DD241508A1

DD241508A1 - ARRANGEMENT FOR THE LATERAL DEFLECTION OF A FOCUSED LIGHT BEAM

Info

Publication number: DD241508A1
Application number: DD28119085A
Authority: DD
Inventors: Heinz Kieburg; Bernd Krueger
Original assignee: Komb Veb Elektronische Bauelem
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1986-12-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik zur Bearbeitung von zylindrischen Schichtwiderstaenden. (z. B. Laserabgleichautomat) Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Fokussierung eines Lichtstrahles zu schaffen. Sie soll Intensitaetsverluste des Lichts vermeiden und die Abweichung des Fokus von der Bearbeitungsebene minimieren. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die schnelle Spiegelablenkung auszunutzen und den fokussierten Lichtstrahl auf der Bearbeitungsebene auszulenken ohne eine hochkorrigierte Fokussierungsoptik benutzen zu muessen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass zusaetzlich zwischen dem optischen System und dem Fokus ein Korrekturglied eingefuegt wird. Dadurch wird der Weg zwischen dem optischen System und Fokus, bei Auslenkung des Strahls, veraendert. Die moeglichen Anwendungsgebiete der Erfindung liegen in der Lasermaterialbearbeitung.The invention relates to the field of electrical engineering for processing cylindrical Schichtwiderstaenden. The aim of the invention is to provide an arrangement for focusing a light beam. It should avoid intensity losses of the light and minimize the deviation of the focus from the working plane. The object of the invention is to exploit the rapid mirror deflection and to deflect the focused light beam on the working plane without having to use a highly corrected focusing optics. According to the invention, the object is achieved by additionally inserting a correction element between the optical system and the focus. As a result, the path between the optical system and focus, with deflection of the beam, changed. The possible fields of application of the invention lie in laser material processing.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die erfinderische Lösung kann überall eingesetzt werden, wo fokussiert^ Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen zur Materialbearbeitung eingesetzt werden.The inventive solution can be used anywhere where focused ^ light beams, in particular laser beams are used for material processing.

Characteristic of the known technical solutions

Die verbreiteste Methode, einen fokussierten Lichtstrahl abzulenken, ist die Schwenkung von Spiegeln.The most common way to distract a focused beam of light is to flip mirrors.

In der US-PS 4135119 wird eine Methode vorgeschlagen, steuerbare Motore einzusetzen. Will man beispielsweise einen fokussierten Laserstrahl zum Zwecke des Materialabtrags ablenken, so hat man bei Anordnung des Spiegels zwischen Fokussierungsoptik und Bearbeitungsebene eine Abweichung des Fokus von der Bearbeitungsebene. Dieser Nachteil wird umgangen, wenn man den Ablenkspiegel in Lichtrichtung, vor die Fokussierungsoptik anordnet. Bei dieser Anordnung kann das Strahlenbündel aus beliebiger Richtung windschief auf die Optik treffen.U.S. Patent 4,135,119 proposes a method of using controllable motors. If, for example, one wishes to deflect a focused laser beam for the purpose of removing material, then, when the mirror is arranged between the focusing optics and the working plane, a deviation of the focus from the working plane is obtained. This disadvantage is circumvented when arranging the deflection mirror in the light direction, in front of the focusing optics. In this arrangement, the beam from any direction can hit the optics skew.

Bekanntlich bringen sämtliche Strahlen, die von der optischen Achse eines optischen Systems abweichen, Abbildungsfehler mit sich, d.h. für ein paralleles Strahlenbündel entsteht kein ordentlicher Brennpunkt in der Fokussierungsebene. Der Brennpunkt wird verzerrt. Je mehr das Strahlenbündel in Richtung und Ort von der optischen Achse abweicht, um so stärker ist diese Verzerrung. Es stellen sich Abbildungsfehler ein, wie Koma, Astigmatismus, Bildfeldwölbung und Verzeichnung. Für die Energiekonzentration bedeutet das einen erheblichen Verlust.As is well known, all rays which deviate from the optical axis of an optical system involve aberrations, i. for a parallel beam there is no proper focus in the focusing plane. The focus is distorted. The more the beam differs in direction and location from the optical axis, the stronger this distortion. There are aberrations, such as coma, astigmatism, field curvature and distortion. For the energy concentration this means a considerable loss.

Um diese Nachteile zu reduzieren, ist es üblich, mehrlinsige Systeme aufzubauen, bei denen diese Fehler auf ein Minimum beschränkt werden. Derartige Systeme sind aber sehr kostenaufwendig und erfordern überdies eine hohe Genauigkeit bei der Herstellung.To reduce these drawbacks, it is common to build multi-line systems that minimize these errors. However, such systems are very expensive and also require a high accuracy in the production.

Ordnet man jedoch den Spiegel zwischen Optik und Bearbeitungsebene an, so treten lediglich durch den Strahlenquerschnitt bedingte Öffnungsfehler auf, die sich durch die Konstruktion relativ einfacher optischer Systeme fast vollständig korrigieren lassen.However, if one arranges the mirror between the optics and the working plane, only opening errors due to the beam cross-section occur, which can be almost completely corrected by the construction of relatively simple optical systems.

Bei der Ablenkung des Strahlenbündels durch den Spiegel wird sich in diesem Falle der Fokus auf einer Kreisbahn bewegen und dabei von einem ebenen Bearbeitungsobjekt entfernen. Dabei nimmt die Intensität merklich ab, sobald diese Abweichung größer als der sogenannte Schärfentiefenbereich wird. Die Abweichung des Fokus von der Bearbeitungsebene wird vielfach bereits durch Nachführung des optischen Systems über eine Rechnersteuerung kompensiert, was allerdings einen hohen Aufwand erfordert. Ein Beispiel dafür findet man bei Heidary, H. R.; u.a. in der Zeitschrift „Optics and Laser Technology" October 1981, S. 265 ff.In the case of the deflection of the beam by the mirror, in this case, the focus will move in a circular path and thereby move away from a planar processing object. The intensity decreases noticeably as soon as this deviation becomes greater than the so-called depth of field. The deviation of the focus from the working plane is often already compensated by tracking the optical system via a computer control, which, however, requires a lot of effort. An example of this can be found in Heidary, H. R .; et al in the journal "Optics and Laser Technology" October 1981, p 265 et seq.

Eine andere Möglichkeit, einen monochromatischen Lichtstrahl abzulenken, wird in der DE 2108144 beschrieben. Dies geschieht durch Veränderung eines magnetischen Gleichfeldes, das auf eine transparente oder reflektierende magnetische Schicht wirkt.Another possibility to deflect a monochromatic light beam is described in DE 2108144. This is done by changing a DC magnetic field, which acts on a transparent or reflective magnetic layer.

Diese sehr schnelle Ablenkanordnung ist nur mit enormen technischen Aufwand realisierbar und für Produktionsgeräte nicht üblich.This very fast deflection is feasible only with enormous technical effort and not common for production equipment.

Diese Anordnung ist analog der Spiegelablenkung vor der Fokussierungsoptikzu bewerten. An das optische System werden die gleichen hohen Anforderungen gestellt.This arrangement is analogous to the mirror deflection before the focusing optics. The same high demands are placed on the optical system.

Eine weitere Möglichkeit, den Fokus auf der Bearbeitungsebene zu bewegen, zeigt DE 2321137, wo vorgeschlagen wird, den Lichtstrahl durch eine flexible Glasfaser auf die Bearbeitungsoptik zu lenken und die Optik mit dem entsprechenden Ende der Glasfaser parallel zur Bearbeitungsebene zu bewegen. Hierbei ist zu bemerken, daß die daraus resultierenden translatorische Bewegung der Fokussierungsoptik bezüglich erreichbarer Geschwindigkeit der Spiegelablenkung weit unterlegen ist.Another possibility to move the focus on the working plane, shows DE 2321137, where it is proposed to direct the light beam through a flexible glass fiber on the processing optics and to move the optics with the corresponding end of the glass fiber parallel to the working plane. It should be noted that the resulting translational movement of the focusing optics with respect to achievable speed of the mirror deflection is far inferior.

Der gleiche Sachverhalt gilt für die DE 3005429 dargestellte verfahrbare Optik.The same situation applies to the DE 3005429 shown movable optics.

Object of the invention

Der nützliche Effekt, der bei der Anwendung der Erfindung erreicht wird, besteht in einer neuen Anordnung zur Fokussierung eines Lichtstrahles. Sie soll Intensitätsverluste des Lichts vermeiden und die Abweichung des Fokus von der Bearbeitungsebene minimieren.The beneficial effect achieved in the practice of the invention is a novel arrangement for focusing a beam of light. It should avoid intensity losses of the light and minimize the deviation of the focus from the working plane.

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die schnelle Spiegelablenkung auszunutzen und den fokussierten Lichtstrahl auf der Bearbeitungsebene auszulenken ohne eine hochkorrigierte Fokussierungsoptik benutzen zu müssen. Gegebenenfalls kann ein beliebiges nur auf Öffnungsfehler korrigiertes optisches System verwendet werden.The object of the invention is to exploit the rapid mirror deflection and to deflect the focused light beam on the working plane without having to use a highly corrected focusing optics. Optionally, any optical system corrected for aperture aberration only may be used.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Spiegelablenkung zwischen Bearbeitungsebene und Fokussierungsoptik so positioniert wird, daß zusätzlich zwischen dem optischen System (Fokussierungsoptik) und Drehspiegel ein Korrekturglied eingefügt wird. Dadurch wird der optische Weg zwischen dem optischen System und der Bearbeitungsebene, bei Auslenkung des Strahls, verändert.According to the invention the object is achieved in that the mirror deflection between the processing plane and focusing optics is positioned so that in addition a correction element is inserted between the optical system (focusing optics) and rotating mirror. As a result, the optical path between the optical system and the working plane, when the beam is deflected, is changed.

embodiment

Entsprechend Abb. 1 trifft ein im wesentlichen paralleles Strahlenbündel 1, z. B. ein Laserstrahl, auf ein optisches System 2 und wird nach Umlenkung mittels Spiegel 3,4 und 7 auf die Bearbeitungsebene 10 fokussiert.According to Fig. 1, a substantially parallel beam 1, z. As a laser beam, on an optical system 2 and is focused after deflection by mirrors 3,4 and 7 on the working plane 10.

Werden die Spiegel 3 und 4 in ihrer Position arretiert, wobei das Licht im wesentlichen unter einem Winkel von 45° auf die Spiegel einfällt, und der Spiegel 7 um den Drehpunkt 8 mit dem Drehwinkel a'bewegt, so wird der Fokus 9 lateral zur optischen Achse abgelenkt und erfährt dabei die in Abb. 2 dargestellte Abweichung As von der Bearbeitungsebene 10 (siehe Kurve X₁). Diese Abweichung entsteht durch den sich bei Auslenkung des Spiegels 7 vergrößernden Abstand zwischen optischem System 2 und der Bearbeitungsebene 10 einerseits und dem vorgegebenen konstanten Abstand optisches System 2 und Fokus 9, auch Schnittweite genannt, andererseits.If the mirrors 3 and 4 are locked in their position, the light being incident on the mirrors essentially at an angle of 45 °, and the mirror 7 being moved about the pivot 8 with the angle of rotation a ', then the focus 9 becomes lateral to the optical Axis deflected and thereby experiences the deviation shown in Fig. 2 As from the working plane 10 (see curve X ₁ ). This deviation is caused by the distance between the optical system 2 and the working plane 10 increasing on deflection of the mirror 7, on the one hand, and the predetermined constant distance between the optical system 2 and the focus 9, also referred to as the focal distance, on the other hand.

Durch ein um den Drehpunkt 6 drehbares System, das von den im wesentlichen rechtwinklig angeordneten Spiegeln 3 und 4 mit der im Korrekturglied 5 gemeinsamen Befestigung gebildet wird, läßt sich die Länge des Lichtweges zwischen dem optischen System 2 und der Bearbeitungsebene 10 gezielt beeinflussen. Dreht man dieses System um den Drehpunkte, der an der Schnittlinie beider Spiegelebenen angeordnet ist, mit einem Winkel proportional α bei unveränderter Position der Spiegel 3 und 4 zueinander, so verlängert sich gemäß Abb. 3 der Lichtweg zwischen den Spiegeln 3 und 4 um den Betrag As*. Mit dieser Verlängerung des Lichtweges kann die Abweichung des Fokus 9 von der Bearbeitungszone 10, die bei der Drehung des Spiegels 7 entsteht, entsprechend Kurve X₂ reduziert werden (siehe Abb. 2).By means of a rotatable about the pivot point 6 system, which is formed by the substantially rectangularly arranged mirrors 3 and 4 with the common fixing in the correction member 5, the length of the light path between the optical system 2 and the processing plane 10 can be selectively influenced. Turning this system about the pivot points, which is located at the intersection of both mirror planes, with an angle proportional to α with unchanged position of the mirror 3 and 4 to each other, then extends as shown in Fig. 3, the light path between the mirrors 3 and 4 by the amount As *. With this extension of the light path, the deviation of the focus 9 from the processing zone 10, which arises during the rotation of the mirror 7, corresponding to curve X ₂ can be reduced (see Fig. 2).

Der Betrag der Lichtwegänderung ASk läßt sich nach der Formel As_k = As₁ + As₂ — (CD-AB) errechnen. Bei maximaler Auslenkung des Spiegels 7 nimmt der Lichtweg einen Maximalwert an. Das Korrekturglied nimmt in dieser Stellung einen minimalen Lichtweg ASk. Wird der Drehwinkel zu Null, d. h. der Lichtstrahl fällt senkrecht auf die Bearbeitungsebene 10, muß die Lichtwegänderung ASk, die durch das Korrekturglied hergerufen wird, seinen Maximalwert annehmen.The amount of light path change ASk can be calculated according to the formula As _k = As ₁ + As ₂ - (CD-AB). At maximum deflection of the mirror 7, the light path assumes a maximum value. The correction element takes in this position a minimum light path ASk. If the angle of rotation becomes zero, ie the light beam falls perpendicular to the working plane 10, the light path change ASk, which is caused by the correction element, must assume its maximum value.

Bei entsprechender Wahl der Größen b, c und d, die vom Arbeitsabstand des optischen Systems abhängen, sowie des Proportionalitätsfaktors kzwischen dem Drehwinkel des Spiegels 7 und dem des Korrekturgliedes läßt sich in einem bestimmten Drehwinkelbereich die Abweichung As soweit reduzieren, daß sie innerhalb des zulässigen Bereiches As_zui. liegt (siehe Abb. 2).With an appropriate choice of the sizes b, c and d, which depend on the working distance of the optical system, as well as the proportionality factor k between the rotation angle of the mirror 7 and that of the correction member can be in a certain rotation angle range, the deviation As reduce to such an extent that they are within the allowable range Ace _to i. is located (see Fig. 2).

Ist keine veränderliche Größein Abhängigkeit vom Drehwinkel k = f (α), so ist es möglich, die Abweichung As für einen definierten Ablenkbereich auf nahezu Null zu kompensieren.If no variable quantity is dependent on the angle of rotation k = f (α), then it is possible to compensate the deviation As for a defined deflection range to almost zero.

Auf eine Darstellung dieser Kurve wurde verzichtet, da sie fast mit Abszisse identisch ist (siehe Abb. 2).A representation of this curve has been omitted, since it is almost identical to the abscissa (see Fig. 2).

Statt zweier Spiegel kann auch ein totalreflektierendes Prisma verwendet werden.Instead of two mirrors, a totally reflecting prism can be used.

Es wurde zeichnerisch nicht dargestellt.It was not shown in the drawing.

Die speziellen Möglichkeiten ihrer Anwendung liegen z. B. in der Elektrotechnik, bei der Herstellung von zylindrischen Schichtwiderständen auf einem Laserabgleichautomaten. Die neue Anordnung ist leicht zu realisieren und funktioniert sehr wirkungsvoll.The special possibilities of their application are z. B. in electrical engineering, in the production of cylindrical sheet resistors on a Laserabgleichautomaten. The new arrangement is easy to implement and works very effectively.

Claims

Claim:

1. Arrangement for the lateral deflection of a focused light beam, in which between the focus (9) and a focusing optical system (2) a rotating mirror (7) is arranged, characterized in that between rotating mirror (7) and the optical system (2 ) a compensation member (5) is arranged, which consists of mutually perpendicularly arranged mirrors (3) (4), wherein the reflecting surfaces are moved about a common pivot point (6) with an angle which is proportional to that of the rotating mirror.