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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Vorrichtungen zum Führen eines Lichtstrahls werden üblicherweise verwendet, um mit Hilfe eines Laserstrahls feste Materialien zu bearbeiten. Der Laserstrahl sorgt an der Stelle, bei welcher er auf das Material auftrifft, für eine punktuelle Energiezufuhr, was zur lokalen Zersetzung des Materials führt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Teil eines Werkstücks abgetrennt oder die Oberfläche bearbeitet werden. Da die Bearbeitung jeweils punktuell an der Stelle erfolgt, an welcher der Lichtstrahl auftrifft, ist eine exakte Führung des Lichtstrahls von hoher Wichtigkeit. Ein im vorliegenden Fall besonders interessierender Einsatzbereich ist das präzise Durchführen von Mikrobearbeitungen, wie beispielsweise das Erzeugen von Durchgangslöchern, Sacklöchern, Mikrogräben oder präzisen Konturschnitten.
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Das Dokument
PCT/EP2008/053042 zeigt eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls mit einer planparallelen Platte, welche rotierend angetrieben werden kann. Durch eine schräge Anordnung der planparallelen Platte relativ zur optischen Achse der Vorrichtung wird erreicht, dass der einfallende Lichtstrahl mit Hilfe der planparallelen Platte parallel versetzt wird. Durch Drehung der planparallelen Platte kann der Lichtstrahl somit auf einer Kreisbahn geführt werden, wodurch ein zylinderförmiges Teil aus dem Werkstück herausgeschnitten werden kann.
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Wünschenswert wäre es, zusätzlich zum Durchmesser der gewünschten Kreisbahn die Schnittbreite einstellen zu können.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls gemäß Anspruch 1 erreicht, welche eine optische Achse und eine erste planparallele Platte aufweist, deren Oberflächennormale in zumindest einem Betriebszustand einen spitzen Winkel zur optischen Achse einnimmt, und welche rotierend angetrieben werden kann, wobei die Vorrichtung ferner eine zweite planparallele Platte aufweist, welche in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls nach der ersten planparallelen Platte angeordnet ist, deren Oberflächennormale in zumindest einem Betriebszustand einen spitzen Winkel zur optischen Achse einnimmt, und welche unabhängig von der ersten planparallelen Platte rotierend angetrieben werden kann.
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Eine derartige Vorrichtung mit zwei vorzugsweise unterschiedlich dicken planparallelen Platten, die gegenüber der optischen Achse der Vorrichtung gekippt sind und somit für einen Parallelversatz des Lichtstrahls sorgen, erlaubt es, dass eine der beiden planparallelen Platten eine Kreisbahn vorgibt, und der Lichtstrahl durch die zweite planparallele Platte entlang dieser Kreisbahn auf kleineren Kreisbahnen geführt wird. Durch diese kleineren Kreisbahnen wird effektiv die mit dem Lichtstrahl erzeugte Schnittbreite gegenüber der mit einem einfachen Lichtstrahl zu erreichenden Schnittbreite vergrößert, ohne dass der Strahl dazu aufgeweitet und die Strahlenergie entsprechend vermindert wird. Anders ausgedrückt führt die zweite planparallele Platte dazu, dass der Lichtstrahl um die von der ersten rotierend angetriebenen und gekippten planparallelen Platte definierte Kreisbahn herum oszilliert, sodass sich die gewünschte größere Schnittbreite entlang einer vordefinierten Kreisbahn ergibt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können aus den abhängigen Ansprüchen erhalten werden.
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Die optische Achse der Vorrichtung ist vorzugsweise parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls. Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung rotationssymetrisch ausgeführt, wobei die optische Achse mit einer Drehachse identisch ist. Die optische Achse kann mit dem Lichtstrahl zusammenfallen.
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Die erste planparallele Platte ist bevorzugt eine Platte aus durchsichtigem Material, welche zwei parallel zueinander angeordnete Oberflächen hat. Die Oberflächen sind um eine Dicke der ersten planparallelen Platte voneinander beabstandet. Die Oberflächennormale ist ein Vektor, welcher senkrecht auf den beiden parallelen Flächen steht.
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Die Oberflächennormale der ersten planparallelen Platte nimmt in zumindest einem Betriebszustand einen spitzen Winkel zur optischen Achse ein. Sofern die planparallele Platte bezüglich des Winkels ihrer Oberflächennormalen zur optischen Achse verstellbar gehalten ist, kann die erste planparallele Platte in einem Betriebszustand auch derart eingestellt werden, dass die Oberflächennormale parallel zur optischen Achse liegt. In diesem Fall findet keine Ablenkung des Lichtstrahls durch die erste planparallele Platte statt. Die erste planparallele Platte kann dann jedoch auch in einem zweiten Betriebszustand derart eingestellt werden, dass ihre Oberflächennormale einen spitzen Winkel zur optischen Achse einnimmt. Falls die erste planparallele Platte derart gehalten ist, dass der Winkel zwischen ihrer Oberflächennormalen und der optischen Achse nicht verändert werden kann, ist die erste planparallele Platte bevorzugt derart gehalten, dass ihre Oberflächennormale zur optischen Achse einen festen spitzen Winkel einnimmt. Dieser Winkel wird im Folgenden auch als erster Kippwinkel bezeichnet.
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Um die erste planparallele Platte rotierend antreiben zu können, ist diese bevorzugt derart in einer Halterung gehalten, dass eine Rotation der Halterung auch eine Rotation der ersten planparallelen Platte verursacht. Die Halterung ist bevorzugt drehbar gelagert, beispielsweise unter Verwendung von Kugellagern oder Gleitlagern. Der Antrieb kann durch Verwendung eines Elektromotors erfolgen, welcher eine rotierende Bewegung auf die Halterung überträgt, beispielsweise mit Hilfe eines Riemens, einer Kette oder Zahnrädern.
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Typischerweise wird die erste planparallele Platte mit einer Drehzahl von etwa 3.000 bis 60.000 Umdrehungen pro Minute angetrieben.
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Erfindungsgemäß weißt die Vorrichtung eine zweite planparallele Platte auf, welche in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls nach der ersten planparallelen Platte angeordnet ist. Für die Ausgestaltung und den Antrieb der zweiten planparallelen Platte gilt im Wesentlichen das für die erste planparallele Platte erwähnte. Entscheidend ist, dass die zweite planparallele Platte unabhängig von der ersten planparallelen Platte rotierend angetrieben werden kann. Dies bedeutet insbesondere, dass sie mit einer anderen Drehzahl angetrieben werden kann, was in der Regel entweder einen eigenen Motor oder einem im Vergleich zur ersten planparallelen Platte unter- oder übersetzten Antrieb durch den gleichen Motor voraussetzen wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen enthalten.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die erste planparallele Platte und die zweite planparallele Platte voreinander verschiedene Dicken auf. Damit kann erreicht werden, dass auch dann, wenn beide planparallele Platten derart angeordnet sind, dass ihre jeweilige Oberflächennormale den gleichen Winkel zur optischen Achse einnimmt, der Lichtstrahl auf einer großen Kreisbahn geführt wird, welche durch die dickere der beiden planparallelen Platte vorgegeben wird, und dass die Schnittbreite durch die dünnere der beiden planparallelen Platten vorgegeben wird. Der Lichtstrahl wird dann auf einer Kreisbahn geführt.
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Besonders bevorzugt ist die Dicke der ersten planparallelen Platte größer als die Dicke der zweiten planparallelen Platte. Dies ermöglicht den Einbau der ersten planparallelen Platte zusammen mit anderen Komponenten der optischen Vorrichtung, während die zweite planparallele Platte, welche die Schnittbreite vorgibt, leichter auszuwechseln ist.
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Alternativ können jedoch auch die jeweiligen Winkel der Oberflächennormalen zur optischen Achse – also die Kippwinkel – eingestellt werden, um den Radius der Kreisbahn und/oder die Schnittbreite einzustellen. Dies ist auch dann möglich, wenn beide planparallelen Platten identische Dicken haben. Ebenso kann eine Kombination aus unterschiedlichen Dicken und unterschiedlichen Winkeln verwendet werden, um die Bahnparameter einzustellen.
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Die erste planparallele Platte und/oder die zweite planparallele Platte sind bevorzugt mit einer Antireflexbeschichtung beschichtet. Damit werden störende Reflexe und Multipunkte, insbesondere bei dünnen Platten, auf dem Werkstück vermieden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung ferner eine Keilplatte auf, wobei die Keilpatte aus einem ersten und einem zweiten optischen Element gebildet ist, und zwei plane Oberflächen als Stirnflächen aufweist, wobei die optischen Elemente der Keilplatte einander zugewandte, komplementäre, sphärische Oberflächen aufweisen, von denen die eine sphärische Oberfläche eine konkave Fläche des ersten optischen Elementes bildet und die andere sphärische Oberfläche eine konvexe Fläche des zweiten optischen Elementes bildet und die konkave Fläche und die konvexe Fläche den gleichen Krümmungsradius besitzen, und derart relativ zueinander entlang der einander zugewandten sphärischen Oberflächen zu verschieben sind, dass die planen Oberflächen als der jeweiligen sphärischen Oberfläche eines jeweiligen optischen Elementes abgewandten Oberflächen wahlweise planparallel oder in einem Winkel zueinander verlaufen.
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Mit Hilfe der Keilplatte kann ein Winkel, welchen der Lichtstrahl beim Verlassen der Vorrichtung relativ zur optischen Achse aufweist, eingestellt werden. Dies erfolgt unabhängig von dem Versatz des Lichtstrahls, welcher durch die beiden planparallelen Platten eingestellt wird. Durch die besondere Ausgestaltung der Keilplatte behält diese auch bei Verstellung Ihrer Elemente eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Massenverteilung, wodurch eine mögliche Unwucht der Vorrichtung minimiert wird.
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Besonders bevorzugt ist die Keilplatte zwischen der ersten und der zweiten planparallelen Platte angeordnet. Ferner bevorzugt wird die Keilplatte gemeinsam mit der ersten planparallelen Platte rotiert, wozu sie zweckmäßigerweise zusammen mit dieser in einer Halterung gehalten wird. Ebenso kann sie jedoch auch mit der zweiten planparallelen Platte gemeinsam oder unabhängig von den beiden planparallelen Platten rotiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner eine Fokussieroptik auf. Die Fokussieroptik kann beispielsweise durch eine Sammellinse gebildet sein. Mit Hilfe der Fokussieroptik kann der Lichtstrahl auf das Werkstück fokussiert werden, was zu einer besonders hohen punktuellen Energieabgabe führt. Ebenso kann der Fokus jedoch auch derart eingestellt werden, dass der Strahl beim Auftreffen auf das Werkstück nicht fokussiert ist, was zu einem größeren Radius des Auftreffgebiets und einer damit einhergehenden Verteilung der Energieabgabe auf eine größere Fläche führt.
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Besonders bevorzugt ist die Fokussieroptik in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls vor der ersten planparallelen Platte angeordnet, sodass der Lichtstrahl zunächst durch die Fokussieroptik trifft, bevor er auf die erste planparallele Platte trifft. Damit kann der Lichtstrahl fokussiert werden, noch bevor er auf die erste planparallele Platte und weitere optische Komponenten der Vorrichtung trifft. Die Fokussieroptik kann jedoch auch an jeder anderen Stelle der Vorrichtung angebracht sein. Die Fokussieroptik kann rotierend antreibbar oder auch starr in der Vorrichtung gehalten sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste oder die zweite planparallele Platte lösbar gehalten. Dies ermöglicht ein einfaches Auswechseln der jeweiligen planparallelen Platte um beispielsweise planparallele Platten unterschiedlicher Dicke einsetzen zu können und so Einstellung des Radius der Kreisbahn oder der Schnittbreite zu bewirken. In einer Ausführungsform ist die erste planparallele Platte nicht lösbar gehalten, während die zweite planparallele Platte lösbar gehalten ist. Ebenso kann jedoch auch die erste planparallele Platte lösbar gehalten sein, während die zweite planparallele Platte nicht lösbar gehalten ist. Auch können beide planparallelen Platten jeweils lösbar oder nicht lösbar gehalten sein.
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Bevorzugt ist die Vorrichtung mit einem gepulsten Laser als Quelle für den Lichtstrahl verbunden. Gepulste Laser ermöglichen auf Grund der Konzentration ihrer Energie auf besonders kurze Pulse eine besonders hohe Feldstärke. Damit kann erreicht werden, dass die Materialbearbeitung nicht nur durch lokale thermische Einwirkung, sondern auch durch das Aufbrechen chemischer Bindungen im elektrischen Feld erfolgt. Dies ermöglicht einen besonders effizienten Abtrag des Materials.
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Bevorzugt wird die zweite planparallele Platte mit einer anderen Drehzahl als die erste planparallele Platte angetrieben. Dadurch wird eine spiralförmige Kreisbahn des Lichtstrahls beim Auftreffen auf das Werkstück ermöglicht. Ein bevorzugter Drehzahlbereich der zweiten planparallelen Platte ist 300 bis 6.000 Umdrehungen pro Minute.
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Insbesondere ist bevorzugt, dass die zweite planparallele Platte mit einer kleineren Drehzahl als die erste planparallele Platte angetrieben wird. Damit wird der Lichtstrahl auf einer Kreisbahn geführt, deren Durchmesser sich über die Zeit periodisch ändert, so dass der Lichtstrahl im Laufe der Zeit eine Fläche überstreicht, die einer bereiteren Kreisbahn entspricht; siehe auch 3. Ebenso kann die zweite planparallele Platte jedoch auch mit einer größeren Drehzahl als die erste planparallele Platte angetrieben werden, so dass Lichtstrahl auf dem Werkstück eine Bahn beschreibt, die sich aus der Überlagerung einer langsameren größeren Kreisbahn und schnellerer, kleinerer Kreisbahnen ergibt.
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In Weiterführung des Erfindungsgedankens können durch vorherige Aufteilung des Laserstrahls mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen versorgt werden, welche am Umfang eines zu bearbeitenden Werkstücks angeordnet werden können, um so mehrere Bearbeitungsschritte gleichzeitig auszuführen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Figuren:
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt eine Kreisbahn, welche sich in einem Anwendungsfall der Erfindung ergibt.
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3 zeigt eine Kreisbahn, welche sich in einem weiteren Anwendungsfall der Erfindung ergibt.
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In 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Führen eines Lichtstrahls 20 auf ein Werkstück 30 gezeigt. Die Vorrichtung ist aufgeteilt in einen oberen Teil 100 und einen unteren Teil 200. Der obere Teil 100 weist eine Sammellinse 110 auf, welche als Fokussieroptik dient. Der obere Teil 100 weist weiter eine erste planparallele Platte 120 auf, welche in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls nach der Sammellinse 110 angeordnet ist. Außerdem weist der obere Teil 100 eine Keilplatte 130 auf, welche aus einem konkaven Teil 140 und einem konvexen Teil 150 besteht. Die Keilplatte 130 ist in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls nach der ersten planparallelen Platte 120 angeordnet.
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Die Sammellinse 110, die erste planparallele Platte 120 und die Keilplatte 130 werden von einer Halterung 160 gehalten. Die Halterung 160 ist rotationssymmetrisch und drehbar gelagert. Die erste planparallele Platte 120 ist derart gehalten, dass ihre Oberflächennormale einen spitzen Winkel mit einer optischen Achse 15 der Vorrichtung als ersten Kippwinkel bildet. Der konkave Teil 140 und der konvexe Teil 150 der Keilplatte 130 sind vorliegend zueinander entlang der einander zugewandten sphärischen Oberflächen leicht verschoben.
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Die Halterung 160 wird mit Hilfe eines Motors 170 und eines von dem Motor angetriebenen Rads 180 in Drehung versetzt. Damit drehen sich auch die Sammellinse 110, die erste planparallele Platte 120 und die Keilplatte 130.
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Der untere Teil 200 der Vorrichtung 10 weist eine zweite planparallele Platte 220 auf, welche in einer Halterung 260 gehalten ist. Die Dicke der zweiten planparallelen Platte 220 ist vorliegend geringer als die Dicke der ersten planparallelen Platte 120. Die Halterung 260 wird mit Hilfe eines Motors 270 und einem darauf angebrachten Rad 280 in Drehung versetzt. Die zweite planparallele Platte ist so gehalten, dass ihre Flächennormale an einem zweiten Kippwinkel gegenüber der optischen Achse geneigt ist.
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Der Lichtstrahl 20, welcher von einer nicht dargestellten Lichtquelle parallel zur optischen Achse 15 auf die Vorrichtung 10 einfällt, trifft zunächst auf die Sammellinse 110. Dort wird nicht seine Richtung, sondern lediglich seine Fokussierung geändert. Anschließend trifft er auf die erste planparallele Platte 120, wo er um einen bestimmten Betrag parallel versetzt wird. Danach trifft er auf die Keilplatte 130, durch welche er anschließend einen kleinen Winkel zu seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung einnimmt. Danach trifft er auf die zweite planparallele Platte 220, wo er nochmals parallel versetzt wird. Anschließend trifft er auf das Werkstück 30.
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Zum Austausch der zweiten planparallelen Platte 220 kann die Halterung 260 aus der Vorrichtung 10 entnommen werden und durch eine andere Halterung, in welcher eine weitere planparallele Platte mit einer anderen Dicke gehalten ist, ersetzt werden.
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2 zeigt ein Beispiel einer Bahn, die ein Lichtstrahl auf dem Werkstück beschreibt. Eine solche Bahn entsteht beispielsweise, wenn beide planparallele Platten 120, 220 einen identischen Winkel ihrer Oberflächennormalen zur optischen Achse aufweisen, jedoch die erste planparallele Platte 120 eine größere Dicke aufweist, als die zweite planparallele Platte 220, und wenn außerdem die zweite planparallele Platte 220 mit einer erheblich höheren Drehzahl rotiert wird als die erste planparallele Platte 120. Es ist zu erkennen, dass die Form im Wesentlichen einen Kreis mit Radius r bildet, wobei der Rand durch einen Bereich mit einer Dicke d gebildet wird. Der Radius r wird dabei durch die erste planparallele Platte 120 vorgegeben, während die Dicke d durch die zweite planparallele Platte 220 vorgegeben wird. Dies ermöglicht es, ein zylinderförmiges Stück mit einer vorgegebenen Schnittbreite aus dem Werkstück herauszuschneiden.
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3 zeigt demgegenüber ein Beispiel einer Bahn, die ein Lichtstrahl auf einem Werkstück beschreibt, wenn abweichend von der Beschreibung zu 2 die erste planparallele Platte 120 mit einer erheblich höheren Drehzahl rotiert wird als die zweite planparallele Platte 220. In diesem Fall wird durch die zweite planparallele Platte der durch die erste planparallele Platte definierte Kreis kontinuierlich verschoben, die Laserpulse werden trotzdem auf eine vorgegebene Schnittbreite um einen mittleren Durchmesser verteilt. Dieses Vorgehen ermöglicht es ebenfalls, ein zylinderförmiges Stück mit einer vorgegebenen Schnittbreite aus dem Werkstück herauszuschneiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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