DE102006051105B3 - Device for processing a workpiece by means of laser radiation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bearbeitung eines Werkstücks (2) mittels paralleler Teilstrahlen (3, 4) einer Laserstrahlung (5). In dem Strahlengang jedes Teilstrahls (3, 4) ist ein Reflektor (8, 9) angeordnet, durch den der jeweiligen Teilstrahl (3, 4) in eine gemeinsame Ebene (10) parallel zu einer mit der Oberfläche des Werkstücks (2) übereinstimmenden Fokusierebene (11) in Richtung aufeinander gegenüberliegende Umlenkflächen (12, 13) eines gemeinsamen Umlenkelements (14) abgelenkt wird. Die Umlenkflächen (12, 13) sind jeweils gegenüber der Fokussierebene (11) um einen Winkel (beta = 45°) geneigt angeordnet, so dass die Teilstrahlen (3, 4) parallel auf das Werkstück (2) f<SUB>2</SUB>) der parallelen Teilstrahlen (3, 4) auf dem Werkstück (2) ohne eine Änderung der Fokussierebene (11) zu ermöglichen, ist eine im Strahlengang jedes Teilstrahls (3, 4) zugeordnete Fokussieroptik (15, 16) gemeinsam mit dem jeweiligen Reflektor (8, 9) desselben Teilstrahls (3, 4) relativ zu der Umlenkfläche (12, 13) senkrecht zur Fokussierebene (11) in verschiedene Positionen (y<SUB>1</SUB>, y<SUB>2</SUB>) um einen Differenzbetrag (Deltay) vertikal beweglich angeordnet. Der jeweilige Abstand (A<SUB>1</SUB>, A<SUB>2</SUB>) der Teilstrahlen (3, 4) verändert isch dadurch um einen entsprechenden, übereinstimmenden Differenzbetrag (Deltax) gegenüber eine Mittellage (17) zwischen den Teilstrahlen (3, 4), so dass der Strahlweg unabhängignverändert ist.The invention relates to a device (1) for processing a workpiece (2) by means of parallel partial beams (3, 4) of a laser radiation (5). In the beam path of each partial beam (3, 4), a reflector (8, 9) is arranged, through which the respective partial beam (3, 4) in a common plane (10) parallel to one with the surface of the workpiece (2) coinciding focal plane (11) in the direction of opposing deflection surfaces (12, 13) of a common deflecting element (14) is deflected. The deflection surfaces (12, 13) are each inclined relative to the focusing plane (11) by an angle (beta = 45 °), so that the partial beams (3, 4) parallel to the workpiece (2) f <SUB> 2 </ SUB>) of the parallel partial beams (3, 4) on the workpiece (2) without a change of the focusing plane (11) is in the beam path of each sub-beam (3, 4) associated with focusing optics (15, 16) together with the respective Reflector (8, 9) of the same sub-beam (3, 4) relative to the deflection surface (12, 13) perpendicular to the focusing plane (11) in different positions (y <SUB> 1 </ SUB>, y <SUB> 2 </ SUB >) arranged vertically movable by a difference (deltay). The respective distance (A <SUB> 1 </ SUB>, A <SUB> 2 </ SUB>) of the partial beams (3, 4) thereby changes by a corresponding, matching difference amount (Deltax) compared to a middle position (17) between the sub-beams (3, 4), so that the beam path is independently changed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Laserstrahlung mit einem Strahlteiler zur Erzeugung von zwei im Wesentlichen parallelen Teilstrahlen und mit einer Fokussieroptik zum Fokussieren jedes Teilstrahls in eine gemeinsame Fokussierebene, wobei im Strahlengang jedes Teilstrahls ein Reflektor zur Umlenkung des jeweiligen Teilstrahls in eine gemeinsame Ebene parallel zu der Fokussierebene in Richtung aufeinander gegenüberliegende und zwischen den Reflektoren angeordnete Umlenkflächen angeordnet ist, wobei die Umlenkflächen jeweils gegenüber der Fokussierebene um einen Winkel von 45° geneigt angeordnet sind.The The invention relates to a device for machining a workpiece by means of Laser radiation with a beam splitter to produce two im Essentially parallel partial beams and with a focusing optics for focusing each sub-beam into a common focusing plane, wherein in the beam path of each partial beam, a reflector for deflecting of the respective sub-beam in a common plane parallel to the focusing plane towards each other and between the reflectors arranged deflecting surfaces is arranged, wherein the deflection surfaces in each case with respect to the focusing plane arranged at an angle of 45 ° inclined are.
Eine solche Vorrichtung dient in der Praxis der zeitgleichen, beispielsweise parallelen, Bearbeitung des Werkstücks mittels paralleler Teilstrahlen. Bei einer einfachen Bauform wird als Strahlteiler ein teildurchlässiger Spiegel eingesetzt, dem im Strahlengang zumindest eines Teilstrahls ein Reflektor nachgeordnet ist, um so einen parallelen Strahlengang zu erzeugen. Mittels einer Fokussieroptik wird jeder Teilstrahl in eine gemeinsame Fokussierebene auf das Werkstück fokussiert.A such device is used in practice of the same time, for example Parallel, machining of the workpiece by means of parallel partial beams. at A simple design is a partially transparent mirror as a beam splitter used in the beam path at least a partial beam Reflector is arranged downstream, so a parallel beam path to create. By means of a focusing optics, each partial beam focused in a common focusing plane on the workpiece.
Eine
gattungsgemäße Vorrichtung
ist beispielsweise durch die
Als problematisch erweist sich in der Praxis die gewünschte, insbesondere stufenlose, Einstellbarkeit des Abstands der Teilstrahlen. Hierzu kann der Reflektor gegenüber dem Strahlengang des anderen Teilstrahls verfahrbar ausgeführt sein, um so den gewünschten Abstand zu erzeugen.When problematic proves in practice the desired, in particular stepless, Adjustability of the distance of the partial beams. For this purpose, the reflector across from The beam path of the other sub-beam be designed to be movable, so the desired Create distance.
Als nachteilig erweist sich bei diesem Lösungsvorschlag die mit der Abstandsänderung zugleich verbundene Änderung der Mittellage der beiden Teilstrahlen, die durch eine überlagerte Bewegung der gesamten Vorrichtung ausgeglichen werden muss.When disadvantageous proves in this proposed solution with the distance change simultaneous change the central position of the two partial beams, which are superimposed by a Movement of the entire device must be compensated.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zur Änderung des Abstandes der Teilstrahlen zu schaffen und dabei eine Änderung der Fokussierebene aufgrund der Abstandsänderung der parallelen Teilstrahlen zu vermeiden, sodass der Steuerungsaufwand gering gehalten werden kann.Of the Invention is based on the object, a simple way to change the distance of the partial beams to create and thereby change the focusing plane due to the change in distance of the parallel partial beams to avoid, so that the control effort is kept low can.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.These Task is according to the invention with a Device according to the features of claim 1. The dependent claims concern particularly expedient further education the invention.
Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei welcher der jedem Teilstrahl zugeordnete Reflektor zur Änderung des Abstandes relativ zu der Umlenkfläche, insbesondere senkrecht zur Fokussierebene, beweglich angeordnet ist. Hierdurch wird es in überraschend einfacher Weise möglich, den Abstand der beiden parallelen Teilstrahlen, insbesondere stufenlos und nahezu unbegrenzt, zu verändern, ohne dass damit zugleich eine Änderung der Fokussierebene verbunden ist, sodass insbesondere eine zeitgleiche Nachführung der Vorrichtung relativ zu dem Werkstück entbehrlich ist. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass die parallelen Teilstrahlen zunächst mittels des jeweiligen Reflektors um 90° in eine gemeinsame Ebene umgelenkt werden und anschließend durch Umlenkung an der um 45° geneigten Umlenkfläche erneut um 90° auf die Fokussierebene umgelenkt werden, sodass die Parallelität wiederhergestellt ist. Der Erfindungsgedanke liegt nun darin, dass der Reflektor gemeinsam mit der jeweiligen Fokussieroptik senkrecht zu der Fokussierebene verfahrbar ist, sodass der Strahlweg zwischen dem Reflektor und einem Umlenkpunkt auf der Umlenkfläche verändert werden kann. Zugleich ändert sich dadurch auch der Strahlweg zwischen dem Umlenkpunkt auf der Umlenkfläche und der Werkstückebene um denselben Betrag, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen, sodass der Strahlweg und damit die Fokussierebene unverändert sind.According to the invention is thus a device is provided in which the associated with each partial beam Reflector to change the distance relative to the deflection surface, in particular perpendicular to the focusing plane, is arranged to be movable. This will be it in surprising easy way possible the distance between the two parallel partial beams, in particular continuously and almost unlimited, to change without that at the same time a change of Focusing level is connected, so that in particular a simultaneous tracking the device is dispensable relative to the workpiece. The invention This is based on the idea that the parallel partial beams first deflected by 90 ° in a common plane by means of the respective reflector and then by deflection at the 45 ° inclined deflection again by 90 ° the focusing plane are deflected, so that the parallelism is restored is. The idea of the invention lies in the fact that the reflector is common with the respective focusing optics perpendicular to the focusing plane is movable, so that the beam path between the reflector and a deflection point on the deflection can be changed. At the same time changes thereby also the beam path between the deflection point on the deflection and the workpiece level by the same amount, but with opposite signs, so that the beam path and thus the focus level are unchanged.
Die Fokussieroptik jedes Teilstrahls kann dabei im Strahlengang vor oder hinter dem Reflektor angeordnet sein, wobei der Abstand der Umlenkflächen relativ zu dem Werkstück zur Anpassung der Fokuslage justierbar sein könnte. Besonders zweckmäßig ist hingegen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Umlenkflächen relativ zu einer Werkstückaufnahme unbeweglich ausgeführt sind, sodass während der Bearbeitung des Werkstücks keine Veränderung der Fokussierebene auftritt.The Focusing optics each sub-beam can in the beam path before or behind the reflector, wherein the distance of the deflecting relative to the workpiece to adjust the focus position could be adjustable. Especially useful however, an embodiment the invention, wherein the deflection surfaces relative to a workpiece holder executed immovably are so while the machining of the workpiece no change the focusing plane occurs.
Die Umlenkflächen könnten als separate Bauelemente unabhängig voneinander ausgeführt und gegebenenfalls justierbar sein. Besonders einfach ist jedoch eine Abwandlung der vorliegenden Erfindung, bei der die Umlenkflächen als Außenflächen eines gemeinsamen Umlenkelements, insbesondere eines 90°-Ablenkprismas ausgeführt sind, um so eine unveränderliche Relativposition der Umlenkflächen sicherzustellen, die dabei zueinander einen Winkel von 90° einschließen. Zugleich wird der konstruktive Aufwand zur Herstellung der Vorrichtung reduziert.The deflecting could independent as separate components running from each other and be adjustable if necessary. However, one is especially simple Modification of the present invention, in which the deflection surfaces as Exterior surfaces of a common deflecting element, in particular a 90 ° -Ablenkprismas accomplished are so immutable To ensure relative position of the deflection surfaces which include an angle of 90 ° to each other. At the same time the design effort reduced to manufacture the device.
Der Abstand der Fokussieroptik und des Reflektors im Strahlengang jedes Teilstrahls ist grundsätzlich unveränderlich, wobei eine Justierbarkeit vorgesehen sein kann. Besonders sinnvoll ist es dabei, wenn die den beiden Teilstrahlen jeweils zugeordnete Fokussieroptik und der Reflektor als eine mittels eines Antriebs bewegliche Baueinheit ausgeführt sind, um so den konstruktiven Aufwand zu vermeiden. Selbstverständlich ist dabei in Anwendung einer kinematischen Umkehrung eine Abwandlung nicht ausgeschlossen, bei welcher die Umlenkflächen gemeinsam mit der Werkstückaufnahme eine bewegliche, insbesondere senkrecht zu der Fokussierebene verfahrbare Einheit bilden.The distance of the focusing optics and the reflector in the beam path of each sub-beam is basically immutable, with an adjustability can be provided. It makes sense here in when the two sub-beams respectively associated focusing optics and the reflector are designed as a unit movable by means of a drive, so as to avoid the design effort. Of course, a modification is not excluded in application of a kinematic reversal, in which the deflection surfaces together with the workpiece holder form a movable, in particular perpendicular to the focusing plane movable unit.
Durch eine unabhängige Bewegung der Reflektoren jedes Teilstrahls kann bedarfsweise lediglich der Abstand eines einzigen Teilstrahls gegenüber einer Mittellage verändert werden. Sofern bei jedem der vorgesehenen Einsatzzwecke die Einhaltung der unveränderlichen Mittellage zwischen den Teilstrahlen erwünscht ist, lässt sich eine besonders praxisgerechte Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreichen, dass die beiden Fokussieroptiken und die beiden Reflektoren der beiden Teilstrahlen mittels eines Antriebs gemeinsam beweglich ausgeführt sind.By an independent one Movement of the reflectors of each sub-beam can be required only the distance of a single partial beam with respect to a central position can be changed. Provided that for each of the intended uses the observance of the unchanging Middle position between the partial beams is desired, can be a particularly practical embodiment of the invention thereby achieve that the two focusing optics and the two reflectors the two partial beams by means of a drive jointly movable accomplished are.
Eine andere vorteilhafte Abwandlung der Erfindung wird erreicht, indem die den Teilstrahlen jeweils zugeordnete Fokussieroptik und der jeweils zugeordnete Reflektor relativ zueinander beweglich, insbesondere einstellbar ausgeführt sind, um so eine Änderung der Fokussierebene einstellen zu können. Hierdurch könnte beispielsweise eine unebene, wellige Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks problemlos ausgeglichen werden. Hierzu können die den Teilstrahlen zugeordneten Fokussieroptiken unabhängig oder gemeinsam relativ zu den Reflektoren beweglich angeordnet sein.A Another advantageous modification of the invention is achieved by the sub-beams respectively associated focusing optics and the respectively associated reflector movable relative to each other, in particular adjustable are such a change to adjust the focus level. This could, for example an uneven, wavy surface texture of the workpiece be easily balanced. For this purpose, the assigned to the sub-beams Focusing optics independently or be movably mounted together relative to the reflectors.
Bei einer speziellen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung hat die Fokussieroptik eine Fokussierlinse, insbesondere eine Plankonvexlinse und gestattet so einen kostengünstigen Aufbau.at a special embodiment of the present invention has the Focusing a Fokussierlinse, in particular a Plankenonvexlinse and thus allows a cost-effective Construction.
Weiterhin erweist es sich als zweckmäßig, wenn im Strahlengang vor dem einen Polarisator aufweisenden Strahlteiler ein Verzögerungsplättchen angeordnet ist. Beispielsweise kann im Strahlengang vor dem Strahlteiler ein λ/4-Plättchen zur Erzeugung zirkular polarisierten Lichts angeordnet sein, um so im Wesentlichen gleiche Leistungsanteile beider Teilstrahlen sicherzustellen. Hierdurch wird zunächst mittels des im Strahlengang vor dem Strahlteiler angeordneten λ/4-Plättchens zirkular polarisiertes Licht erzeugt, so dass eine gleichmäßige Verteilung des Lichtes aufgrund der mittels des optischen Elements erzeugbaren Aufspaltung in die beiden Teilstrahlen sichergestellt werden kann. Die Strahlaufspaltung erfolgt dabei praxisgerecht dadurch, dass der Strahlteiler einen Polarisator aufweist.Farther proves to be expedient if in the beam path in front of the one polarizer having beam splitter a delay plate arranged is. For example, in the beam path in front of the beam splitter a λ / 4-plate for Generation of circularly polarized light should be arranged so in the To ensure substantially the same power components of both partial beams. This is initially by means of of the arranged in the beam path in front of the beam splitter λ / 4-plate generates circularly polarized light, allowing a uniform distribution of the light due to the producible by means of the optical element Splitting can be ensured in the two partial beams. The beam splitting takes place practically in that the beam splitter has a polarizer.
Eine andere ebenfalls besonders Erfolg versprechende Abwandlung wird dann erreicht, wenn die Laserstrahlung mittels eines Prismas, beispielsweise Wollaston-Prismas, in zwei divergierende Teilstrahlen aufgeteilt wird. Im Strahlengang beider Teilstrahlen ist hierbei ein weiteres Prisma derart angeordnet, dass die divergierenden Strahlen aus dem Prisma jeweils als parallele Teilstrahlen austreten. Der Abstand der parallelen Teilstrahlen ist nun durch den veränderlichen Abstand des Prismas gegenüber dem Wollaston Prisma einstellbar.A Another variant that is also particularly promising is then reached when the laser radiation by means of a prism, for example Wollaston prism, divided into two diverging partial beams becomes. In the beam path of both partial beams here is another Prism arranged such that the divergent rays from the prism each emerge as parallel partial beams. The distance of the parallel Sub-beams is now due to the variable distance of the prism compared to the Wollaston prism adjustable.
Eine andere mögliche Variante ergibt sich, wenn der Strahlteiler ein diffraktives optisches Element aufweist, das es ermöglicht einen eingekoppelten Strahl beliebig, in diesem Fall auf zwei gleiche Zweige, aufzuteilenA other possible Variant arises when the beam splitter is a diffractive optical Has element that makes it possible a coupled beam arbitrarily, in this case on two equal branches, divide
Die Leistungsanteile der beiden Teilstrahlen sind dabei einstellbar ausgeführt, um so insbesondere eine Übereinstimmung sicherstellen zu können.The Power components of the two partial beams are adjustable executed especially a match to be able to ensure.
Die
Erfindung lässt
verschiedene Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in einer Prinzipskizze eine Vorrichtung
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