DE102009025182A1

DE102009025182A1 - Optischer Strahlaufweiter und Bearbeitungsverfahren mit einem solchen Strahlaufweiter

Info

Publication number: DE102009025182A1
Application number: DE102009025182A
Authority: DE
Inventors: Adolf Fleck; Hendrik Hengst
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2029-06-13
Also published as: DE102009025182B4

Abstract

Es wird bereitgestellt ein optischer Strahlaufweiter mit einer ersten, zweiten und dritten Fassung (2, 4, 5), die jeweils zumindest eine Linse (3, 5, 7) haltern und so miteinander verbunden sind, dass sowohl die erste und zweite Fassung (2, 4) als auch die zweite und dritte Fassung (4, 6) jeweils in Längsrichtung des Strahlaufweiters (1) relativ zueinander verschiebbar sind, um den Abstand der durch die entsprechenden Fassungen (2, 4, 6) gehalterten Linsen (3, 5, 7) zu verändern, und mit einem ersten elastischen Element (17; 25), das mit der ersten oder zweiten Fassung (2, 4) verbunden ist, um die zwischen der ersten und zweiten Fassung (2, 4) vorliegende Spielpassung zu verbessern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Strahlaufweiter, insbesondere für die Lasermaterialbearbeitung, sowie ein Verfahren zur Bearbeitung von Materialien mittels Laser und eines solchen optischen Strahlaufweiters.
Für den Einsatz von Laserstrahlung in Prozessen, bei denen eine hohe Energiedichte benötigt wird, um einen bestimmten Effekt im Material zu bewirken, werden sehr kleine Spotdurchmesser benötigt. Hierbei kann es sich zum Beispiel um Schneiden, Gravieren, Beschriften, usw. handeln. Speziell für solche Anwendungen werden optische Strahlaufweiter (Beam Expander) häufig konzipiert.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen variablen optischen Strahlaufweiter bereitzustellen, der kostengünstig hergestellt werden kann und mit dem die gewünschte Strahlaufweitung leicht und dauerhaft eingestellt werden kann. Ferner soll ein Lasermaterialbearbeitungsverfahren mit einem solchen optischen Strahlaufweiter zur Verfügung gestellt werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst durch einen optischen Strahlaufweiter gemäß Anspruch 1.
Der erfindungsgemäße Strahlaufweiter mit verbesserter Spielpassung (insbesondere passspielfrei) der zwei relativ zueinender bewegbaren Fassungen (erste und zweite Fassung) ist insbesondere gekennzeichnet durch das Einbringen mindestens eines elastischen Elements (z. B. O-Ring). Hierdurch ist es möglich, die bei einer Passgruppe (Spielpassung) auftretende Grundluft zu reduzieren. Dabei ist die sich ergebende Zentriergenauigkeit immer besser oder gleich gut wie die durch die Toleranz der beiden Einzelteile bzw. Fassungen bedingte Grundluft der Teilepaarung. Da gemäß der erfindungsgemäßen Konstruktionslösung in der bzw. den Passungen zusätzlich ein oder mehrere elastische Elemente (z. B. O-Ringe) eingebracht sind, können die Bewegungen der Fassungen möglichst genau und ohne für mechanische Schwingungen anfälligen Bewegungsluft gestaltet werden. Dieses elastische Element bzw. diese elastischen Elemente ermöglichen durch eine definierte Kompression ein Minimieren der Grundluft der Passung. Durch geeignete Schmierung ist hier auch eine gleitende Bewegung der Teile auf diesen elastischen Elementen (z. B. O-Ringen) möglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlaufweiters sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 15 angegeben.
Der Zoombereich des erfindungsgemäßen Strahlaufweiters ist bevorzugt von 2x bis 10x, wobei der Strahlaufweiter insbesondere stufenlos einstellbar ist.
Je größer der aufgeweitete Strahl ist, desto kleinere Spots können mit einem anschließenden F-Theta-Objektiv erzielt und desto kleinere Strukturen können z. B. in der Mikromaterialbearbeitung erzeugt werden.
Der erfindungsgemäße Strahlaufweiter bietet insbesondere einen variablen 2 bis 10-fachen Aufweitungsfaktor, der stufenlos einstellbar ist. Die Linsen sind in geeigneter Weise beschichtet. Beispielsweise durch eine JENODUR-Beschichtung.
Insbesondere kann erfindungsgemäß ein in besonderer Weise gestalteter Fokussierring (erster oder zweiter Einstellring für Fokus) die gezielte Veränderung der Divergenz der Laserstrahlen und somit einen Ausgleich der Brennweitentoleranzen im Gesamtsystem ermöglichen. Ebenso ist eine Veränderung der Position der Bildebene nach dem Scansystem möglich.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung ist vorteilhafterweise kein Wechsel der Linsenelemente notwendig, wenn der Zoom oder Focus gewechselt werden sollen.
Die Feineinstellung des Zoom- und Fokusmaßstabes beim erfindungsgemäßen Strahlaufweiter erfolgt bevorzugt über die Kombination aus mm-Skalen und Noniusbändern. Die Einstellungen können anhand des direkt auf dem Strahlaufweiter bzw. Beam Expander eingravierten Zoom- und Fokusmaßstabes erfolgen.
Der erfindungsgemäße Strahlaufweiter ist sehr robust und kompakt, so daß es bei einer Setup-Veränderung zu keiner Rotation der Linsen bzw. Linsenelemente kommt. So wird eine verbesserte Strahlstabilität erreicht.
Der Strahlaufweiter weist insbesondere ein beugungsbegrenztes Design auf und ist beispielsweise für die jeweilige Anwendungswellenlänge 355 nm, 532 nm oder 1064 nm vergütet.
Der erfindungsgemäße Beam Expander kann insbesondere optimal mit F-Theta-Objektiven in verschiedensten Strahlführungssystemen eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Strahlaufweiter kann beispielsweise an die Wellenlängen 355 nm, 532 nm und 1064 nm und somit optimal an die Präzisionsanforderungen in der Lasermaterialbearbeitung angepaßt werden. Durch den erweiterten Zoombereich bis zu einer 10-fachen Strahlaufweitung sind neue Anwendungsbereiche möglich.
Bei dem erfindungsgemäßen Strahlaufweiter kann die Verschiebung der Linsen durch einen Fokussierring erfolgen, der in der Mittelfassung angeordnet ist.
Es wird ferner ein Verfahren zur Bearbeitung von Materialien mittels eines Lasers bereitgestellt, bei dem ein erzeugter Laserstrahl (bzw. Laserstrahlenbündel) durch einen erfindungsgemäßen Strahlaufweiter geführt wird, der den Laserstrahl dabei aufweitet und bei dem der aufgeweitete Laserstrahl zu einer dem Strahlaufweiter nachgeordneten Scannereinrichtung geführt wird, der ein geeignetes F-Theta-Objektiv nachgeordnet ist, welches den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Materialoberfläche leitet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Aufweitung des/der Laserstrahles/n derartig erfolgen, daß aufgrund der Zuordnung der Linsen im Strahlaufweiter zueinander und deren Verbindung und Steuerung mittels eines Fokussierringes eine gezielte Veränderung der Divergenz der Laserstrahlen erfolgt, die einen Ausgleich der Brennweitentoleranzen im Gesamtsystem bewirkt. Somit kann ein Strahl erzeugt werden, der in verschiedensten Strahlführungssystemen einsetzbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilhafterweise kein Wechsel der Linsenelemente notwendig, wenn der Zoom oder Fokus gewechselt werden sollte, so daß kontinuierliche und stufenlose Bearbeitungsschritte möglich sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere so weitergebildet werden, daß die bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Strahlaufweiters eingesetzt bzw. bei der Materialbearbeitung genutzt werden.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Strahlaufweiters mit einer ersten Stellung der Fassungen zueinander;
2 den Strahlaufweiter der Ausführungsform von 1 in Schnittdarstellung mit einer zweiten Stellung der Fassungen zueinander, und
3 eine schematische Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen Strahlaufweiters gemäß 1 und 2 bei einer Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt der erfindungsgemäße optische Strahlaufweiter 1 eine Hinterfassung 2 (erste oder dritte Fassung), die eine erste Linse 3 mit positiver Brechkraft haltert, eine Mittelfassung 4 (zweite Fassung), die eine zweite Linse 5 mit negativer Brechkraft haltert, sowie eine Vorderfassung 6 (dritte oder erste Fassung), die ein Linsenpaar 7 mit positiver Brechkraft haltert.
Die Hinterfassung 2 und die Mittelfassung 4 sind in Längsrichtung des Strahlaufweiters 1 zueinander verschiebbar. Gleiches gilt für die Mittelfassung 4 und die Vorderfassung 6. Durch die beschriebene Verschiebbarkeit der Fassungen 2, 4 und 6 zueinander, kann der Abstand zwischen der ersten und zweiten Linse 3, 5 sowie der Abstand zwischen der zweiten Linse 5 und dem Linsenpaar 7 voneinander unabhängig eingestellt werden, so daß der Strahlaufweiter 1, der in Art eines Galilei-Fernrohrs aufgebaut ist, die gewünschte Strahlaufweitung um den Faktor 2–10 erzeugt. Unter der Strahlaufweitung wird hier insbesondere verstanden, daß der Durchmesser eines in 1 von links auf die erste Linse 3 fallendes paralleles Laserstrahlbündel (in 1 nicht eingezeichnet) nach Durchlaufen des Strahlaufweiters 1 wiederum als im wesentlich paralleles Laserstrahlbündel (in 1 nicht eingezeichnet) austritt, das jedoch einen um den Faktor 2–10 größeren Durchmesser aufweist. Mit dem erfindungsgemäßen Strahlaufweiter 1 wird somit bevorzugt eine Abbildung von Unendlich nach Unendlich durchgeführt.
Wie am besten aus 1 und 2 ersichtlich ist, in den unterschiedliche Verschiebestellungen der Fassungen zueinander dargestellt sind, können die Hinterfassung 2 und die Mittelfassung 4 einerseits sowie die Mittelfassung 4 und die Vorderfassung 6 andererseits teleskopartig relativ zueinander in Längsrichtung des Strahlaufweiters 1 verschoben werden. Dazu sind ein erster und ein zweiter Einstellring 8, 9 vorgesehen.
Der erste Einstellring 8 weist einen ersten Innengewindeabschnitt 10, der als Linksgewinde ausgebildet ist, sowie einen zweiten Innengewindeabschnitt 11, der als Rechtsgewinde ausgebildet ist, auf. Die beiden Innengewindeabschnitte 10, 11 stehen in Eingriff mit entsprechend ausgebildeten Außengewindeabschnitten 12, 13 auf der Hinterfassung 2 sowie der Mittelfassung 4, so daß ein Drehen des ersten Einstellringes 8 in eine erste Drehrichtung dazu führt, daß sich die Hinterfassung 2 und die Mittelfassung 4 voneinander weg bewegen (der Abstand zwischen der ersten und zweiten Linse 3, 5 wird größer). Bei Drehen des ersten Einstellringes 8 in der anderen Richtung bewegen sich die beiden Fassungen 2, 4 bzw. die beiden Linsen 3, 5 aufeinander zu.
Um eine Rotation der beiden Fassungen 2, 4 relativ zueinander bei dieser Bewegung zu verhindern, weist die Mittelfassung 4 eine sich in Längsrichtung der Strahlaufweiters 1 erstreckende Längsnut 14 auf, in der ein in der Hinterfassung 2 befestigter Stift 15 einsteht. Der Stift 15 kann insbesondere als Schraube derart verwirklicht sein, daß zumindest der Abschnitt der Schraube, der in der Wandung der Hinterfassung 2 liegt, ein Gewinde aufweist.
Durch diesen in der Längsnut 14 geführten Stift 15 wird eine Drehung von Hinterfassung 2 und Mittelfassung 4 relativ zueinander verhindert, so daß durch ein Drehen des ersten Einstellringes 8 nur eine translatorische Bewegung der beiden Fassungen 2, 4 relativ zueinander in Richtung der Längsrichtung des Strahlaufweiters 1 auftritt. Das führt zu dem Vorteil, daß bei dieser Bewegung keine Rotation der beiden Linsen 3, 5 zueinander auftritt, wodurch selbst bei Vorliegen eines Zentrierfehlers zwischen den beiden Linsen 3 und 5 es zu keinem Wandern des fokussierten Laserstrahlbündels auf dem Werkstück kommt, wenn der Abstand der beiden Linsen 3 und 5 verändert wird. Bei bisher bekannten Strahlaufweitern wird die Abstandsänderung immer gleichzeitig mit einer Rotation der Linsen zueinander bewirkt, so daß ein Zentrierfehler der Linsen bei Fokussierung des aus dem Strahlaufweiter austretenden Laserstrahlenbündels auf ein Werkstück stets nachteilig zu einem Wandern des Fokus auf dem Werkstück führt.
Die beiden Fassungen 2 und 4 sind so ausgebildet, daß zwischen ihnen eine Spielpassung vorliegt (z. B. G7/h7). Um nun eine Verbesserung dieser Passung zu erreichen bzw. die Grundluft zu verringern, weist die Mittelfassung 4 eine Ringnut 16 auf, in der ein elastischer O-Ring 17 sitzt. Der O-Ring 17 führt zu einer besseren Passung, einer besseren Zentriergenauigkeit sowie wirkt auch noch stabilisierend für die zwei zueinander verschiebbaren Fassungen 2, 5. Nachdem mittels des O-Ringes 17 die resultierende Passung nicht schlechter sein kann als die vorliegende mechanische Passung, wird durch Vorsehen des O-Ringes 17 auf kostengünstige Art und Weise eine Verbesserung der Passung erreicht.
Der zweite Einstellring 9 weist in gleicher Weise wie der erste Einstellring 8 einen ersten Innengewindeabschnitt 18, der als Rechtsgewinde ausgebildet ist, sowie einen zweiten Innengewindeabschnitt 19, der als Linksgewinde ausgebildet ist, auf. Die beiden Innengewindeabschnitte 18, 19 stehen in Eingriff mit an der Mittelfassung 4 und der Vorderfassung 6 ausgebildeten Außengewindeabschnitten 20, 21, so daß in gleicher Weise wie beim ersten Einstellring 8 durch Drehen des zweiten Einstellringes 9 die Mittelfassung 4 und die Vorderfassung 6 entweder voneinander weg oder aufeinander zu bewegt werden. Um nur eine translatorische Bewegung zu bewirken, weist die Vorderfassung 6 eine Längsnut 22 auf, in der ein in der Mittelfassung 4 befestigter Stift 23 einsteht. Ferner weist die Vorderfassung 6 eine Ringnut 24 auf, in der ein zweiter elastischer O-Ring 25 sitzt, der in gleicher Weise wie der O-Ring 17 zur Verbesserung der Passung zwischen Mittelfassung 4 und Vorderfassung 6 dient.
Ferner ist in der Mittelfassung 4 eine Verbindungsbohrung 26 vorgesehen, die einen Verbindungskanal zwischen dem Inneren der Mittelfassung 4 und dem Inneren der Hinterfassung 2 bildet, so daß ein Druckausgleich zwischen den beiden Innenräumen der Mittel- und Hinterfassung 4, 2 vorliegt. In gleicher Weise ist eine zweite Verbindungsbohrung 27 in der Hinterfassung 2 vorgesehen, durch die ein Druckausgleich zwischen der Umgebung und dem Innenraum der Hinterfassung vorliegt. Dadurch wird die teleskopartige Verschiebung zwischen Vorderfassung 6 und Mittelfassung 4 einerseits und Mittelfassung 4 und Hinterfassung 2 andererseits erleichtert.
In 3 ist schematisch eine Materialbearbeitungsvorrichtung 30 gezeigt, in der der erfindungsgemäße Strahlaufweiter 1 eingesetzt ist. Die Materialbearbeitungsvorrichtung 30 umfaßt einen Laser 31, der ein im wesentlichen paralleles Laserstrahlbündel (bzw. Laserstrahl) 32 abgibt, das den Strahlaufweiter 1 durchläuft und von dem Strahlaufweiter 1 als im wesentlichen paralleles Laserstrahlbündel 33 mit größerem Durchmesser abgegeben wird. Das Laserstrahlbündel 33 trifft auf eine Scannereinrichtung 34, die die gewünschte Ablenkung des Laserstrahlbündels 33 erzeugt und das abgelenkte Laserstrahlbündel 35 auf ein F-Theta-Objektiv 36 lenkt, das das Laserstrahlbündel 35 auf das zu bearbeitende Werkstück 37 fokussiert.
Die Materialbearbeitungsvorrichtung 30 kann natürlich Zusatzelemente, wie z. B. ein Kameraadapter oder andere periphere Elemente aufweisen. Insbesondere kann die Materialbearbeitungsvorrichtung 30 noch solche Elemente bzw. Teile aufweisen, die zum Betrieb notwendig sind, wie z. B. eine nicht gezeigte Steuereinrichtung.
Mit der Materialbearbeitungsvorrichtung 30 kann dann die gewünschte Laserbearbeitung von Materialien bzw. des Werkstückes 37 durchgeführt werden, wie z. B. ein Schneiden, Gravieren und/oder Beschriften des Werkstücks.
Aufgrund des eingesetzten Strahlaufweiters 1 kann mit der Materialbearbeitungsvorrichtung 30 eine Lasermaterialbearbeitung mit höherer Präzision durchgeführt werden.

Claims

Optischer Strahlaufweiter mit einer ersten, zweiten und dritten Fassung (2, 4, 5), die jeweils zumindest eine Linse (3, 5, 7) haltern und so miteinander verbunden sind, daß sowohl die erste und zweite Fassung (2, 4) als auch die zweite und dritte Fassung (4, 6) jeweils in Längsrichtung des Strahlaufweiters (1) relativ zueinander verschiebbar sind, um den Abstand der durch die entsprechenden Fassungen (2, 4, 6) gehalterten Linsen (3, 5, 7) zu verändern, und mit einem ersten elastischen Element (17; 25), das mit der ersten oder zweiten Fassung (2, 4) verbunden ist, um die zwischen der ersten und zweiten Fassung (2, 4) vorliegende Spielpassung zu verbessern.
Strahlaufweiter nach Anspruch 1, mit einem zweiten elastischen Element (25; 17) das mit der zweiten oder dritten Fassung (4, 2; 4, 6) verbunden ist, um die zwischen der zweiten und dritten Fassung (4, 6; 4, 2) vorliegende Spielpassung zu verbessern.
Strahlaufweiter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste und/oder zweite elastische Element (17, 24) als O-Ring ausgebildet ist.
Strahlaufweiter nach Anspruch 3, bei dem der O-Ring in einer Ringnut (16, 23) der entsprechenden Fassung (2, 6) sitzt.
Strahlaufweiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Fassungen (2, 4, 6) so miteinander verbunden sind, daß bei Verschieben von zwei Fassungen (2, 4; 4, 6) zueinander keine Rotation der einen zur anderen Fassung (2, 4; 4, 6) erfolgt.
Strahlaufweiter nach einem der obigen Ansprüche, mit einem ersten Einstellring (8), der einen ersten Innengewindeabschnitt (10), der als Linksgewinde ausgebildet ist, und einen zweiten Innengewindeabschnitt (11), der als Rechtsgewinde ausgebildet ist, aufweist, die mit entsprechenden Außengewindeabschnitten (12, 13) der ersten und zweiten Fassung (2, 4) so zusammenwirken, daß bei Drehung des ersten Einstellringes (8) in einer ersten Drehrichtung die beiden Fassungen (2, 4) auseinander bewegt werden und daß bei Drehung des ersten Einstellringes (8) in einer zweiten Drehrichtung die beiden Fassungen (2, 4) zueinander bewegt werden.
Strahlaufweiter nach Anspruch 6, bei dem eine von der ersten und zweiten Fassung (2, 4) eine sich in Längsrichtung des Strahlaufweiters (1) erstreckende Führungsnut (14) aufweist, in die ein mit der anderen der ersten und zweiten Fassung (2, 4) verbundener Führungsstift (22) einsteht, um eine Rotation der ersten und zweiten Fassung (2, 4) zueinander zu verhindern.
Strahlaufweiter nach einem der obigen Ansprüche, mit einem zweiten Einstellring (9), der einen ersten Innengewindeabschnitt (20), der als Rechtsgewinde ausgebildet ist, und einen zweiten Innengewindeabschnitt (21), der als Linksgewinde ausgebildet ist, aufweist, die mit entsprechenden Außengewindeabschnitten (20, 21) der zweiten und dritten Fassung (4, 6) so zusammenwirken, daß bei Drehung des zweiten Einstellrings (9) in einer ersten Drehrichtung die beiden Fassungen (4, 6) auseinander bewegt werden und daß bei Drehung des zweiten Einstellrings (9) in einer zweiten Drehrichtung die Fassungen (4, 6) zueinander bewegt werden.
Strahlaufweiter nach einem Anspruch 8, bei dem eine von der zweiten und dritten Fassung eine sich in Längsrichtung des Strahlaufweiters (1) erstreckende Führungsnut (22) aufweist, in die ein mit der anderen der zweiten und dritten Fassung (4, 6) verbundener Führungsstift (23) einsteht, um eine Rotation der zweiten und dritten Fassung (4, 6) zueinander zu verhindern.
Strahlaufweiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem durch eine Abstandsänderung der Linsen (3, 5, 7) eine steuerbare Veränderung der Divergenz der durch die Linsen (3, 5, 7) laufenden optischen Strahlen erfolgt.
Strahlaufweiter nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Strahlaufweiter (1) für die Wellenlänge 355 nm, 532 nm oder 1064 nm ausgelegt ist.
Strahlaufweiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem eine stufenlose Verschiebung der Fassungen (2, 4, 6) zueinander möglich ist.
Strahlaufweiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Linsen (3, 5, 7) beschichtet sind.
Strahlaufweiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zwischen der ersten und zweiten Fassung (2, 4) ein erster Verbindungskanal (26) zum Druckausgleich zwischen den Innenräumen der beiden Fassungen (2, 4) vorgesehen ist.
Strahlaufweiter nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zwischen der Umgebung einerseits und der ersten oder dritten Fassung (2, 6) andererseits ein zweiter Verbindungskanal (27) zum Druckausgleich zwischen dem Innenraum der ersten bzw. dritten Fassung (2, 6) und der Umgebung vorgesehen ist.
Verfahren zur Bearbeitung von Materialien mittels eines Lasers, bei dem ein erzeugter Laserstrahl durch einen Strahlaufweiter nach einem der Ansprüche 1 bis 15 geführt wird, der den Laserstrahl aufweitet, und bei dem der aufgeweitete Laserstrahl zu einer dem Strahlaufweiter nachgeordneten Scannereinrichtung geführt wird, dem ein geeignetes F-Theta-Objektiv nachgeordnet ist, welches den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Materialoberfläche leitet.