 43,2 ∆T 0,54 0,62 0,64 To simulate the behavior of well-corrected optics, an opening-error-corrected aspherical variant of the aforementioned projection optics from Suprasil was therefore modeled and generated. The asphere points with a virtually zero corrected aperture error, an RMS wavefront error of 6 μλ to 4 mλ. The result is the quality criterion of the diffraction factor to M 2 (t = 0) = 1. In 11 the temperature at the entry vertex is compared with the FEM simulation (solid curve) and the fitted analytical profile (dotted curve) for transient states from 0.1 s to 900 s. The starting temperature was chosen at 22 ° C and then simulated the following temperature evolution: T [° C] @ 10s @ 200s @ 900s T max 23.0 32.5 43.8 T min 22.5 31.9 43.2 .DELTA.T 0.54 0.62 0.64

12 zeigt das Ergebnis der Temperatursimulation für einen spezifischen Zeitpunkt in perspektivischer Darstellung der Projektionsoptik mit einem Axialschnitt. 12 shows the result of the temperature simulation for a specific time in perspective view of the projection optics with an axial section.

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. Zustand SSE R2 R2adj RMSE 100ms 0,8018 0,9941 0,9941 0,0095 300ms 0,8018 0,9941 0,9941 0,0095 500ms 0,6562 0,9875 0,9875 0,0086 2000ms 0,5498 0,9975 0,9975 0,0079 1000ms 0,6997 0,9939 0,9939 0,0089 450000ms 0,8614 0,9987 0,9987 0,0119 900000ms 0,9451 0,9986 0,9986 0,0124 Tab. 1: Varianzaufklärung des simulierten Modells mittels ausgewählter transienter Zustände über der Zeit Table 1 gives for 7 transient system states of a test set the sum of the square deviations of the simulation point of the model (SSE), the classical and adjusted variance explanation (square of the correlation R 2 and R 2 adj ) of the FEM simulation by the general analytical model and the RMS Error (RMSE). The variance explanation according to the above equation results for all times t i to R 2 adj ≥ 99%, which represents a nearly optimal fit. Status SSE R2 R2adj RMSE 100ms .8018 .9941 .9941 0.0095 300ms .8018 .9941 .9941 0.0095 500ms .6562 .9875 .9875 0.0086 2000ms .5498 0.9975 0.9975 0.0079 1000ms .6997 .9939 .9939 0.0089 450000ms .8614 0.9987 0.9987 0.0119 900000ms .9451 0.9986 0.9986 0.0124 Table 1: Variance explanation of the simulated model by means of selected transient states over time

Die 13 und 14 zeigen die Defokussierung des aus dem optischen System (mit einer Linse aus Suprasil) austretenden Strahlenbündels sowie die Beugungsmaßzahl M2, aufgetragen über die Zeit bei originaler Test-Linse (13) und „asphärisierter“ Test-Linse (14) der Projektionsoptik. The 13 and 14 show the defocusing of the beam emerging from the optical system (with a lens made of Suprasil) as well as the diffraction factor M 2 plotted against time with the original test lens ( 13 ) and "aspherized" test lens ( 14 ) of the projection optics.

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 13 sind die zeitlichen Verläufe der optischen Gütekriterien für das originale sphärisch geformte optische Element dargestellt, während in 14 die Verläufe für die asphärisierte Linsenform erfasst sind. Dabei ist zu erkennen, dass sich bei der Asphäre im Vergleich zum sphärischen Design einerseits die Defokussierung betragsmäßig deutlich verringert, und sich andererseits die Bündelgüte M2 nach 2 s einem reduzierten Niveau langsam asymptotisch annähert. Tabelle 2 zeigt dafür die ermittelten Daten für verschiedene Gütekriterien. TestSet RMS wave front error 0,3λ RMS wave front error 4mλ t [sec] r(EcE) [µm] Defok. [mm] M2 r(EcE) [µm] Defok. [mm] M2 0 50,5 0,000 3,1 37,6 0,000 1,0 0,1 50,1 –0,091 2,9 37,6 –0,032 1,0 0,3 49,6 –0,250 2,6 37,6 –0,079 1,2 0,5 49,4 –0,315 2,6 37,6 –0,101 1,3 1 49,2 –0,537 2,4 37,6 –0,155 1,4 2 48,8 –0,648 2,4 37,6 –0,154 1,5 450 48,4 –1,142 2,3 37,7 –0,573 1,6 900 48,4 –1,150 2,3 37,7 –0,572 1,6 Tab. 2: Darstellung verschiedener Gütekriterien für das originale und das korrigierte Linsenmodell bei ausgewählten transienten Zuständen über der Zeit und einem fast auf ein Tausendstel verringerten Wellenfrontfehler The defocusing is given with respect to three different possible criteria: Minimum RMS radius of the point spread image functions (PSF) for two different Gaussian-shaped pupil apodizations and a z-position with minimum circular area with energy content 86.5%, calculated with "Physical Optics Propagation" (POP) in ZEMAX. In addition to the defocusing, the time evolution of the bundle quality (eg diffraction factor M 2 ) is also plotted. In 13 FIG. 2 shows the time profiles of the optical quality criteria for the original spherical-shaped optical element, while FIG 14 the courses are recorded for the aspherized lens mold. It can be seen that in the asphere compared to the spherical design on the one hand, the defocusing significantly reduced in amount, and on the other hand, the bundle quality M 2 after 2 s slowly approaches a reduced level asymptotically. Table 2 shows the determined data for different quality criteria. TestSet RMS wave front error 0.3λ RMS wave front error 4mλ t [sec] r (EcE) [μm] DefOK. [Mm] M 2 r (EcE) [μm] DefOK. [Mm] M 2 0 50.5 0,000 3.1 37.6 0,000 1.0 0.1 50.1 -0.091 2.9 37.6 -0.032 1.0 0.3 49.6 -0,250 2.6 37.6 -0.079 1.2 0.5 49.4 -0.315 2.6 37.6 -0.101 1.3 1 49.2 -0.537 2,4 37.6 -0.155 1.4 2 48.8 -0.648 2,4 37.6 -0.154 1.5 450 48.4 -1.142 2.3 37.7 -0.573 1.6 900 48.4 -1.150 2.3 37.7 -0.572 1.6 Tab. 2: Representation of different quality criteria for the original and the corrected lens model at selected transient states over time and a wavefront error reduced to almost one thousandth

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)
As a criterion for the defocusing (z-focal position) different definitions are possible:
  • - 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 15 nochmals für Sphäre und modellierte Asphäre des im Beispiel gewählten optischen Elements (einlinsige Projektionsoptik) in unmittelbarer Gegenüberstellung aufgetragen. Für die Test-Linse (aus Suprasil) sind jeweils die Gütekriterien Defokussierung und Beugungsmaßzahl M2 für die Modelle „original sphärisch“ und mit „Asphärisierung“ dargestellt, wobei der resultierende RMS-Wellenfrontfehler 0,3 λ (sphärisch) zu 0,004 λ (asphärisch) im Nominaldesign (kalt/t = 0) verringert ist. Die Rayleigh-Länge des Arbeitsstrahlenbündels beträgt in diesem Beispiel 4,69 mm. The temporal behavior of the quality criteria defocusing and diffraction factor M 2 is in 15 plotted again for sphere and modeled asphere of the optical element selected in the example (single-lens projection optics) in direct comparison. For the test lens (from Suprasil), the quality criteria defocusing and diffraction factor M 2 are shown for the models "original spherical" and with "aspherization", whereby the resulting RMS wavefront error is 0.3 λ (spherical) to 0.004 λ (aspherical ) is reduced in the nominal design (cold / t = 0). The Rayleigh length of the working beam is 4.69 mm in this example.

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 7 dargestellt ist. In Tabelle 3 sind bei zwei unterschiedlich „asphärisierten“ Systemvarianten, bei denen die beste Abbildung (markiert) für jeweils einen Zustand nach Betriebsdauern von 450 s bzw. von 2 s optimiert wurde, die Gütekriterien, wie RMS-Wellenfrontfehler (RWCE), Kreisradius [r(EcE)], in dem 86,5% der Energie liegen (Diffraction Encircled Energy) und Defokussierung, für mehrere transienten Zustände simuliert dargestellt worden t(Korr) = 450 sec t(Korr) = 2 sec t [sec] RWCE [mλ] r(EcE) [µm] Defok. [mm] RWCE [mλ] r(EcE) [µm] Defok. [mm] 0 16,7 28,8 0,414 9,2 28,5 0,105 0,1 15,8 28,7 0,404 8,4 28,5 0,095 0,3 14,5 28,6 0,388 7,0 28,5 0,079 0,5 13,7 28,6 0,378 6,2 28,4 0,069 1 11,5 28,5 0,352 4,1 28,4 0,043 2 8,6 28,4 0,309 2,3 28,4 0,000 450 2,4 28,3 0,000 7,9 28,5 –0,311 900 2,4 28,2 –0,023 8,0 28,5 –0,334 Tab. 3: Transiente Zustände bei Betriebsdauern zwischen 0 und 900 s berechnet für zwei simulierte Modelle mit optimierter Korrektur für jeweils eine definierte Betriebsdauer (450 s bzw. 2 s) Heretofore, in order to explain the principle of the invention, the optical system has been limited to a single lens (Suprasil test lens). Subsequently, however, it should be shown that the invention is also applicable to multi-lens optics. In this example, a two-lens optical system is investigated, which is exemplified in 7 is shown. In Table 3, in two differently "aspherized" system variants where the best map (marked) was optimized for each state after 450 s and 2 s, respectively, the quality criteria such as RMS wavefront error (RWCE), circle radius [ r (EcE)], in which 86.5% of the energy (Diffraction Encircled Energy) and defocusing, have been simulated for several transient states t (corr) = 450 sec t (corr) = 2 sec t [sec] RWCE [mλ] r (EcE) [μm] DefOK. [Mm] RWCE [mλ] r (EcE) [μm] DefOK. [Mm] 0 16.7 28.8 0.414 9.2 28.5 0.105 0.1 15.8 28.7 0.404 8.4 28.5 0,095 0.3 14.5 28.6 0.388 7.0 28.5 0.079 0.5 13.7 28.6 0,378 6.2 28.4 0,069 1 11.5 28.5 0.352 4.1 28.4 0.043 2 8.6 28.4 0.309 2.3 28.4 0,000 450 2,4 28.3 0,000 7.9 28.5 -0.311 900 2,4 28.2 -0.023 8.0 28.5 -0.334 Tab. 3: Transient states at operating times between 0 and 900 s calculated for two simulated models with optimized correction for each defined operating time (450 s or 2 s)

In 16 ist für die zwei unterschiedlich „asphärisierten“ Modelle (gemäß Tabelle 3), der zeitliche Verlauf des RMS-Wellenfrontfehlers und Z-Position der besten Auffangebene in Abhängigkeit von der Expositionszeit über Betriebsdauern von 0–900 s dargestellt. Als Ergebnis ist ablesbar, dass der Wellenfrontfehler für die thermische Korrektur für Betriebsdauern von 450 s bereits nach 2 s kleine und noch weiter fallende Werte annimmt, während der Wellenfrontfehler für die auf eine Betriebsdauer von 2 s optimierte Asphäre im Bereich bis 2 s sehr schnell auf kleine Werte abfällt und danach aber wieder deutlich ansteigt. Im Intervall zwischen 20 und 70 s sind beide modellierten Systemvarianten etwa gleichwertig, aber mit unterschiedlicher Tendenz ihrer Korrektur. Es kommt also auf die vorgegebenen Betriebsdauern (Einwirkung der energiereichen Strahlung) an, welches Modell der „Asphärisierung“ den Vorzug haben sollte. In 16 is shown for the two differently "aspherized" models (according to Table 3), the time course of the RMS wavefront error and the Z-position of the best capture level as a function of the exposure time over operating times of 0-900 s. As a result, it can be seen that the wavefront error for the thermal correction for operating times of 450 s already assumes small and still falling values after 2 s, while the wavefront error for the asphere optimized for an operating time of 2 s is very fast in the range up to 2 s small values drops and then increases significantly again. In the interval between 20 and 70 s both modeled system variants are approximately equivalent, but with different tendency of their correction. It depends on the given operating times (exposure to high-energy radiation), which model of "aspherization" should have preference.

Die in 16 eingezeichneten Graphen sind auf die Werte in nachfolgender Tabelle 4 gestützt, wobei in den zwei Spalten definierte transiente Zustände für zwei unterschiedlich modellierte Asphären simuliert sind, deren thermische Korrektur auf Betriebsdauern von 450 s und 2 s ausgelegt ist. Die farbig markierten Zeilen verdeutlichen den Zustand geringster Defokussierung unter allen transienten Zuständen zwischen 0 und 900s. In the 16 plotted graphs are based on the values in Table 4 below, where transient states defined in the two columns are simulated for two differently modeled aspheres whose thermal correction is designed for operating times of 450 s and 2 s. The color-coded lines illustrate the state of least defocusing under all transient states between 0 and 900s.

17 stellt dazu den RMS-Wellenfrontfehler in Abhängigkeit von der Expositionszeit für vier Varianten des gewählten zweilinsigen Systems mit unterschiedlich asphärisierten Designs, optimiert auf beste Performance über verschiedene Bestrahlungzeiträume. dar, Die Systemvarianten besitzen entweder eine (Tabelle 4a) oder zwei (Tabelle 4b) asphärisierte Flächen.

Figure DE102014114253A1_0004
Tab. 4a: Modellrechnungen für verschiedene transiente Zustände bei zweilinsiger Optik mit einer asphärisierten Oberfläche.
Figure DE102014114253A1_0005
Tab. 4b: Modellrechnungen für verschiedene transiente Zustände bei zweilinsiger Optik mit zwei asphärisierten Oberflächen. 17 provides the RMS wavefront error as a function of the exposure time for four variants of the selected two-lane system with differently aspherized designs, optimized for best performance over different irradiation periods. The system variants have either one (Table 4a) or two (Table 4b) aspherized surfaces.
Figure DE102014114253A1_0004
Tab. 4a: Model calculations for different transient states in two-lens optics with an aspherized surface.
Figure DE102014114253A1_0005
Tab. 4b: Model calculations for different transient states in two-lens optics with two aspherized surfaces.

Die in 17 durchgezogene Linie weist ein für den kalten Zustand optmiertes optisches System aus. Im Betriebszustand erhält man einen kaum tolerablen RMS-Wellenfrontfehler. Dies entspricht praktisch dem Stand der Technik Dagegen weist die Zwei-Flächen-Asphärisierung für eine Betriebsdauer von mehr als 2 s bereits einen akzeptablen RMS-Wellenfrontfehler aus, der deutlich besser ist als das mit nur einer Asphäre korrigierte Modell für Betriebsdauern von mehr als 450 s. Die Nutzung von 2 Asphären ermöglicht darüber hinaus eine Optimierung auf einen athermalen Systemzustand, der über die gesamte Betriebszeit einen RMS-Wellenfrontfehler < 5 mλ hat (untere gestrichelte Kurve in 17). In the 17 solid line indicates a optically optimized for the cold state optical system. In operation, a barely tolerable RMS wavefront error is obtained. On the other hand, the two-surface aspherization for an operating time of more than 2 s already exhibits an acceptable RMS wavefront error, which is significantly better than the one-sphere corrected model for operating times of more than 450 s , The use of 2 aspheres also allows an optimization to an athermal system state, which has an RMS wavefront error <5 mλ over the entire operating time (lower dashed curve in 17 ).

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 18 als Profil des Lichtstroms (flux distribution) über der Orthogonalebene der Stahlausbreitungsrichtung (z) dargestellt ist. Für einen solchen Strahlquerschnitt treten die Brechzahlinhomogenitäten in gleicher Weise auf und können durch entsprechenden Vorhalt im Optikdesign berücksichtigt werden. 19 zeigt dazu eine an die oben beschriebenen FEM-Rechnungen angepasste nicht rotationssymmetrische Temperaturverteilungsfunktion. Although the examples chosen so far used a rotationally symmetric beam cross-section, the FEM and model calculations are also suitable for any other beam cross-sections. In particular, laser lasers often use line lasers with a beam profile, as exemplified in US Pat 18 is shown as a profile of the flux distribution over the orthogonal plane of the steel propagation direction (z). For such a beam cross section, the refractive index inhomogeneities occur in the same way and can be taken into account by appropriate provision in the optical design. 19 shows a non-rotationally symmetric temperature distribution function adapted to the FEM calculations described above.

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 20 – davon auszugehen, dass rekursive Modellierungszyklen erforderlich werden, die mit den ermittelten Temperaturprofilen eine Simulation der Temperaturverteilung in den Linsen vornehmen, daraus freie Durchmesser der Linsenoberflächen errechnen und mit diesen Ergebnissen eine Verbesserung der FEM-Berechnungen des Temperaturprofils vornehmen etc. For multi-element systems, thermally modified light propagation in modeled lenses affects the entrance bundle in subsequent elements. On the other hand, simulation results in subsequent lenses can modify the bundle cross-section in predecessor elements in the case of center and rear diaphragms. For such models is - according to the schematic representation of 20 Assume that recursive modeling cycles are required, which use the determined temperature profiles to simulate the temperature distribution in the lenses, calculate free diameters of the lens surfaces from them, and use these results to improve the FEM calculations of the temperature profile, etc.

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.
The iterative simulation of the temperature-dependent refractive index inhomogeneities can be carried out as follows:
  • 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.

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  • 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]

Claims (12)

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: – 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 ohne Einwirkung des Strahlenbündels der energiereichen Strahlung derart, dass die Brechzahlinhomogenitäten für definierte Betriebsdauern der Einwirkung des Strahlenbündels minimiert oder kompensiert werden.  A method for reducing aberrations of an optical system that occur within at least one optical element of the optical system by forming a thermal lens as a result of applied concentrated high-energy radiation, comprising the steps of: 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 Vorhalts of refractive index inhomogeneities of the at least one optical element in a zero state 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. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zur Ermittlung der Brechzahlinhomogenitäten weiterhin aufweist: – Simulation von temperaturabhängigen Brechzahlinhomogenitäten auf Basis von – Ermittlung von Bündelparametern des auf das optische System anzuwendenden definierten Strahlenbündels; – Berechnung einer Temperaturverteilung im optischen System auf Basis von FEM-Rechnungen für ein in dem mindestens einen optischen Element des optischen Systems verwendetes 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 berechneten Temperaturverteilung sowie der ermittelten Referenzbrechzahlen und von Koeffizienten thermischer Dispersion des verwendeten Optikmaterials; – Modellierung einer benutzerdefinierten Oberfläche (UDS) zur Implementierung des simulierten Brechzahlprofils in Modellparameter zur Optikdesignmodellierung des optischen Systems; und der Schritt der Modellierung und Implementierung des Vorhalts enthält: – Simulation transienter Zustände des Brechzahlprofils für bestimmte Betriebsdauern als angepasste Modelle für unterschiedliche Brechzahlprofile 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.  The method of claim 1, wherein the step of determining the refractive index inhomogeneities further comprises: Simulation of temperature - dependent refractive index inhomogeneities based on Determination of bundle parameters of the defined beam to be applied to the optical system; Calculating a temperature distribution in the optical system based on FEM calculations for an optical material used in the at least one optical element of the optical system; - 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 an analytical standard form for refractive index profile description using the calculated temperature distribution as well as the determined reference refractive indices and coefficients of thermal dispersion of the optical material used; - Modeling a user-defined surface (UDS) to implement the simulated refractive index profile into model parameters for optical design modeling of the optical system; and the step of modeling and implementing the lead includes: - Simulation of transient states of the refractive index profile for certain operating times as adapted models for different refractive index profiles 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. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Simulation der Temperaturverteilung oder des Brechzahlprofils eine geeignete FEM-Simulations-Software verwendet wird.  The method of claim 2, wherein a suitable FEM simulation software is used to simulate the temperature distribution or refractive index profile. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Simulation des Brechzahlprofils als Standardform eine Brechzahlprofilbeschreibung über Standard-GRIN-Linsen auch auf jede Art von refraktiven optischen Elementen angewendet wird.  The method of claim 2, wherein for the simulation of the refractive index profile as a standard form a refractive index profile description on standard GRIN lenses is also applied to any type of refractive optical elements. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Simulation transienter Zustände des Brechzahlprofils eine kommerziell verfügbare Optikmodellierungssoftware verwendet wird.  The method of claim 2, wherein a commercially available optical modeling software is used to simulate transient states of the refractive index profile. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt der Modellierung einer benutzerdefinierten Oberfläche weiterhin eine Verifikation des modellierten optischen Systems enthält durch Vergleichen mit Brechzahlverteilungen, die mit Standard-GRIN-Linsen beschrieben werden können.  The method of claim 2, wherein the step of modeling a user-defined surface further includes verification of the modeled optical system by comparing refractive index distributions that may be described with standard GRIN lenses. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Programmierung der benutzerdefinierten Oberfläche die Programmiersprache C++ gewählt wird.  The method of claim 2, wherein the programming language C ++ is selected for programming the user-defined interface. Verfahren nach Anspruch 2, wobei 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 wird. Method according to claim 2, wherein 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. Verfahren nach Anspruch 2, wobei als Gütekriterium für die Bewertung, Optimierung und Auswahl der angepassten Modelle transienter Zustände zur Implementierung in das kompensierte Design des optischen Systems Modellauswahl bei der Implementierung der angepassten Modelle transienter Zustände eine umkreiste Energie (Encircled Energy – EcE) verwendet wird. The method according to claim 2, wherein an encircled energy (EcE) 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 model selection in the implementation of the adapted models of transient states. Verfahren nach Anspruch 2, wobei als Gütekriterium für die Bewertung, Optimierung und Auswahl der angepassten Modelle transienter Zustände zur Implementierung in das kompensierte Design des optischen Systems Modellauswahl bei der Implementierung der angepassten Modelle transienter Zustände ein bester Fokussierungszustand oder eine minimale Defokussierung verwendet wird.  The method of claim 2, wherein a best focus state or a minimum defocus is used as the quality criterion for the evaluation, optimization and selection of the matched models of transient states for implementation in the compensated design of the optical system model selection in the implementation of the adapted models of transient states. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Simulation von temperaturabhängigen Brechzahlinhomogenitäten iterativ durchgeführt wird, 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 aufeinanderfolgend wiederholt durchgeführt werden, bis vorgegebene optische Gütekriterien des optischen Systems zumindest für eine definierte Betriebsdauer am besten erfüllt sind.  The method of claim 2, wherein the simulation of temperature dependent refractive index inhomogeneities is performed iteratively by: 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 be carried out repeatedly successively until predetermined optical quality criteria of the optical system are best satisfied at least for a defined operating time. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die iterative Simulation für mehrlinsige optische Systeme angewendet wird.  The method of claim 11, wherein the iterative simulation is applied to multi-lens optical systems.
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