-
Die Erfindung betrifft eine zur Bearbeitung eines Werkstücks bestimmte Vorrichtung mit zumindest einer eine Symmetrieachse aufweisenden Fokussieroptik zum Fokussieren mehrerer Laserstrahlen in eine insbesondere gemeinsame Fokussierebene mit jeweils einstellbaren Abständen zwischen den Fokuspunkten der Laserstrahlen, wobei die Abstände durch einen Ablenkwinkel des jeweiligen Laserstrahls an zumindest einem jedem Laserstahl zugeordneten beweglichen Reflektor einstellbar sind, wobei der Winkel jedes Reflektors gegenüber der Symmetrieachse derart einstellbar ist, dass die Strahlachsen der Laserstrahlen mit unterschiedlichen, durch den jeweiligen Winkel der Reflektoren bestimmten Ablenkwinkeln in einen zentralen Bereich der Aperturöffnung der Fokussieroptik ablenkbar sind, wobei die Fokussieroptik als eine Planfeld-Optik ausgeführt ist. Dabei dient die Vorrichtung in der Praxis der zeitgleichen Bearbeitung des Werkstücks mittels mehrerer Laserstrahlen.
-
Bei einer einfachen Bauform wird ein Strahlteiler eingesetzt, dem im Strahlengang zumindest eines Laserstrahls ein Reflektor nachgeordnet ist, um so einen parallelen Strahlengang zu erzeugen. Mittels einer Fokussieroptik wird jeder Laserstrahl in eine gemeinsame Fokussierebene auf das Werkstück fokussiert. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise durch die
US 61 03 990 A bekannt. Weiterhin sind Vorrichtungen mit einem Strahlteiler auch in der
EP 06 24 424 A1 sowie in der
US 69 27 109 B1 beschrieben.
-
Als aufwendig erweist sich in der Praxis die gewünschte, insbesondere stufenlose Einstellbarkeit des Abstands der Fokuspunkte. Hierzu kann der Reflektor gegenüber dem Strahlengang des anderen Laserstrahls verfahrbar ausgeführt sein, um so den gewünschten Ablenkwinkel zu erzeugen.
-
Die
JP 59 218292 A offenbart bereits eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Strahlteiler zur Erzeugung von zumindest zwei im Wesentlichen parallelen Teilstrahlen und einer Fokussieroptik zum Fokussieren jedes Teilstrahls in eine gemeinsame Fokussierebene. Im Strahlengang der beiden Teilstrahlen ist jeweils ein Reflektor zur Umlenkung des jeweiligen Teilstrahls in eine gemeinsame Ebene parallel zu der Fokussierebene in Richtung auf einander gegenüberliegende, zwischen den Reflektoren angeordnete Umlenkflächen vorgesehen. Die Umlenkflächen sind jeweils gegenüber der Fokussierebene um einen Winkel von 45° geneigt angeordnet, wobei die den jeweiligen Teilstrahlen zugeordneten Umlenkflächen relativ zu dem jeweiligen Reflektor senkrecht zur Fokussierebene beweglich angeordnet sind. Hierdurch wird es möglich, den Abstand von zwei benachbarten Teilstrahlen insbesondere stufenlos zu verändern, ohne dass damit zugleich eine Änderung der Fokuslage verbunden ist, sodass insbesondere eine zeitgleiche Nachführung der Vorrichtung relativ zu dem Werkstück entbehrlich ist. Der Ablenkwinkel ist dabei konstant.
-
Die
DE 195 14 783 A1 betrifft ganz allgemein ein Strahlablenkelement mit einem ersten Reflektor, der mit einem unter einem Eintrittswinkel einfallenden Eintrittsstrahl beaufschlagbar ist, mit einem von dem ersten Reflektor in einem Abstand sowie unter einem Neigungswinkel angeordneten zweiten Reflektor, der mit einem durch den ersten Reflektor zurückgeworfenen Reflexionsstrahl beaufschlagbar ist, und mit wenigstens einem Stellelement, mit dem einer der Reflektoren gegenüber dem anderen Reflektor in wenigstens zwei Stellungen ausrichtbar ist. Der Abstand, der Neigungswinkel und der Eintrittswinkel sind so eingerichtet, dass wenigstens an einem der Reflektoren zumindest zwei Reflexionen auftreten. Durch die mehrfachen Reflexionen wird auch bei sehr geringen Neigungswinkeln eine sich multiplikativ mit der Anzahl der Mehrfachreflexionen verändernde Ablenkung des Eintrittsstrahls erreicht. In bevorzugten Ausgestaltungen sind als Reflektoren hochreflektierende Planspiegel vorgesehen, die mit kleinen Neigungswinkeln dicht beieinander angeordnet sind, sodass auch bei verhältnismäßig großen Eintrittswinkeln wenigstens vier Reflexionen bis zum Austritt aus dem Strahlablenkelement auftreten.
-
Aus der
US 5 670 069 A ist ferner eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Substrats mittels eines einzigen verstellbaren Laserstrahls bekannt, wobei die Vorrichtung mit zumindest einer Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls in die Fokussierebene ausgestattet ist. Im Strahlengang sind zwei bewegliche Reflektoren zur Ablenkung des Laserstrahls angeordnet, die als so genannte Galvanometerscanner ausgeführt sind. Aufgrund der Ablenkung wird der Laserstrahl mit variablem Einfallswinkel durch eine Aperturöffnung in ein F-Theta-Objektiv eingekoppelt, um so einen beliebigen Abstand von einer Mittellage einstellen zu können.
-
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise aus der
EP 1 271 219 A1 bekannt. Der Ablenkwinkel des jeweiligen Laserstrahls wird dabei durch einen Reflektor bestimmt, der mittels einer einen Antrieb aufweisenden Einstellungsbaugruppe linear verfahrbar und zusätzlich mittels eines getrennten Antriebs um eine Drehachse schwenkbar ist, wobei der Abstand der Reflektoren gegenüber der Symmetrieachse konstant ist.
-
Die
EP 0 706 072 A2 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung, die einen segmentierten Reflektor zur Laserablenkung aufweist, dessen Segmente sich mittels einer Neigungsverstellung einstellen lassen.
-
Die Besonderheit einer Planfeld-Optik, insbesondere eines F-Theta-Objektivs, liegt darin, dass durch sie ein Brennpunkt außerhalb der Mittelachse in einer Fokusebene erzeugt werden kann, wobei der Abstand des Fokuspunkts von der Mittelachse proportional zu dem Winkel zwischen dem eintretenden Laserstrahl und der Richtung der Mittelachse ist.
-
Bei einem sogenannten telezentrischen F-Theta-Objektiv treffen die Laserstrahlen senkrecht auf die Fokusebene. Die unterschiedlichen Laserstrahlen sind dann also zwischen F-Theta-Objektiv und Fokusebene parallel zueinander.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zur Einstellung der variierbaren Abstände mehrerer Laserstrahlen in der Fokusebene zu schaffen. Insbesondere soll die Vorrichtung mit vergleichsweise kostengünstig verfügbaren optischen Elementen realisierbar sein.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
-
Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei welcher der Abstand und zusätzlich der Winkel jedes Reflektors gegenüber der Symmetrieachse einstellbar ist, indem die Reflektoren entlang einer gekrümmten Bahn beweglich sind, die zumindest abschnittsweise einen kreisbogenförmigen Bereich aufweist.
-
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass bei mehreren Laserstrahlen ein übereinstimmender oder unterschiedlicher Abstand der Fokuspunkte in überraschend einfacher Weise dadurch stufenlos eingestellt werden kann, dass die Laserstrahlen durch den beweglichen Reflektor unter einem einstellbaren Ablenkwinkel, welcher durch den Schwenkwinkel des Reflektors bestimmt ist, in die Planfeld-Optik eingekoppelt werden, wobei der gemeinsame Schnittpunkt aller Strahlachsen der Laserstrahlen mit der Symmetrieachse in dem zentralen Bereich der Aperturöffnung liegen. Dieser zentrale Bereich ist nicht notwendigerweise durch einen Punkt definiert, sondern beschreibt eine Fläche geringer Ausdehnung. Die an sich bekannte Besonderheit der Planfeld-Optik – und insbesondere eines F-Theta-Objektivs – liegt nun darin, dass die aus der Planfeld-Optik austretenden Laserstrahlen in der Fokussierebene einen unterschiedlichen Abstand von der Mittelachse haben, wenn der Eintrittswinkel differiert. Dabei besteht bei dem F-Theta-Objektiv eine lineare Abhängigkeit des Eintrittswinkels und des Abstandes der Fokuspunkte, sodass diesem eine besondere praktische Bedeutung zukommt. Insbesondere sind die Laserstrahlen bei einem telezentrischen F-Theta-Objektiv parallel und treffen somit senkrecht auf die Fokussierebene. Die Vorrichtung kann dabei aus vergleichsweise kostengünstig verfügbaren Spiegeln, insbesondere Planspiegeln, als Reflektoren, dem Planfeld-Optik, beispielsweise einem Theta-Objektiv, sowie einem Antrieb zur Einstellung der jeweils gewünschten Position und der sich daraus ableitenden Orientierung aufgebaut werden. Die beweglichen Reflektoren sind dabei im Strahlengang der Laserstrahlen vor der Fokussieroptik angeordnet. Die gekrümmte Bahn wird in der Praxis in einfacher Weise dadurch ermöglicht, dass die Reflektoren an einem Wagen fixiert und entlang einer Schiene beweglich sind, wobei der Wagen mehrere Gleit- oder Rollenlager aufweisen kann. Dabei sind die Reflektoren an ihrem jeweiligen, entlang einer gekrümmten Schiene verfahrbaren Schlitten oder Wagen unbeweglich angeordnet, wobei jedoch eine einmalige Einstellbarkeit der Winkelstellung des Reflektors grundsätzlich vorgesehen sein kann.
-
Durch eine paarweise Ablenkung der Laserstrahlen desselben Laserstrahlenpaars in entgegengesetzten Richtungen, aber mit demselben Betrag, ergibt sich also in Bezug auf die Symmetrieachse der Planfeld-Optik ein jeweils übereinstimmender Abstand der Fokuspunkte von der Mittelachse in der Fokussierebene.
-
Die verschiedenen Ablenkwinkel der Reflektoren erfordern einen unterschiedlichen Verstellweg der Reflektoren hinsichtlich des Abstands zu der Symmetrieachse ebenso wie der Winkelstellung der Reflektoren. Hierzu kann jedem Reflektor ein eigener Antrieb zugeordnet sein, um eine schnelle und unabhängige Verstellmöglichkeit der benachbarten Fokuspunkte zu erreichen. Hierdurch können bedarfsweise auch verschiedene Abstände benachbarter Fokuspunkte untereinander eingestellt werden.
-
Alternativ kann auch ein gemeinsamer Antrieb für jeweils zwei beiderseits der Symmetrieachse bewegliche oder auch alle Reflektoren vorgesehen werden, wobei das erforderliche Übersetzungsverhältnis zur Realisierung unterschiedlicher Beträge der Verstellbewegung beispielsweise mittels eines Getriebes oder einer Hebelmechanik realisiert werden können.
-
Die kreisbogenförmigen Bewegungsbahnen der verschiedenen Reflektoren können konzentrisch angeordnet sein. Besonders einfach ist es jedoch demgegenüber, wenn mehrere den jeweiligen Laserstrahlen zugeordneten Reflektoren entlang einer gemeinsamen Bahn, insbesondere auf derselben Schiene, beweglich sind. Ein übereinstimmender, zwischen den jeweiligen Ablenkwinkeln eingeschlossener Winkel führt dabei zu übereinstimmenden Abständen der Fokuspunkte auf dem Werkstück, wobei der Betrag des Winkels zugleich den Abstand der Fokuspunkte definiert.
-
Weiterhin erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn mehrere Reflektoren jeweils paarweise beiderseits der Symmetrieachse in eine spiegelsymmetrische Position beweglich angeordnet sind, sodass also die Reflektoren in Bezug auf die Symmetrieachse mit einem übereinstimmenden Betrag hinsichtlich des Winkels und des Abstands gegenüber der Symmetrieachse und in entgegengesetzte Richtungen beweglich sind.
-
Der erforderliche Bauraum kann dadurch verringert werden, dass zumindest einzelne Laserstrahlen zusätzlich zu dem beweglichen Reflektor an einem unbeweglichen Reflektor abgelenkt werden. Hierdurch werden die Toleranzanforderungen der Fokuspunkte auf dem Werkstück bei vorgegebener Positioniergenauigkeit der beweglichen Reflektoren auch dann erreicht, wenn der Abstand der Reflektoren gegenüber der Aperturöffnung der Fokussieroptik gering ist. Zu diesem Zweck werden die Laserstrahlen zunächst in eine der Aperturöffnung der Fokussieroptik abgewandten Richtung auf den stationären Reflektor abgelenkt und gelangen von dort in die Aperturöffnung, sodass der Strahlengang zwischen dem jeweiligen beweglichen Reflektor und der Aperturöffnung verlängert ist. Dabei kann jedem Laserstrahl ein separater stationärer Reflektor zugeordnet sein oder aber mehrere Laserstrahlen können an demselben stationären Reflektor abgelenkt werden. Selbstverständlich kann durch den unbeweglichen Reflektor auch eine Ablenkung aus einer durch die einfallenden Laserstrahlen definierten gemeinsamen Ebene heraus vorgesehen sein, um so beispielsweise konstruktive Anforderungen an die Vorrichtung erfüllen zu können.
-
In der Praxis hat es sich darüber hinaus als besonders Erfolg versprechend erwiesen, wenn die Vorrichtung zumindest einen weiteren, insbesondere entlang der Symmetrieachse in die Aperturöffnung der Fokussieroptik mit einem unveränderlichen Winkel eintretenden Laserstrahl aufweist. Dieser zentrale Laserstrahl ist also im Betrieb der Vorrichtung in seiner Winkelposition, die nicht zwingend der Symmetrieachse folgen muss, festgelegt, sodass seine Position auf dem zu bearbeitenden Werkstück entsprechend vorbestimmt ist. Vorzugsweise bildet dieser Laserstrahl einen Mittelstrahl, sodass dieser beiderseits von derselben Anzahl von Laserstrahlen flankiert ist.
-
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigen jeweils in einer Prinzipdarstellung in
-
1 einen entlang einer kreisbogenförmigen Bahn verfahrbaren Reflektor zur Ablenkung eines Laserstrahls in eine Planfeld-Optik;
-
2a eine Vorrichtung mit mehreren entlang konzentrischer Kreisbögen verfahrbaren Reflektoren in einer ersten Arbeitsposition;
-
2b die in der 2a dargestellte Vorrichtung in einer zweiten Arbeitsposition.
-
In der 1 ist zunächst das Prinzip zur Einstellung eines Ablenkwinkels Θ eines Laserstrahls 1 dargestellt. Hierdurch wird zugleich die Position eines in den 2a und 2b gezeigten Fokuspunkts 18 des Laserstrahls 1 in einer Fokussierebene 19 festgelegt, indem nämlich der Laserstrahl 1 mit unterschiedlichen, entsprechend dem Abstand Amin, A, Amax bestimmten Ablenkwinkeln Θmin, Θ, Θmax gegenüber einer durch eine Planfeld-Optik 4 bestimmten Symmetrieachse 5 in einen zentralen Bereich 6 einer Aperturöffnung 7 der Planfeld-Optik 4 abgelenkt wird. Der Verstellbereich des Ablenkwinkels ΔΘ entspricht dabei der Differenz des maximalen und des minimalen Ablenkwinkels entsprechend ΔΘ = Θmax – Θmin. Dabei steht der Index i stellvertretenden für einen beliebigen der in den 2a und 2b dargestellten, ablenkbaren Laserstrahlen 1, 1', 2, 2', 3, 3'. Der Laserstrahl 1 wird hierzu an einem Reflektor 8 abgelenkt, welcher an einem entlang einer Bahn 11 mit einem kreisbogenförmigen Bereich 14 verfahrbaren Schlitten 15 beweglich ist, sodass sich in Abhängigkeit des Abstands Amin, A, Amax ein entsprechend unterschiedlicher Winkel φmin, φ, φmax gegenüber einer Normalen 17 zu der Symmetrieachse 5 ergibt. Hierzu ist dem Schlitten 15 ein nicht gezeigter Antrieb zugeordnet, mit welchem er beispielsweise mittels einer Koppelstange oder einer Gewindespindel verbunden ist. Der Radius R des kreisbogenförmigen Bereichs ausgehend von einem Mittelpunkt 0 auf der Symmetrieachse 5 ist dabei annähernd doppelt so groß wie der Abstand S des zentralen Bereichs 6 der Aperturöffnung 7 der Planfeld-Optik 4 gegenüber dem Reflektor 8. Der Laserstrahl 1 folgt dabei vor seiner Ablenkung an dem Reflektor 8 einer Einfallachse 16, welche bei einem mittleren Ablenkwinkel Θ etwa einer Tangentialen an dem kreisbogenförmigen Bereich 14 entspricht, sodass sich gegenüber der Normalen 17 zu der Symmetrieachse 5 eine Winkelabweichung α ergibt. Auf diese Weise wird eine Reduzierung der erforderlichen Größe der Reflexionsfläche des Reflektors 8 erreicht.
-
Eine nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip aufgebaute Vorrichtung mit der die Symmetrieachse 5 aufweisenden Planfeld-Optik 4 zum Fokussieren mehrerer Laserstrahlen 1, 1', 2, 2', 3, 3' wird anhand der 2a und 2b näher dargestellt. Um die Abstände a zwischen den Fokuspunkten 18 der Laserstrahlen 1, 1', 2, 2', 3, 3' in der Fokussierebene 19 nahezu beliebig einstellen zu können, sind die in der 1 gezeigten Ablenkwinkel O jedes Laserstrahls 1, 1', 2, 2', 3, 3' mittels eines dem Laserstahl 1, 1', 2, 2', 3, 3' jeweils zugeordneten, verfahrbaren Reflektors 8, 8', 9, 9', 10, 10' einstellbar. Die Laserstrahlen 1, 1', 2, 2', 3, 3' treten daher mit unterschiedlichen, durch den jeweiligen Winkel der Reflektoren 8, 8', 9, 9', 10, 10' bestimmten Ablenkwinkeln Θ in den zentralen Bereich der Aperturöffnung 6 der Planfeld-Optik 4 ein. Die an sich bekannte Besonderheit dieser insbesondere als ein F-Theta-Objektiv ausgeführten Planfeld-Optik 4 besteht darin, dass die aus der Planfeld-Optik 4 austretenden Laserstrahlen 1, 1', 2, 2', 3, 3' in der Fokussierebene 19 einen unterschiedlichen Abstand a von der Symmetrieachse 5 haben, wenn der Ablenkwinkel Θ differiert. Hierzu sind jeweils zwei Reflektoren 8, 8', 9, 9', 10, 10' paarweise an einem jeweiligen Schlitten entlang einer gemeinsamen, einen kreisbogenförmigen Verlauf aufweisenden Bahn 11, 12, 13 beweglich. Zusätzlich zu den ablenkbaren Laserstrahlen 1, 1', 2, 2', 3, 3' tritt ein weiterer, zentraler Laserstrahl 20 entlang der Symmetrieachse 5 in die Aperturöffnung 7 der Fokussieroptik ein, welcher somit eine unveränderliche Mittelachse bildet.
