DE102010049460A1

DE102010049460A1 - trepanning

Info

Publication number: DE102010049460A1
Application number: DE102010049460A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Current assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-03-15
Also published as: DE112011103058A5; DE112011103058B4; WO2012035031A1

Abstract

Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls mit einer optischen Achse, und einer ersten planparallelen Platte, deren Oberflächennormale in zumindest einem Betriebszustand einen spitzen Winkel zur optischen Achse einnimmt, und welche rotierend angetrieben werden kann, wobei eine zweite planparallele Platte vorgesehen ist, 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.Apparatus for guiding a light beam having an optical axis, and a first plane-parallel plate, the surface normal in at least one operating state occupies an acute angle to the optical axis, and which can be driven in rotation, wherein a second plane-parallel plate is provided, which in the propagation direction of the light beam is arranged according to the first plane-parallel plate whose surface normal occupies an acute angle to the optical axis in at least one operating state, and which can be driven to rotate independently of the first plane-parallel plate.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for guiding a light beam according to the preamble of claim 1.

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.Such devices for guiding a light beam are commonly used to process solid materials by means of a laser beam. The laser beam, at the point at which it impinges on the material, provides for a selective energy supply, which leads to the local decomposition of the material. In this way, for example, a part of a workpiece can be separated or the surface can be processed. Since the processing takes place in each case at the point where the light beam impinges, an exact guidance of the light beam is of great importance. One area of use of particular interest in the present case is the precise performance of micromachining, such as the creation of through-holes, blind holes, micro-trenches or precise contour cuts.

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.The document PCT / EP2008 / 053042 shows an apparatus for guiding a light beam with a plane-parallel plate, which can be driven in rotation. By an oblique arrangement of the plane-parallel plate relative to the optical axis of the device is achieved that the incident light beam is offset by means of the plane-parallel plate in parallel. By rotating the plane-parallel plate, the light beam can thus be guided on a circular path, whereby a cylindrical part can be cut out of the workpiece.

Wünschenswert wäre es, zusätzlich zum Durchmesser der gewünschten Kreisbahn die Schnittbreite einstellen zu können.It would be desirable to be able to adjust the cutting width in addition to the diameter of the desired circular path.

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.This is inventively achieved by a device for guiding a light beam according to claim 1, which has an optical axis and a first plane-parallel plate whose surface normal occupies an acute angle to the optical axis in at least one operating state, and which can be driven in rotation, wherein the device further comprises a second plane-parallel plate, which is arranged in the propagation direction of the light beam after the first plane-parallel plate, the surface normal in at least one operating state at an acute angle to the optical axis, and which can be driven independently of the first plane-parallel plate rotating.

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.Such a device with two preferably different thickness plane-parallel plates, which are tilted relative to the optical axis of the device and thus provide a parallel offset of the light beam, allows one of the two plane-parallel plates predetermines a circular path, and the light beam through the second plane-parallel plate along this circular path is guided on smaller circular paths. By means of these smaller circular paths, the cutting width produced by the light beam is effectively increased in comparison to the cutting width to be achieved with a simple light beam, without the beam being widened and the beam energy correspondingly reduced. In other words, the second plane-parallel plate causes the light beam to oscillate around the circular path defined by the first rotationally driven and tilted plane-parallel plate so that the desired larger cutting width results along a predefined circular path.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können aus den abhängigen Ansprüchen erhalten werden.Further advantageous embodiments of the invention can be obtained from the dependent claims.

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.The optical axis of the device is preferably parallel to the propagation direction of the light beam. Particularly preferably, the device is designed rotationally symmetrical, wherein the optical axis is identical to a rotation axis. The optical axis may coincide with the light beam.

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.The first plane-parallel plate is preferably a plate of transparent material which has two surfaces arranged parallel to one another. The surfaces are spaced apart by a thickness of the first plane-parallel plate. The surface normal is a vector that is perpendicular to the two parallel faces.

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.The surface normal of the first plane-parallel plate assumes an acute angle to the optical axis in at least one operating state. If the plane-parallel plate is kept adjustable relative to the angle of its surface normal to the optical axis, the first plane-parallel plate can also be adjusted in an operating state such that the surface normal is parallel to the optical axis. In this case, no deflection of the light beam through the first plane-parallel plate takes place. However, the first plane-parallel plate can then be adjusted in a second operating state such that its surface normal occupies an acute angle to the optical axis. If the first plane-parallel plate is held such that the angle between its surface normal and the optical axis can not be changed, the first plane-parallel plate is preferably held such that its surface normal to the optical axis assumes a fixed acute angle. This angle is also referred to below as the first tilt angle.

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.In order to drive the first plane-parallel plate rotating, this is preferably in such held a holder, that a rotation of the holder also causes a rotation of the first plane-parallel plate. The holder is preferably rotatably mounted, for example using ball bearings or plain bearings. The drive may be by use of an electric motor which transmits a rotary motion to the mount, for example by means of a belt, chain or gears.

Typischerweise wird die erste planparallele Platte mit einer Drehzahl von etwa 3.000 bis 60.000 Umdrehungen pro Minute angetrieben.Typically, the first plane-parallel plate is driven at a speed of about 3,000 to 60,000 revolutions per minute.

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.According to the invention, the device has a second plane-parallel plate, which is arranged in the propagation direction of the light beam after the first plane-parallel plate. For the design and the drive of the second plane-parallel plate is essentially the one mentioned for the first plane-parallel plate. It is crucial that the second plane-parallel plate can be driven in rotation independently of the first plane-parallel plate. This means, in particular, that it can be driven at a different speed, which usually requires either a separate motor or a drive that is under- or geared compared to the first plane-parallel plate by the same motor.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen enthalten.Preferred embodiments of the invention are also contained in the subclaims.

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.According to a preferred embodiment, the first plane-parallel plate and the second plane-parallel plate have mutually different thicknesses. This can be achieved that even if both plane-parallel plates are arranged such that their respective surface normal occupies the same angle to the optical axis, the light beam is guided on a large circular path, which is determined by the thicker of the two plane-parallel plate, and that the cutting width is determined by the thinner of the two plane-parallel plates. The light beam is then guided on a circular path.

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.Particularly preferably, the thickness of the first plane-parallel plate is greater than the thickness of the second plane-parallel plate. This allows the installation of the first plane-parallel plate together with other components of the optical device, while the second plane-parallel plate, which dictates the cutting width, is easier to replace.

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.Alternatively, however, the respective angles of the surface normal to the optical axis - ie the tilt angle - can be adjusted to set the radius of the circular path and / or the cutting width. This is possible even if both plane-parallel plates have identical thicknesses. Likewise, a combination of different thicknesses and different angles may be used to adjust the web parameters.

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.The first plane-parallel plate and / or the second plane-parallel plate are preferably coated with an antireflection coating. This avoids disturbing reflections and multipoints, especially with thin plates, on the workpiece.

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.According to a preferred embodiment, the device further comprises a wedge plate, wherein the wedge plate is formed from a first and a second optical element, and has two planar surfaces as end faces, wherein the optical elements of the wedge plate facing each other, have complementary spherical surfaces wherein the one spherical surface forms a concave surface of the first optical element and the other spherical surface forms a convex surface of the second optical element and the concave surface and the convex surface have the same radius of curvature and thus relative to each other along the facing spherical surfaces are shift, that the flat surfaces as the respective spherical surface of a respective optical element facing away from surfaces either plane-parallel or at an angle to each other.

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.With the help of the wedge plate, an angle which the light beam has when leaving the device relative to the optical axis can be adjusted. This is done independently of the offset of the light beam, which is adjusted by the two plane-parallel plates. Due to the special design of the wedge plate, this retains a substantially rotationally symmetrical mass distribution even when adjusting your elements, whereby a possible imbalance of the device is minimized.

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.Particularly preferably, the wedge plate is arranged between the first and the second plane-parallel plate. Further preferably, the wedge plate is rotated together with the first plane-parallel plate, for which purpose it is suitably held together with this in a holder. Likewise, however, it can also be rotated together with the second plane-parallel plate or independently of the two plane-parallel plates.

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.According to a preferred embodiment, the device further comprises a focusing optics. The focusing optics can be formed for example by a converging lens. With the aid of the focusing optics, the light beam can be focused on the workpiece, which leads to a particularly high selective energy output. However, the focus can also be adjusted so that the beam during Impact on the workpiece is not focused, resulting in a larger radius of Auftreffgebiets and a concomitant distribution of energy output to a larger area.

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.Particularly preferably, the focusing optics is arranged in the propagation direction of the light beam in front of the first plane-parallel plate, so that the light beam initially strikes through the focusing optics before it strikes the first plane-parallel plate. Thus, the light beam can be focused even before it hits the first plane-parallel plate and other optical components of the device. However, the focusing optics can also be attached to any other location of the device. The focusing optics can be driven to rotate or rigidly held in the device.

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.In a preferred embodiment, the first or the second plane-parallel plate is releasably held. This allows easy replacement of the respective plane-parallel plate to use, for example, plane-parallel plates of different thicknesses and thus to effect adjustment of the radius of the circular path or the cutting width. In one embodiment, the first plane-parallel plate is not releasably held, while the second plane-parallel plate is releasably held. Likewise, however, the first plane-parallel plate can be releasably held, while the second plane-parallel plate is not releasably held. Also, both plane-parallel plates can each be releasably or not releasably held.

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.Preferably, the device is connected to a pulsed laser as the source of the light beam. Pulsed lasers allow a particularly high field strength due to the concentration of their energy on particularly short pulses. This can be achieved that the material processing is done not only by local thermal action, but also by the breaking of chemical bonds in the electric field. This allows a particularly efficient removal of the material.

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.Preferably, the second plane-parallel plate is driven at a different speed than the first plane-parallel plate. As a result, a spiral-shaped circular path of the light beam when hitting the workpiece is made possible. A preferred speed range of the second plane-parallel plate is 300 to 6,000 revolutions per minute.

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.In particular, it is preferred that the second plane-parallel plate is driven at a lower rotational speed than the first plane-parallel plate. Thus, the light beam is guided on a circular path whose diameter changes periodically over time, so that the light beam over time sweeps over an area which corresponds to a more ready circular path; see also 3 , However, the second plane-parallel plate can also be driven at a higher speed than the first plane-parallel plate, so that light beam on the workpiece describes a path resulting from the superposition of a slower larger circular path and faster, smaller circular paths.

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.In continuation of the inventive concept, by prior division of the laser beam a plurality of inventive devices can be supplied, which can be arranged on the circumference of a workpiece to be machined so as to perform several processing steps simultaneously.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Figuren:Further advantages and features of the invention will become apparent from the description of an embodiment of the invention with reference to the following figures:

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. 1 shows a preferred embodiment of the invention.

2 zeigt eine Kreisbahn, welche sich in einem Anwendungsfall der Erfindung ergibt. 2 shows a circular path, which results in an application of the invention.

3 zeigt eine Kreisbahn, welche sich in einem weiteren Anwendungsfall der Erfindung ergibt. 3 shows a circular path, which results in a further application of the invention.

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.In 1 is a device 10 for guiding a light beam 20 on a workpiece 30 shown. The device is divided into an upper part 100 and a lower part 200 , The upper part 100 has a condenser lens 110 on, which serves as a focusing optics. The upper part 100 further has a first plane-parallel plate 120 on, which in the propagation direction of the light beam to the convergent lens 110 is arranged. In addition, the upper part 100 a wedge plate 130 on which is a concave part 140 and a convex part 150 consists. The wedge plate 130 is in the propagation direction of the light beam after the first plane-parallel plate 120 arranged.

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.The condenser lens 110 , the first plane-parallel plate 120 and the wedge plate 130 be from a holder 160 held. The holder 160 is rotationally symmetrical and rotatably mounted. The first plane-parallel plate 120 is held such that its surface normal makes an acute angle with an optical axis 15 the device forms as the first tilt angle. The concave part 140 and the convex part 150 the wedge plate 130 are here slightly shifted relative to one another along the mutually facing spherical surfaces.

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.The holder 160 is with the help of a motor 170 and a wheel driven by the engine 180 set in rotation. This also turns the condenser lens 110 , the first plane-parallel plate 120 and the wedge plate 130 ,

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. The lower part 200 the device 10 has a second plane-parallel plate 220 on which in a holder 260 is held. The thickness of the second plane-parallel plate 220 is presently less than the thickness of the first plane-parallel plate 120 , The holder 260 is with the help of a motor 270 and a wheel attached to it 280 set in rotation. The second plane-parallel plate is held so that its surface normal is inclined at a second tilt angle with respect to the optical axis.

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.The light beam 20 , which from a light source, not shown, parallel to the optical axis 15 on the device 10 comes to mind, first applies to the condenser lens 110 , It does not change its direction, only its focus. Then he meets the first plane-parallel plate 120 where he is offset by a certain amount in parallel. Then he hits the wedge plate 130 through which he then takes a small angle to its original direction of propagation. Then he meets the second plane-parallel plate 220 where he is relocated again in parallel. Then he hits the workpiece 30 ,

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.To replace the second plane-parallel plate 220 can the holder 260 from the device 10 are removed and replaced by another holder, in which a further plane-parallel plate is held with a different thickness.

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. 2 shows an example of a web describing a light beam on the workpiece. Such a path arises, for example, when both plane-parallel plates 120 . 220 have an identical angle of their surface normal to the optical axis, but the first plane-parallel plate 120 has a greater thickness than the second plane-parallel plate 220 , and if also the second plane-parallel plate 220 is rotated at a much higher speed than the first plane-parallel plate 120 , It can be seen that the shape essentially forms a circle with radius r, wherein the edge is formed by a region with a thickness d. The radius r is thereby through the first plane-parallel plate 120 given while the thickness d through the second plane-parallel plate 220 is given. This makes it possible to cut out a cylindrical piece with a predetermined cutting width from the workpiece.

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. 3 On the other hand, an example of a trajectory describing a light beam on a workpiece deviates from the description 2 the first plane-parallel plate 120 is rotated at a much higher speed than the second plane-parallel plate 220 , In this case, the circle defined by the first plane-parallel plate is continuously displaced by the second plane-parallel plate, the laser pulses are nevertheless distributed to a predetermined cutting width around an average diameter. This procedure also makes it possible to cut out a cylindrical piece with a predetermined cutting width from the workpiece.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2008/053042 [0003]

Claims

Contraption ( 10 ) for guiding a light beam ( 20 ) with an optical axis ( 15 ), and a first plane-parallel plate ( 120 ), the surface normal in at least one operating state at an acute angle to the optical axis ( 15 ), and which can be driven in rotation, characterized by a second plane-parallel plate ( 220 ), which in the propagation direction of the light beam ( 20 ) after the first plane-parallel plate ( 120 ) whose surface normal in at least one operating state is at an acute angle to the optical axis ( 15 ), and which independently of the first plane-parallel plate ( 120 ) can be driven in rotation.

Device according to claim 1, wherein the first plane-parallel plate ( 120 ) and the second plane-parallel plate ( 220 ) have mutually different thicknesses.

Device according to claim 2, wherein the thickness of the first plane-parallel plate ( 120 ) is greater than the thickness of the second plane-parallel plate ( 220 ).

Device according to one of the preceding claims, which further comprises a wedge plate ( 130 ), wherein the wedge plate of a first and a second optical element ( 140 . 150 ) is formed and has two planar surfaces as end faces, wherein the optical elements ( 140 . 150 ) of the wedge plate - have mutually facing, complementary spherical surfaces, of which the one spherical surface is a concave surface of the first optical element ( 140 ) and the other spherical surface forms a convex surface of the second optical element (FIG. 150 ) and the concave surface and the convex surface have the same radius of curvature, and - are to be displaced relative to each other along the mutually facing spherical surfaces, that the planar surfaces facing away from the respective spherical surface of a respective optical element surfaces either plane-parallel or in one Angle to each other.

Device according to claim 4, wherein the wedge plate ( 130 ) is disposed between the first and the second plane-parallel plate.

Device according to one of the preceding claims, which further comprises a focusing optics ( 110 ) having.

Apparatus according to claim 6, wherein the focusing optics ( 110 ) in the propagation direction of the light beam ( 20 ) in front of the first plane-parallel plate ( 120 ) is arranged.

Device according to one of the preceding claims, wherein the first or the second plane-parallel plate is releasably held.

Device according to one of the preceding claims, which is equipped with a pulsed laser as the source of the light beam ( 20 ) connected is.

Device according to one of the preceding claims, wherein the second plane-parallel plate ( 220 ) at a different speed than the first plane-parallel plate ( 120 ) is driven.