1.本发明涉及一种用于将光束引导至目标的投影装置和方法，尤其涉及一种使用谐振增强型二维光束偏转装置——即，通过具有小带宽的电信号来操作的偏转装置——将光束引导至目标的投影装置和方法。


背景技术：

2.常规的光束偏转装置包括可移动的机械元件，该可移动的机械元件诸如为由电信号控制并根据电信号改变其位置的检流计反射镜。当两个偏转装置以使它们的偏转方向相互垂直的方式组合时，就产生了二维偏转装置。通过以合适的方式选择施加到两个电光偏转器中的每一者上的电压，可以实现任意二维偏转方向。因此，光束可以被引导至屏幕上的任意点或布置在偏转装置下游的光路中的任意物体(在下文中用术语“目标”表示)。由于必须移动宏观机械部件，常规的光束偏转装置具有很高的机械惯性，因此只能对所施加电压的变化做出缓慢的反应。
3.作为无惯性光束偏转装置，电光偏转器在本领域中是已知的。电光偏转器使用由具有电光效应的材料制成的晶体。当电压梯度施加到晶体上时，通过晶体传播的光束被偏转。该偏转与施加到电光晶体上的电压梯度成比例。然而，由于电光效应非常小，所以必须施加高电压才能实现所需的偏转。通常，市场上常见的电光偏转器的工作电压在几百伏到几千伏的范围内。
4.为了从输入信号获得更高的电压，已经提出了谐振电路来增加施加到电光晶体上的电压。由于操作所需的高电压是内部产生的，所以这种谐振增强型电光调制器可以在较小的外部电压下工作。另一方面，这种谐振电路只允许在谐振频率附近的小频率范围内工作。基于施加到电光晶体上的电压的近似正弦波形，光束在目标上的击中点的扫描速度是变化的。这可能会导致如下问题：
5.例如，在诸如激光切割的材料加工中，脉冲激光束被引导到待切割的目标上。由于扫描速度不同，激光束在目标上的击中点在激光束扫描的线的末端比在线的中心彼此更为接近。这会导致该线末端处的材料温度更高进而熔化更强烈，这会导致切割材料的边缘不规则。
6.安德烈亚斯
·
奥勒(andreas oehler)等人的在2017年的微电子和光电制造中的激光应用(lamom)xxii中的spie lase文集10091中的“用于超短脉冲激光器的新随机触发特征提高微加工应用中的生产量、精度和质量(new random trigger-feature for ultrashort-pulsed laser increases throughput,accuracy and quality in micromachining applications)”描述了一种方法，通过该方法可以将激光器随机触发以补偿该效果。从而，即使扫描速度不恒定，也可以实现激光束在待加工材料上的均匀间隔的击中点。
7.在de 20 2010 004 547 u1中，偏转角随时间的变化通过为偏转器提供多个谐振电路而线性化，由此通过叠加具有合适幅值和相位的多个频率的信号来产生线性化波形。
8.常规地，用于在例如电视或计算机显示器上投影图像的方法将图像帧分成单独的行，这些行一个接一个地单独扫描，直到帧完成。行频(例如，沿水平方向)是扫描一行所需时间的倒数，而帧频(例如，沿垂直方向)是扫描整帧所需时间的倒数。行频是帧频的行数倍。
9.如果将两个以谐振模式操作的偏转器组合成一个二维偏转装置，那么具有如此大差异的谐振频率是难以实现的，特别是如果在另一些方面中两个偏转器应该具有相同特性的情况下更是如此。
10.ep 1 419 411 b1尝试通过选择彼此接近且彼此之间具有由两个不同整数的商或分数定义的频率比的谐振频率来解决谐振模式中大频率差异的问题。由此，光束在目标上描绘出李萨如(lissajous)图形。由李萨如图形形成的网格的交叉点可以用作图像元素(像素)。然而，在帧的边界处交叉点彼此更为接近，导致了像素的非线性分布。因此，在没有求助于复杂的脉冲时间设定方法或位置反馈机制的情况下，仅可使用约60％的横向尺寸——即，通过偏转装置仅可达到约36％的区域。


技术实现要素：

11.因此，本发明的一个目的是提供一种用于将光束引导到至目标的改进的投影装置和方法，其中克服了上述现有技术中出现的至少其中一些问题。
12.前述和其他目的是通过独立权利要求的特征实现的。进一步的实施形式根据从属权利要求、说明书和附图是明显的。其中，方法权利要求还可以进一步由从属产品权利要求的特征限制，反之亦然。
13.根据本发明的控制单元用于控制将光束引导至目标的投影装置。该投影装置包括(第一)光束偏转单元，用于以第一偏转频率在第一方向上以及以第二偏转频率在第二方向上对光束进行二维偏转。控制单元构造为以使得由光束在目标上产生的光斑沿着随时间改变其半径的近似圆形路径移动的方式控制偏转单元。
14.采用这样的控制单元，例如可以结合谐振增强型偏转系统的优点(其意味着所实现的偏转与外部提供的电压之间的比率的增加)与非谐振增强型偏转系统(即，成像区域的每个点都可以通过光束以易于寻址的方式进行扫描)的优点(其意味着存在简单的时间到空间映射)。
15.在上下文中，近似圆形意味着光斑在目标(例如，该目标可以是平面)上沿着如下曲线移动：在极坐标中描述，在该曲线中，相位角不断增加，而半径仅缓慢增加或减少，使得2π的相位变化之后，终点在起点附近，或者换句话说，需要多次2π的相位变化才能将半径从零变为其最大值。这种近似圆形的曲线例如可以是螺旋线线圈。
16.为了能够产生近似圆形的路径，两个偏转频率必须基本相同。小的差异可以是可容忍的，并且仍然导致其半径在将整个成像区域或帧扫描一次的时间周期上改变的近似圆形的路径。这意味着会存在明显小于帧重复频率的频率差。但是，在两个偏转频率相等的情况下，由于每次扫描成像区域都可以再现目标上的路径，可以获得最佳结果。
17.第一光束偏转元件可以由第一交流电压控制而在第一方向上偏转光束，而第二光束偏转元件可以由第二交流电压控制而在第二方向上偏转光束。交流电压的幅值可以同步地增加或减少，使得光束在目标上产生的光斑沿螺旋线运动。
18.由此，例如可以在螺旋线半径从零增加到其最大值或从其最大值减少到零的一帧周期内完全地扫描成像区域。
19.在此上下文中，“同步地”意味着交流电压的幅值例如使用相同的设定信号以相同的时间设定增加或减少。
20.控制单元可以构造为以如下方式控制偏转单元，即，使得交流电压的幅值重复性地在第一时间跨度内从零增加到最大幅值、并且此后在短于第一时间跨度的第二时间跨度内再次减少到零，或反之亦然。控制单元可以构造为以如下方式控制偏转单元，即，使得交流电压的幅值重复性地在第一时间跨度内从零增加到最大幅值、并且此后在等于第一时间跨度的第二时间跨度内再此减少到零。控制单元可以构造为在比第一和第二时间跨度短的第三时间跨度内将交流电压的幅值维持在最大幅值。控制单元可以构造为在幅值达到零值时实现交流电压波形中的180
°
的相位跳跃。
21.由此，例如可以提供不同的方式来产生螺旋线作为光斑在目标上的轨迹。
22.控制单元可以构造为以如下方式控制偏转单元，即，使得路径的连续线圈之间的径向距离是恒定的，例如等于由二维偏转的光束在目标上产生的光斑的光斑直径。
23.由此，例如可以产生其中在目标上的连续线圈中形成的光斑彼此相邻的轨迹。
24.控制单元可以构造为控制光束产生单元以产生作为光脉冲序列的入射光束。可以根据路径的瞬时半径来修改入射光束的脉冲重复频率，例如可以使其与瞬时半径成比例。控制单元可以构造为控制光束产生单元，使得以相邻光斑的中心点之间的距离等于光斑直径的方式设定或改变入射光束的脉冲重复频率。
25.由此，例如可以产生其中在目标上形成的连续光斑彼此相邻的轨迹。
26.控制单元可以构造为以如下方式控制光束产生单元，即，使得根据交流电压的瞬时相位和幅值来设定或改变入射光束的强度。
27.由此，例如可以将期望的图像图案投影到目标上。
28.根据本发明的投影装置用于将光束引导至目标。投影装置包括第一光束偏转单元，用于以第一偏转频率在第一方向上以及以基本上等于第一偏转频率的第二偏转频率在第二方向上对光束进行二维偏转。投影装置还包括根据本发明的控制单元，用于控制第一光束偏转单元。
29.采用这样的投影装置，例如可以结合谐振增强型偏转系统的优点(其意味着所实现的偏转与外部提供的电压之间的比率增加)与具有非谐振增强型偏转系统(即，成像区域的每个点都可以由光束扫描)的优点。
30.第一光束偏转单元可以包括：第一偏转元件，优选地为电光偏转器或微光机电镜，用于在第一方向上偏转入射光束并产生一维偏转光束；以及第二偏转元件，优选地为电光偏转器或微光机电镜，用于在第二方向上偏转该一维偏转光束并产生二维偏转光束。第一和/或第二偏转元件可以被谐振增强以便在内部产生使幅值增加超过交流电压幅值的信号。
31.因此，例如可以获得用于实现二维偏转的特定方式。
32.投影装置还可以包括用于产生入射光束的光束产生单元。光束产生单元可以包括用于产生未调制光束的光源和用于对未调制光束的强度进行调制的强度调制元件。
33.由此，例如可以产生如下的光束，即，该光束与对偏转的特定时间控制一起能够例
如产生要投影在目标上的图像或用于加工目标的光图案。
34.光源可以构造为发射包括具有恒定幅值和可变时间距离的光脉冲的光束，并且强度调制元件构造为选择性地修改每个光脉冲的幅值。光源可以构造为发射包括具有恒定幅值和恒定脉冲重复频率的光脉冲的光束，并且强度调制元件构造为消隐个体光脉冲并选择性地修改每个剩余光脉冲的幅值。光源可以构造为发射具有恒定幅值的连续波光束，并且强度调制元件构造为从连续波光束形成个体光脉冲并且选择性地修改每个所形成的光脉冲的幅值。
35.由此，例如可以提供不同的方式来实现适合于相应应用的光束波形。
36.投影装置还可以包括第二光束偏转单元，用于对第一光束偏转单元发射的偏转光束进行二维偏转，并将二次二维偏转的光束引导至目标。第一光束偏转单元可以是呈现小的最大偏转的谐振增强型偏转单元。第二光束偏转单元可以是包括可移动部件并呈现大的最大偏转的非谐振增强型偏转单元。控制单元可以构造为以使得由第一光束偏转单元产生的螺旋线的中心沿着目标上的路径缓慢地或逐步地移动的方式控制第二光束偏转单元。
37.由此，例如可以显著地增加光束可以到达的区域，且同时保持谐振增强型偏转单元的精度和速度。
38.根据本发明的方法用于控制将光束引导至目标的投影装置。该投影装置包括光束偏转单元，用于以第一偏转频率在第一方向上以及以基本上等于第一偏转频率的第二偏转频率在第二方向上对光束进行二维偏转。该方法包括以如下方式控制偏转单元，即，使得由光束在目标上产生的光斑沿着半径随时间改变的近似圆形的路径移动。采用这样的方法，例如可以结合谐振增强型偏转系统的优点(其意味着所实现的偏转与外部提供的电压之间的比率增加)与非谐振增强型偏转系统(即，成像区域的每个点都可以由光束扫描)的优点。
39.根据本发明的另一种方法用于将光束引导至目标。该方法包括以第一偏转频率在第一方向以及以基本上等于第一偏转频率的第二偏转频率在第二方向上二维地偏转入射光束。该方法还包括以如下方式控制偏转，即，使得由光束在目标上产生的光斑沿着半径随时间改变的近似圆形的路径移动。采用这样的方法，例如可以结合谐振增强型偏转系统的优点(其意味着所实现的偏转与外部提供的电压之间的比率增加)与非谐振增强型偏转系统(即，成像区域的每个点都可以由光束扫描)的优点。
附图说明
40.本发明的进一步特征和有用方面可以在参照附图对示例性实施方式的描述中发现。
41.图1示出了根据本发明第一实施方式的二维投影装置的示意性立体图。
42.图2示出了偏转光束在目标上的光斑的位置。
43.图3示出了说明为了获得特定图案的光斑的脉冲重复频率与谐振频率之间的关系的示例的时间图。
44.图4示出了偏转光束在目标上所遵循的轨迹。
45.图5示出了光斑在目标上的分布。
46.图6示出了根据本发明第二实施方式的二维投影装置的立体示意图。
47.图7a至7d示出了用于在目标上实现期望轨迹的信号的示意性时间图的第一示例。
48.图8示出了当使用图7a所示的设定信号时偏转光束的中心在目标上所遵循的轨迹。
49.图9a至9d示出了用于在目标上实现期望轨迹的信号的示意性时间图的第二示例。
50.图10示出了当使用图9a所示的设定信号时偏转光束的中心在目标上所遵循的轨迹。
51.图11a至11d示出了用于在目标上实现期望轨迹的信号的示意性时间图的第三示例。
52.图12a至12d示出了当使用图11a所示的设定信号时偏转光束的中心在目标上所遵循的轨迹。
53.图13a至13c示出了说明光脉冲产生的示意性时间图。
54.图14a和14b示出了由投影装置产生的图案的示例。
具体实施方式
55.下面参照附图描述本发明的实施方式。
56.图1示出了根据本发明第一实施方式的二维投影装置的示意性立体图。
57.投影装置100包括光束产生单元110、光束偏转单元120、以及用于控制和驱动光束产生单元110和光束偏转单元120的控制单元130。
58.光束产生单元110包括光源111——例如激光器，其发射光束101。光源也可以是光束101从其耦合输出的光纤的端部。在投影装置内，光束在其幅值和方向方面被修改，但它始终维持同一光束并因此在所有附图中用附图标记101表示。光束产生单元110可选地可以进一步包括强度调制元件112，用于调制由光源111发射的光束101的强度。强度调制元件112可以例如包括电光调制器或声光调制器。强度调制元件112发射在强度方面可以进行调制的光束101。
59.光束偏转单元120用于偏转光束101。为了实现二维偏转，光束偏转单元120包括两个一维偏转元件121、122。偏转元件121、122例如可以是谐振增强型偏转元件，诸如由交流电压控制的电光偏转器。第一偏转元件121基于从控制单元130接收的第一交流电压v
x
在第一方向(例如，水平方向或x方向)上偏转光束101，并发射一维偏转光束101。第二偏转元件122基于从控制单元130接收的第二交流电压vy在第二方向(例如，竖直方向或y方向)上偏转光束101，并发射二维偏转光束101。两个偏转元件121、122以它们各自的偏转方向彼此倾斜、优选是彼此垂直的方式布置。代替图中所示的透射偏转元件，也可以使用反射偏转元件，例如谐振增强型微光机电镜。
60.诸如反射镜或透镜之类的另外的光学元件可以可选地布置在光路中以用于进一步形成、聚焦或偏转光束。作为(非限制性)示例，附图以虚线示出了两个偏转元件121、122之间的中继光学器件131(例如，为用于将x和y偏转平面互相成像的透镜系统)、以及第二偏转元件122下游的聚焦光学器件132(例如，为平面场光学元件、f-theta透镜等)，这取决于应用。
61.在操作中，光束产生单元110产生具有期望波形(强度随时间变化)的光束101，并且光束偏转单元120根据施加到第一和第二偏转元件121、122的控制信号v
x
、vy对该光束101进行二维偏转。经二维偏转的光束101最终击中目标140，例如供图像投影到其上的屏幕或
将由光束进行处理的材料件。
62.该操作由控制单元控制，该控制单元计算所需的时间设定，向光源111发送控制信号和/或从光源111接收控制信号，控制和驱动强度调制元件112以及控制和驱动第一和第二偏转元件121、122。
63.光束101可照射的最大图像区域为矩形，或者，如果两个偏转元件121、122的最大偏转相同，则为图中实线所指示的正方形。
64.在本实施方式中，两个偏转元件121、122被谐振增强。“谐振增强”意味着它们包括用于在内部产生幅值增加而超过从外部供应的交流电压(v
x
，vy)的幅值的信号的谐振元件。由于谐振特性，偏转元件121、122以近似正弦信号进行操作。如果将两个交流电压(v
x
，vy)控制为具有90
°
的相位差，则具有最大可用幅值的光束所能够照射的最大图像区域是圆143，如图中在目标140上由虚线所指示的。
65.图2示出了一种如下的情况，即，其中两个谐振增强型偏转元件121、122以具有相同幅值和90
°
相位差的谐振频率f
res
的控制信号操作。此外，假设两个偏转元件121、122具有相同的偏转特性并且它们的偏转方向彼此垂直。这意味着对于两个偏转方向而言最大偏转幅值相同以及由光束101在目标140上形成的光斑141沿着固定半径r的圆形轨迹移动，该固定半径r为最大偏转半径。
66.光斑141具有直径d
spot
，其例如可以限定为聚焦在目标上的光束强度减小到1/e2或其任何分数或倍数时的直径，这取决于针对该应用所最终期望的光束重叠情况。可以使用任何其他常用的光束直径限定来代替。
67.如上所述，光斑141的中心点142沿着圆143移动，圆143的半径r取决于控制信号的幅值。目标上的光斑在xy坐标系中的角度随时间演变为：
[0068][0069]
光斑的速度为：
[0070]
v(t)＝2πr f
res
，
[0071]
以及，光斑经过的圆形路径的长度l为：
[0072]
l(t)＝2πr f
res t。
[0073]
如果光是脉冲的，即重复地完全打开和关闭，则在目标140上形成个体光斑141。优选地，与1/f
res
相比，脉冲打开时间非常短，使得光斑不会被运动抹去。如果脉冲重复频率prf保持恒定，则相邻光斑的中心点之间的距离d
l
由下式给出：
[0074]dl
＝2πrf
res
/prf，
[0075]
并且围绕着圆的光斑的总数由下式给出：
[0076]
n＝prf/f
res
。
[0077]
例如，如果prf＝100f
res
，则整个圆上产生100个光斑，相邻光斑之间以3.6
°
的角度差彼此间隔。
[0078]
图3示出了说明光束101的脉冲重复频率prf与谐振频率f
res
之间的关系的示例的时间图。如图所示，目标140上的光斑141的角度在作为控制信号频率的倒数值的时间周期下随时间而线性增加，其中该控制信号频率优选地选择为谐振频率f
res
。在完成一个控制信号周期后，角度达到值2π，该值对应于与角度0相同的光斑141的位置。因此，曲线从2π
跳到0并再次重新开始。
[0079]
这里，光脉冲以预定的脉冲重复频率prf在特定时间点出现。为了实现连续光脉冲的光斑141之间的预定角度差以及由此的沿着圆143的圆周的数量为的光斑，将控制信号频率f
res
和脉冲重复频率prf选择为满足条件：
[0080][0081]
其中，i是≥0的整数并且对应于光脉冲之间围绕着圆的完全额外弯部(turn)(也可以称为暗弯部、空弯部或等待弯部)的量。
[0082]
图中示出了在目标140上的圆143的圆周上产生相位差为的10个光斑141的示例。该图示出了将f
res
/prf选择为0.1(图中未填充的小圆，光斑之间没有空弯部)、1.1(填充的小圆，光斑之间有一个空弯部)、以及4.1(打叉的小圆，光斑之间有四个空弯部)的情况。
[0083]
为了实现光斑141不仅在圆143的圆周上产生、而且在圆143内的整个区域中的任何地方均产生而均匀地填充该圆的效果，本发明建议随时间改变控制信号的幅值。
[0084]
图4示出了偏转光束的中心在目标上所遵循的轨迹，而图5示出了光斑在目标上的分布。如图1所示，最大正方形图像140在图中用实线指示，而最大圆形图像区域143用虚线指示。
[0085]
如从图4中可以最佳看出的，光斑141的中心点142不再像上述参照图2描述的示例中那样沿着圆形路径移动，而是沿着螺旋线路径144移动。这样的螺旋线可以通过同步地增加或减少用于第一和第二偏转元件111、112的两个控制信号的幅值来实现。其中，仍然考虑两个控制信号都是谐振频率f
res
并且具有相同幅值和90
°
的相位差的情况。
[0086]
作为一个示例，如果两个控制信号的幅值以及因此两偏转的量都随时间线性地增加，则从中心点145开始产生算术螺旋线(也称为阿基米德螺旋线)，其中螺旋线的半径r(t)与时间和光斑141的相位角成比例：其中，dr是径向方向上相邻螺旋线的线圈之间的距离。该径向距离优选地设定为光斑直径d
spot
的值。
[0087]
如从图5中可以最佳看出的，通过每当光斑141沿着螺旋线前进了一段路径长度d
l
时便产生脉冲，光斑141沿着螺旋线轨迹密集地挨在一起。优选地，将光斑距离d
l
选择为d
l
＝dr＝d
spot
。由于光斑的速度v(t)随着半径r(t)并由此随着相位而增加，因此脉冲重复频率prf也必须随时间增加以实现相邻光斑之间的恒定距离d
l
。因此，除了在围绕原点的小区域(即，螺旋线144的绕其中心点145的第一圈)之中前几个光斑略微重叠之外，光斑可以均匀地分布在圆形图像区域内。
[0088]
为了将图像投影到圆形成像区域，可以适当地改变各个光脉冲的强度以获得期望的图案。下面参照图14a和14b描述图案的示例。作为使用脉冲的一个替代方案，可使用强度经调制的连续光束来投影图像。
[0089]
上述实施方式的效果是，在使用谐振增强型偏转元件而因此不支持对成像区域的逐行扫描的系统中也可以产生以像素(可以产生光斑的图像元素)填充的成像区域。该成像区域的像素不是沿着直线行对准的，而是在卷成螺旋线的单行上对准。
[0090]
如果适当地选择操作参数，则可以将相邻像素的中心点之间的距离设定为径向方
向以及切线方向上的光斑直径(＝像素大小)，从而使整个成像区域可以被完全地照射。因此，可以在目标成像区域的大面积上实现沿着螺旋线路径的相邻像素之间的相等距离，而且使相邻螺旋线线圈上的像素之间的距离也大致相同。
[0091]
因此，本发明能够结合谐振增强型偏转系统的优点(即，显著降低供应给偏转元件的电压)与非谐振增强型偏转系统的优点(即，成像区域可以在一帧周期内被完全地扫描)。可以以大致恒定的像素距离扫描的区域的大小是直径由最大偏转确定的圆的内部。这是具有相同最大偏转的正方形的大小的π/4＝78％。与较早描述的其中可以以几乎恒定的像素距离扫描最大区域的大约36％的使用李萨如图形的方法相比，对于给定的最大偏转范围或角度，本发明中的可用区域增加了一倍以上。
[0092]
图6示出了根据本发明第二实施方式的二维投影装置的示意性立体图。
[0093]
投影装置200主要包括与投影装置100相同的元件，并以类似的方式操作。因此，以下仅描述相较投影装置100的不同之处。
[0094]
除了与第一实施方式的光束偏转单元120相对应并因此以相同的附图标记标示的第一光束偏转单元120之外，投影装置200还包括第二光束偏转单元150。而第一光束偏转单元120包括两个一维谐振增强型偏转元件121、122，第二光束偏转单元150包括两个一维偏转元件151、152，其例如可以是dc控制的。偏转元件151、152可以例如实现为检流计反射镜。偏转元件151、152具有比谐振增强型偏转元件121、122更高的偏转范围，但是更慢并且对于速度和方向的变化具有高得多的惯性。
[0095]
以与两个偏转元件121、122之间类似的方式，可以在偏转元件151、152之间和/或第一偏转单元120与第二偏转单元150之间布置中继光学器件153(在图中以虚线示出)。另外的聚焦光学器件(图中未示出)可以布置在第二偏转单元150的下游。
[0096]
通过组合第一和第二光束偏转单元120、150，光束101可以到达的区域显著地增加。本实施方式中的目标平面160被细分为多个个体目标区域161。由于第一光束偏转单元120的成像区域是圆形，因此目标区域161优选地具有与该圆形相匹配的六边形形状。此外，它们优选地彼此相邻地布置。然而，本发明不限于该特定示例。
[0097]
在操作中，将第二光束偏转单元150控制为使得未由第一光束偏转单元120偏转的光束101击中目标区域的中心点162。然后，如第一实施方式中所述的，执行沿着螺旋线的照射。然后，第二光束偏转单元150跳到下一个六边形161的中心点162。再次执行沿着螺旋线的照射并循环往复。在每个步骤中照亮的图案可以限制于位于六边形内的螺旋线区域以避免重叠。
[0098]
作为一个替代方案，如果仅需要照射目标的特定区域，诸如例如在金属片上开孔时，第二光束偏转单元150不需要扫描目标160的整个表面，而是可以直接在特定区域之间跳转，例如，在孔小到足以适合第一光束偏转单元120所扫描的圆形图像区域时直接在孔的中心位置之间跳转。
[0099]
接下来，描述使用谐振增强型偏转元件产生类似于图4中所示的螺旋线144的螺旋线轨迹的不同示例。
[0100]
为了实现幅值随时间的期望变化，准备了设定信号v
set
(t)。图7a示出了设定信号v
set
(t)的波形的第一示例。在第一时间跨度t1中，设定信号v
set
(t)具有从零向上到最大值的线性斜坡。在第二时间跨度t2中，设定信号v
set
(t)具有从最大值向下到零的斜坡。波形以
t＝t1+t2的周期重复。
[0101]
在谐振系统中，交流电压信号的幅值不会立即跟随设定信号，而是具有响应时间τ。如果应迫使幅值跟随设定信号v
set
(t)，则必须添加前馈项。因此，为了实现跟随v
set
(t)的波形的幅值，在谐振时，必须产生形式为
[0102][0103]
的驱动信号。用于实现跟随图7a的设定信号v
set
(t)的幅值的驱动信号v
drive
(t)示出于图7b中。具有频率f
res
和固定幅值的交流信号与该驱动信号v
drive
(t)相乘以获得供应给偏转元件121、122的交流电压v
x
(t)和vy(t)。产生的x方向上的偏转d
x
(t)和y方向上的dy(t)分别示出在图7c和7d中。可以看出，由于驱动信号v
drive
(t)中包含前馈项，偏转幅值包络精确地跟随v
set
(t)。
[0104]
图8示出了当施加图7a的设定信号v
set
(t)时，偏转光束的中心在目标上遵循的轨迹。在时间跨度t1期间，螺旋线从其中心点增长到最大半径，如实线所示。在时间跨度t2期间，螺旋线从其最大半径收缩回零，如虚线所示。
[0105]
由于t2比t1短，向下的斜坡比向上的斜坡陡。因此，向下的螺旋线比向上的螺旋线具有更少的线圈数。换句话说，相邻线圈之间的径向距离更大。优选地，时间跨度t1用于如上述实施方式所述的对目标的照射，而时间跨度t2不用于对目标的照射。在此期间，例如，可以致动图6中所示的第二光束偏转单元150以便将成像区域移动到下一个目的地。
[0106]
在图8所示的示例中，向上的斜坡有15个线圈，向下的斜坡有5个线圈。在300khz的典型谐振频率f
res
下，时间周期t约为67μs，而帧重复频率1/t为15khz。
[0107]
也可以反转该时间方案而使得t1短于t2。在这种情况下，在时间跨度t2期间产生的向下螺旋可以用于对目标的照射。
[0108]
如果设定信号v
set
(t)重复的周期t是1/f
res
的整数倍，则第二周期(以及每个后续周期)的螺旋线与前一周期的螺旋线相一致，从而实现了可重复的图案。在另外的情况下，与前一周期的螺旋线相比，每个周期的螺旋线旋转预定相位。这也适用于以下示例。
[0109]
图9a示出了设定信号v
set
(t)的波形的第二示例。图9b示出了相应的驱动信号v
drive
(t)的波形。图9c和9d分别示出了所产生的x方向上的偏转d
x
(t)和y方向上的dy(t)。
[0110]
在该第二示例中，使对于向上斜坡的第一时间跨度t1与对于向下斜坡的第三时间跨度t3相等。在第一与第三时间跨度t1、t3之间的(可选的)第二时间跨度t2期间，幅值在其最大值保持恒定。波形以t＝t1+t2+t3的周期重复。
[0111]
图10示出了当施加图9a的设定信号v
set
(t)时，偏转光束的中心在目标上所遵循的轨迹。在时间跨度t1期间，螺旋线以与图7和图8所示的示例相同的方式从其中心点增长到最大半径，如实线所示。在时间跨度t2期间，幅值以及由此半径保持恒定，并且光斑的中心点在圆上移动，如点线所示。例如，这可以用于确保钻制的孔或一般而言所投影的图案实际上是圆形的。在时间跨度t3期间，螺旋线从其最大半径收缩到零，如虚线所示。
[0112]
由于t1和t3相等，向上螺旋线和向下螺旋线具有相同的线圈数量和相同的径向距离dr。因此它们都可以用于对目标的照射。然而，由于逆向的时间设定，这两个螺旋线彼此镜像对称。在图中，它们关于x轴对称，即它们具有倒向的y轴。因此，向下螺旋线在y轴上的光斑位于向上螺旋线的光斑之间的中途处，由此使y轴上的投影的分辨率加倍。
[0113]
图11a示出了设定信号v
set
(t)的波形的第三示例。图11b示出了对应的驱动信号v
drive
(t)的波形。图11c和11d分别示出了所产生的x方向上的偏转d
x
(t)和y方向上的dy(t)。
[0114]
第三示例与第二示例的不同之处在于在时间跨度t1、t2、t3期间的设定信号v
set
(t)的波形在t4、t5、t6期间以相反的符号重复。波形以t＝t1+t2+t3+t4+t5+t6的周期重复。在本示例中，时间跨度选择为t1＝t3＝t4＝t6并且t2＝t5。
[0115]
与图9所示的示例相比，这种驱动方案的一个优点是减少了驱动信号v
drive
(t)中的步骤数目。如果省略了在最大幅值的保持，则该步骤数目可以进一步最少化。
[0116]
在零转换处的设定信号v
set
(t)的符号反转将导致偏转d
x
(t)、dy(t)中的180
°
的相位跳跃，从而致使在时间跨度t4、t5、t6期间的偏转d
x
(t)、dy(t)与在时间跨度t1、t2、t3期间的偏转d
x
(t)、dy(t)相比有180
°
的相位差。
[0117]
图12a至12d示出了当施加图11a的设定信号v
set
(t)时偏转光束的中心在目标上所遵循的轨迹。在时间跨度t1期间，如图实线所示，螺旋从其中心点增长到最大半径。在时间跨度t2期间，幅值以及由此半径保持恒定，并且偏转光斑的中心点在圆上移动(图中未示出)。在时间跨度t3期间，螺旋从其最大半径收缩到零，如图12b和图12d中的虚线所示。在时间跨度t4期间，螺旋再次从其中心点增长到最大半径，但是相位相反，如图12a中的点划线所示。在时间跨度t5期间，幅值以及因此半径再次保持恒定。在时间跨度t6期间，螺旋从其最大半径收缩到零，如图12c和图12d中的点线所示。
[0118]
所有四个螺旋线均可以用于目标的照射。如以上参照图10(和图12b)所指示的，与时间跨度t1期间的螺旋线相比，时间跨度t3期间的螺旋线具有倒向的y轴。以类似的方式，时间跨度t4期间的螺旋线同时具有倒向的x轴和y轴，而时间跨度t6期间的螺旋线仅是x轴(图12c)。这致使在时间跨度t1和t4期间的两个向上螺旋线彼此关于原点成点对称，如图12a所示；在时间跨度t3和t6期间的两个向下螺旋线也是如此，如图12d所示。当使用两个螺旋线时，可以在整个成像区域上实现径向方向上的双倍空间分辨率。与以上在图10中示出的类似，相邻的向上和向下螺旋线彼此镜像对称，如图12b针对时间跨度t1、t3期间的螺旋线示出的以及图12c针对时间跨度t1、t6期间的螺旋线示出的。
[0119]
在另一个示例中，如图9a所示的设定信号v
set
(t)可以用于偏转元件之一，而如图11a所示的设定信号v
set
(t)可以用于另一偏转元件。
[0120]
虽然上面描述了实现螺旋线作为偏转光束的中心在目标上所遵循的轨迹的示例，但是本发明不限于此。例如，可以提供步进增加的设定信号来代替斜坡，从而产生同心圆作为目标上的轨迹。
[0121]
接下来，参照图13描述用于产生适用于本发明的光脉冲的不同示例。其中，a表示在图1所示的位置(a)处的光束101的时序图，112表示强度调制元件112的时间相关传递函数，而b表示在图1所示的位置(b)处的光束101的时序图。
[0122]
图13a示出了支持正确按需脉冲操作的光束产生单元的示意性时间图。光源111发射包括具有相同持续时间和能量的光脉冲的光束101。控制单元130可以根据需要任意触发光脉冲的时间设定(光脉冲发生的时间点)。例如可以通过使用在上面指出的andreas oehler等人描述的方法来实现这样的触发。(可选的)强度调制器112可以用于单独地改变脉冲的光强度，例如通过将它们与时间相关传递函数相乘，以获得包括具有彼此不同的光强度的光脉冲的光束101。这可以例如用于抗锯齿/灰度式图像投影，或通过偏转系统补偿
偏转相关的衰减以确保整个场上的恒定通量，例如用于呈现与通量相关的烧蚀光斑直径的ps激光加工应用。
[0123]
图13b示出了具有带选通或脉冲拾取的固定脉冲率源(这是用于ps和fs脉冲的非常常见类型的源)的光束产生单元的示意性时间图。光源111以基本固定的脉冲率发射包括具有相同持续时间和能量的光脉冲的光束101。通过强度调制器112，最接近理想时间设定的脉冲被发送，其余的脉冲被抑制。这种方法称为选通或脉冲拾取，有时也称为“按需脉冲”，即使脉冲不直接跟随触发信号，但也最多可能延迟一个脉冲周期。如上所述，强度调制器112还可以用于单独地改变脉冲的光强度。
[0124]
图13c示出了具有连续波光源的光束产生单元的示意性时间图。光源111发射具有恒定幅值的连续光束101。然后由根据给定的方案传输或抑制光束的强度调制器112执行脉冲成型(或脉冲雕刻)。如上所述，强度调制器112也可以用于单独地改变所产生脉冲的光强度。对于这种情况，强度调制器必须足够快来切出足够短的脉冲，以免由于高路径速度而在螺旋线的外线圈上抹去。它还应该允许足够高的脉冲重复率。
[0125]
图14a和14b示出了可以由投影装置100产生的图案的示例。
[0126]
图14a示出了大写字母q的图示。可以使用已知的图像处理方法将所需图案转换成螺旋线位图。由此，实现每个像素的灰度值。控制单元130控制光束偏转单元120以产生如图5所示的螺旋线图案。它还控制强度调制元件112以改变光束101的强度，使得光斑141实现所需的图案。在图中，黑色填充表示最大强度，白色填充表示强度为零。可替选地，当采用固定强度的光脉冲操作时，灰度像素值可以通过根据其灰度值多次重复图案并仅在一部分的重复次数中打开该点来实现。
[0127]
图14b示出了标志的图示。标志的范围小于指示最大偏转的圆143。此外，标志内有一空白区域。因此，不需要在从零到最大值的整个幅值范围内产生斜坡，而只需要在对应于光点141a和141b的值之间产生斜坡。从而，可以增加帧重复率。对于所示的特定示例，只需要圈数的一半，从而使速度提高两倍。例如，这对于必须重复许多次相同图案的微造型应用会是很有用的。
[0128]
本发明实现的螺旋轨迹也可以有利于微加工诸如盘、环、锥或孔之类的圆形结构，只要该结构适合圆形场即可。对于盘和孔，可以使用完整螺旋图案并且可以打开所有光斑。对于环，可以使用如图14b中的径向截断的螺旋图案并且可以打开所有光斑，或者可以使用如图14a中的完整图案并且可以留下中心光斑不打开。锥形结构可以由直径随层深度变化的环制成。如前所述，可以包括以最小和/或最大偏转半径旋转一圈或多圈以确保适当的圆度。
[0129]
根据本发明的投影装置和方法的应用包括例如图像投影、光敏材料的照射(例如，印刷、光刻、光敏蚀刻、3d打印等)、物体的扫描(例如，激光雷达、显微镜等)、或通过激光烧蚀进行的材料加工。