DE102013008646B4

DE102013008646B4 - Adaptiver Spiegel für eine Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102013008646B4
Application number: DE102013008646.9A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Bischof
Original assignee: LT-ULTRA PRECISION TECHNOLOGY GmbH; LT Ultra Precision Tech GmbH
Current assignee: LT-ULTRA PRECISION TECHNOLOGY GmbH; LT Ultra Precision Tech GmbH
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2033-05-22
Also published as: DE102013008646A1; US20140346156A1

Abstract

Adaptiver Spiegel (28a) für eine Laserbearbeitungsvorrichtung (10), mita) einem Gehäuse (56b),b) einer in dem Gehäuse angeordneten Druckkammer (58b), in die eine Anschlussleitung (60b) mündet, die mit einer Druckquelle (32b) verbindbar ist,c) einem Spiegelsubstrat (52b; 52b', 52b'', 52b"'), das die Druckkammer begrenzt und fest in dem Gehäuse eingespannt ist, und wobei ein Innendruck in der Druckkammer so mit Hilfe der Druckquelle veränderbar ist, dass sich das Spiegelsubstrat in Abhängigkeit vom Innendruck in der Druckkammer verformt,dadurch gekennzeichnet, dassdass das Spiegelsubstrat (52b; 52b', 52b'', 52b''') in einer Ebene, in der es in dem Gehäuse (56b) eingespannt ist, in Richtung X eine maximale Abmessung dund in dazu orthogonaler Richtung Y eine maximale Abmessung dhat, wobei d≠ d, und dass das Spiegelsubstrat eine Steifigkeit hat, die zumindest in einem ringförmigen Bereich (72b''; 72b'''), der die geometrische Mitte (68b''; 68b''') des Spiegelsubstrats umschließt, entlang den Richtungen X und Y unterschiedlich stark zur geometrischen Mitte hin zunimmt, und dasssich das Spiegelsubstrat (52b; 52b', 52b'', 52b''') bei einer Veränderung des Innendrucks in der Druckkammer (58b) so deformiert, dass zumindest ein Teil der von der Druckkammer wegweisenden Außenfläche des Spiegelsubstrats die Form eines Torus-Ausschnitts (62b'; 62b''; 62b''') annimmt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen adaptiven Spiegel für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, mit der sich Werkstücke schweißen, schneiden oder in sonstiger Weise bearbeiten lassen.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst üblicherweise eine Laserstrahlungsquelle, bei der es sich z. B. um einen Nd:YAG-Laser, einen Faser-Laser, einen Scheiben-Laser oder einen CO₂-Laser handeln kann. Zu einer Laserbearbeitungsvorrichtung gehören ferner ein Bearbeitungskopf, der die von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung in einem Brennfleck fokussiert. Eine Strahlzuführungseinrichtung führt die von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung dem Bearbeitungskopf zu. Vor allem wenn die Laserstrahlung eine relativ geringere Strahlqualität hat, wird sie dem Bearbeitungskopf in der Regel als kollimierter Strahl mit einem relativ großen Durchmesser (20 mm bis 100 mm) zugeführt. Zur Umlenkung der Laserstrahlung werden meist Umlenkspiegel mit planen oder gekrümmten Flächen vorgesehen. Der Bearbeitungskopf kann an einem beweglichen Roboterarm befestigt sein, während sich die Laserstrahlungsquelle außerhalb des Roboters befindet.
Zur Fokussierung der Laserstrahlung in einem Brennfleck enthält der Bearbeitungskopf in der Regel eine Fokussieroptik. Insbesondere wenn die Fokussieroptik Linsen und andere lichtdurchlässige optische Elemente wie Schutzscheiben enthält, führt die unvermeidbare Restabsorption in den verwendeten optischen Materialien dazu, dass sich die Elemente erwärmen.
Damit geht infolge der thermischen Ausdehnung eine Formveränderung einher. Auf diese Weise können sogar Schutzscheiben, die bei Zimmertemperatur optisch als planparallele Platte wirken, nach der Erwärmung eine Sammelwirkung haben.
Durch die Erwärmung verändert sich die Brechkraft der betreffenden optischen Elemente, was sich auf die Form und vor allem auf die axiale Lage des von der Fokussieroptik erzeugten Brennflecks auswirkt. Durch die unbeabsichtigte Verlagerung des Brennflecks können die Werkstücke nicht mehr in der gewünschten Weise bearbeitet werden.
Um den Ort und die Form des Brennflecks während des Betriebs der Laserbearbeitungsvorrichtung konstant halten zu können, müssen zum einen die Veränderungen des Brennflecks messtechnisch erfasst werden. In einem zweiten Schritt müssen optische Elemente so verstellt werden, dass sie die thermisch induzierten Veränderungen in der Fokussieroptik kompensieren.
Zur Erfassung von Veränderungen des Brennflecks ist bekannt, Messlicht, bei dem es sich auch um ausgekoppelte Laserstrahlung handeln kann, auf die Fokussieroptik zu richten und anschließend mit Lichtsensoren zu erfassen. Beispiele hiefür sind in der JP S61-137693 A , der JP H02-204701 A , der EP 2 216 129 A1 und der DE 10 2011 054 941 B3 beschrieben.
Zur Kompensation der von der Fokussieroptik verursachten Verlagerungen des Brennflecks werden im allgemeinen adaptive Spiegel eingesetzt. Eine Verformung eines adaptiven Spiegels mit Hilfe von piezoelektrischen Elementen, wie sie die bereits erwähnte JP H02-204701 A offenbart, ist allerdings sehr komplex. Dies gilt auch für adaptive Spiegel, die als Facettenspiegel ausgebildet sind und eine Vielzahl individuell ansteuerbarer Spiegelfacetten enthalten. Auch hier sind die konstruktiven und steuerungstechnischen Anforderungen so hoch, dass eine Realisierung nicht wirtschaftlich wäre.
Um die Wirkungen thermisch induzierter Verformungen in der Fokussieroptik zu kompensieren, haben sich deswegen adaptive Spiegel durchgesetzt, die ein Spiegelsubstrat haben, das eine mit einem Fluid, zum Beispiel Luft oder einer Flüssigkeit, gefüllte Druckkammer begrenzt. Der Innendruck in der Druckkammer kann mit Hilfe einer Druckquelle verändert werden. Das Spiegelsubstrat ist so dünn, dass es sich, zusammen mit einer ggf. davon getragenen reflektierenden Beschichtung, in Abhängigkeit vom Innendruck in der Druckkammer verformt.
Derartige adaptiven Spiegel sind aus der WO 2007/000 171 A1 , der DE 41 37 832 A1 und der DE 198 32 343 A1 bekannt. Der die Druckkammer begrenzende Bereich des Spiegelsubstrats hat dort eine konstante Dicke. Außerdem sind dort die Spiegelsubstrate umfangsseitig einwertig (d.h. in der Art eines Loslagers) gelagert. Dies bedeutet, dass durch die Lagerung nur ein Freiheitsgrad der Bewegung fixiert wird. Eine einwertige Lagerung führt bei planparallelen Spiegelsubstraten bei bestimmten Innendrücken im allgemeinen zu einer annähernd sphärischen Deformation in einem Zentralbereich des Spiegelsubstrats. Sphärische Deformationen sind im allgemeinen bevorzugt, weil dadurch mit geringen Abbildungsfehlern die axiale Lage des Brennflecks konstant gehalten werden kann.
Diese bekannten adaptiven Spiegel haben allerdings auch einige gravierende Nachteile. Durch die einwertige Lagerung wird die Abdichtung der Druckkammer gegen das Fluid konstruktiv sehr aufwendig. Hinzu kommt, dass derartige adaptive Spiegel häufig mit einer Wasserkühlung versehen sind, was zu zusätzlichen Dichtungsproblemen führt.
Ein weiterer Nachteil der bekannten adaptiven Spiegel besteht darin, dass die gewünschte sphärische Deformation trotz der einwertigen Lagerung nur in einem relativ kleinen Zentralbereich erreicht wird. Der adaptive Spiegel muss deswegen bei einem gegebenen Durchmesser der Laserstrahlung relativ groß sein, um thermisch induzierte Verlagerungen des Brennflecks so kompensieren zu können, dass dabei keine untolerierbaren Wellenfrontdeformationen entstehen.
Aus der DE 39 00 467 A1 ist ein adaptiver Spiegel bekannt, bei dem die Dicke des Spiegelsubstrats nicht konstant ist, sondern zur Mitte hin abnimmt. Durch dieses Dickenprofil lässt sich bei der dort beschriebenen einwertigen Lagerung eine annähernd gaußförmige Deformation erreichen.
Die US 4,119,366 A offenbart rotationssymmetrische Spiegel mit einer variablen Brennweite und mit einer variablen Dicke. Wird die Dicke in Abhängigkeit des Spiegelradius variiert, so wird eine parabolische Deformation erhalten.
Aus der US 2011/0134552 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrektur von optischen Aberrationen in einem optischen Gerät mit einem verformbaren Spiegel bekannt. Der verformbare Spiegel kann ein scheibenförmiger Planspiegel, ein konvexer Spiegel oder ein konkaver Spiegel sein und kann eine Membran mit variabler Flexibilität aufweisen.
In der US 3,972,600 A ist ein Spiegel, insbesondere ein Kosmetik- oder ein Autospiegel, mit einer einstellbaren Brennweite offenbart. Der Spiegel weist zwei Wände auf, die direkt über die Ränder oder über ein Rahmenteil verbunden sind und einen Hohlraum einschließen. Eine Wand weist eine spiegelnde Fläche auf, und eine Wandfläche ist verformbar. Ferner sind Mittel zur Erzeugung eines steuerbar variablen Druckes vorgesehen.
Die US 6,504,130 B1 offenbart ein Laserschneidverfahren, bei dem eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit einer Spiegelanordnung mit einer variablen Krümmung verwendet wird. Die Spiegelanordnung umfasst eine Spiegelplatte mit einer konvexen Rückseite und einer vorderen reflektierenden Oberfläche und einen Piezo-Aktuator zur Verformung der Spiegelplatte und Änderung der Krümmung der reflektierenden Oberfläche. Der Piezo-Aktuator wird oszillierend betrieben, sodass die Krümmung der reflektierenden Oberfläche sich bei einer Frequenz zwischen 150 Hz und 300 Hz ändert, wodurch der Fokuspunkt entlang der optischen Achse des Laserstrahls mit einer Amplitude von ±0,5 mm und ±3 mm schwingt.
Aus der US 2007/0165312 A1 ist ein adaptiver Spiegel für ein Gerät bekannt, mit dem sich scheibenförmige optische Speichermedien lesen lassen. Der Spiegel, der auftreffendes Licht um 90° umlenkt, hat eine elliptische Kontur und ein gestuftes Dickenprofil, wobei die Dicke in der Mitte des Spiegels am größten ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, einen adaptiven Spiegel für eine Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, der sich über einen großen Bereich hinweg annähernd sphärisch verformt, aber trotzdem konstruktiv einfach aufgebaut ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen adaptiven Spiegel mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, dass bei einem Spiegelsubstrat, das nicht einwertig gelagert, sondern fest in das Gehäuse eingespannt ist, eine annähernd sphärische Deformation erreicht wird, wenn die Steifigkeit des Spiegelsubstrats über einen ringförmigen Bereich des Spiegelsubstrats, der dessen geometrische Mitte umschließt, zunimmt. Torsionsmomente, die durch die dreiwertige Lagerung des Spiegelsubstrats im Randbereich entstehen und ansonsten zu einer asphärischen Deformation des unter Druck stehenden Spiegelsubstrat führen, werden durch dieses Dickenprofil so kompensiert, dass sich das Spiegelsubstrat sphärisch deformiert. Die sphärische Deformation stellt sich dabei über einen großen Flächenanteil des Spiegelsubstrats ein, so dass bis zu 70% der Fläche des Spiegelsubstrats optisch genutzt werden kann. Wegen der festen Einspannung in das Gehäuse kann der erfindungsgemäße adaptive Spiegel gleichzeitig konstruktiv sehr einfach aufgebaut sein. Die schwierigen Dichtungsprobleme, die typisch für einwertig gelagerte Spiegelsubstrate sind, stellen sich bei der festen Einspannung nicht. Dies gilt auch dann, wenn eine zusätzliche Wasserkühlung des Spiegelsubstrats vorgesehen ist.
Adaptive Spiegel werden häufig als Umlenkspiegel eingesetzt, die den Laserstrahl um 90° umlenken. Eine Flächennormale in der geometrischen Mitte des adaptiven Spiegels muss dann in einem Winkel von 45° zur optischen Achse angeordnet sein. Wenn die Laserstrahlung einen kreisförmigen Querschnitt hat, leuchtet sie auf einem so angeordneten Spiegel eine elliptische Fläche aus, wobei die Halbachsen der Ellipse in einem Verhältnis von $1 : \sqrt{2}$
stehen. Wenn $d_{x} = \sqrt{2} \cdot d_{y}$
ist, hat die Umfangskontur des Spiegelsubstrats eine elliptische Form, die für eine Umlenkung der Laserstrahlung um 90° optimal ist.
Ein Spiegelsubstrat mit der erfindungsgemäßen Steifigkeitsverteilung deformiert sich, wenn es nicht einwertig gelagert, sondern fest in das Gehäuse eingespannt ist, bei einer Veränderung des Innendrucks in der Druckkammer nicht sphärisch, sondern so, dass zumindest ein größerer Teil der Oberfläche des Spiegelsubstrats annähernd die Form eines Torusausschnittes annimmt. Der Torus hat dabei unterschiedliche Kreisradien in orthogonalen Richtungen. Der größere Kreisradius wird dabei in der Richtung der längeren Halbachse der elliptischen Umfangskontur erreicht. Dieser größere Kreisradius trägt der Tatsache Rechnung, dass in dieser Ebene die Umlenkung der optischen Achse um 90° erfolgt. Die sammelnde oder zerstreuende Wirkung des adaptiven Spiegels auf die umgelenkte Laserstrahlung ist deswegen in allen Richtungen gleich, so dass die Wirkung auf die Laserstrahlung rotationssymmetrisch bezüglich der optischen Achse ist.
Durch eine gezielte Verstimmung der Steifigkeit des Spiegelsubstrats entlang den Richtungen X und Y kann eine gewünschte Abweichung von dieser Rotationssymmetrie erzielt werden. Der adaptive Spiegel kann dann zusätzlich einen bereits vorhandenen Astigmatismus korrigieren oder einen Astigmatismus im Sinne eines Vorhalts erzeugen, z. B. um die astigmatische Wirkung eines optischen Elements zu kompensieren, das im optischen Lichtweg folgt. Dabei müssen die am Spiegel auftretenden Einfallwinkel der Laserstrahlung und die Spiegelkontur aufeinander abgestimmt werden.
Die geometrische Mitte des Spiegelsubstrats ist definiert als eine Achse, die den geometrischen Schwerpunkt einer ebenen Fläche durchsetzt, die von der Umfangskontur des Spiegelsubstrats begrenzt wird. Im Falle einer elliptischen Umfangskontur verläuft diese Achse durch den Punkt, an dem sich die lange und kurze Halbachse der Ellipse schneiden.
Zumindest bei kleineren Spiegelsubstraten kann dieses eine Steifigkeit haben, die in einem geschlossenen Bereich, der die geometrische Mitte des Spiegelsubstrats enthält, zur geometrischen Mitte hin zunimmt. In diesem Fall nimmt die Steifigkeit somit kontinuierlich von einer Umfangslinie des besagten Bereichs, die mit der Umfangskontur des Spiegelsubstrats zusammenfallen kann, aber nicht notwendigerweise muss, bis zur geometrischen Mitte des Spiegelsubstrats hin kontinuierlich zu.
Berechnungen haben gezeigt, dass bei größeren Spiegelsubstraten die Steifigkeit nicht bis zur geometrischen Mitte hin kontinuierlich zunehmen sollte. Eine sphärische Deformation wird bei größeren Spiegelsubstraten nur dann erreicht, wenn der ringförmige Bereich einen Zentralbereich umschließt, in dem die Steifigkeit konstant ist oder sogar zur geometrischen Mitte hin abfällt.
Die erfindungsgemäße Verteilung der Steifigkeit über die Fläche des Spiegelsubstrats hinweg kann auf verschiedene Weise erreicht werden. So kann beispielsweise die Dicke des Spiegelsubstrats konstant sein und die örtlich variierende Steifigkeit durch Erzeugen einer variierenden Temperaturverteilung in dem Spiegelsubstrat generiert werden. Viele Werkstoffe, und zwar insbesondere Metalle wie Stahl oder Aluminium, haben die Eigenschaft, dass sich ihre Steifigkeit nach einer Erwärmung verringert oder nach einer sich daran anschließenden raschen Abkühlung erhöht. Wird in dem Spiegelsubstrat einmalig vor dem Zusammenbau des adaptiven Spiegels eine bestimmte Temperaturverteilung erzeugt, so wird dadurch die Steifigkeitsverteilung dauerhaft verändert.
Genauer lässt sich die gewünschte Verteilung der Steifigkeit einstellen, wenn die örtlich variierende Steifigkeit die Folge einer örtlich variierenden Dicke des Spiegelsubstrats ist. Durch Anwenden der Finite-Elemente-Methode lässt sich ein Dickenprofil für das Spiegelsubstrat berechnen, das zu der gewünschten Verformung führt. Vorgegeben werden dabei insbesondere der Elastizitätsmodul des Materials, aus dem das Spiegelsubstrat besteht, die maximale Auslenkung des Spiegelsubstrats, der Innendruck der Druckkammer, bei dem die maximale Auslenkung erreicht werden soll, sowie die Außenkontur des Spiegels.
Günstig ist es, wenn bei genau einem Innendruck die von der Druckkammer weg weisende Außenfläche des Spiegelsubstrats plan ist und eine zur Druckkammer hin weisende Innenfläche die Form eines Ausschnitts einer Oberfläche eines Ellipsoids hat. Eine solche Form der Innenfläche führt zu der vorstehend erläuterten unterschiedlichen sphärischen Deformation des Spiegelsubstrats entlang den Richtungen X und Y, wie dies bei einem Umlenkspiegel im Allgemeinen erwünscht ist.
Da die Herstellung einer ellipsoidförmigen Innenfläche aufwendig ist, kann das Spiegelsubstrat bei genau einem Innendruck eine von der Druckkammer wegweisende plane Außenfläche und eine zur Druckkammer hinweisende Innenfläche haben, wobei das Spiegelsubstrat in einer Richtung senkrecht zu den Richtungen X und Y derart gestuft ist, dass die Innenfläche die Form eines Ausschnitts einer Oberfläche eines Ellipsoids annähert. Eine solche gestufte Form der Innenfläche lässt sich leichter herstellen.
Wenn der Innendruck, bei dem die Außenfläche plan ist, größer als der Normaldruck ist, erhält man eine konkave Außenfläche, wenn der Innendruck in der Druckkammer auf den Normaldruck absinkt. Dies hat steuerungstechnische Vorteile, da eine Druckverringerung im Allgemeinen leichter einzustellen ist,
wenn nicht vom Normaldruck, sondern von einem gegenüber dem Normaldruck erhöhten Druck ausgegangen wird.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Laserstrahlungsquelle zur Erzeugung von Laserstrahlung, einem Bearbeitungskopf, einer Strahlzuführungseinrichtung, die im optischen Weg zwischen der Laserstrahlungsquelle und dem Bearbeitungskopf angeordnet ist, und einem mit der Druckquelle verbundenen und in der Strahlzuführungseinrichtung angeordneten erfindungsgemäßen adaptiven Spiegel.
Wenn in dem Bearbeitungskopf eine Fokussieroptik und eine Messeinrichtung zur Messung der Brennweite der Fokussieroptik während der Laserbearbeitung enthalten ist, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Steuereinrichtung für den adaptiven Spiegel aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den adaptiven Spiegel so in Abhängigkeit von Messsignalen der Messeinrichtung zu steuern, dass der adaptive Spiegel eine von der Messeinrichtung gemessene Veränderung der Brennweite der Fokussieroptik kompensiert. Solche Veränderungen der Brennweite sind im Allgemeinen ungewollt und können insbesondere thermisch induziert sein.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung;
2 den Strahlengang und die Signalverbindungen in der in der 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung;
3a und 3b einen herkömmlichen adaptiven Spiegel, der Teil der in den 1 und 2 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung ist, in einer Planstellung und einer konkaven Stellung;
4a und 4b einen erfindungsgemäßen adaptiven Spiegel in einer Planstellung bzw. konkaven Stellung;
5 ein Spiegelsubstrat des in den 4a und 4b gezeigten erfindungsgemäßen adaptiven Spiegels in einer Draufsicht und zwei Seitenansichten;
6 ein alternatives Ausführungsbeispiel für ein Spiegelsubstrat in einer an die 5 angelehnten Darstellung;
7 einen Graphen, der die Deformation des Spiegelsubstrats bei fester Einspannung und einwertiger Lagerung für unterschiedliche Druckwerte in der Druckkammer zeigt;
8 einen Graphen, der die annähernd sphärische Deformation des Spiegelsubstrats in einem Zentralbereich illustriert;
9 und 10 weitere Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Spiegelsubstrate in einer an die 5 angelehnten Darstellung.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 zeigt in einer Seitenansicht eine Laserbearbeitungsvorrichtung 10 mit einem Roboter 12 und einem Bearbeitungskopf 14, der an einem beweglichen Arm 16 des Roboters 12 befestigt ist.
Zur Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gehört außerdem eine Laserstrahlungsquelle 18, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Nd:YAG-Laser oder CO₂-Laser ausgebildet ist. Andere Laser und andere Anordnungen der Laserstrahlungsquelle 18 bezüglich des Roboters 12 sind natürlich ebenso möglich. Die von der Laserstrahlungsquelle 18 erzeugte Laserstrahlung wird über eine Laserzuführungseinrichtung 20 dem Bearbeitungskopf 14 zugeführt und von diesem in einem Brennfleck 22 fokussiert. Der Arm 16 des Roboters 12 wird so gegenüber einem Werkstück 24 positioniert, dass der Brennfleck 22 sich am gewünschten Ort auf dem Werkstück 24 befindet und dieses durch Schweißen, Trennen oder in anderer Weise bearbeitet werden kann.
Strahlzuführeinrichtung
Die 2 zeigt schematisch den Strahlengang der Laserstrahlung sowie weitere Einzelheiten der Laserzuführeinrichtung 20 in einer schematischen Darstellung. Im Strahlengang der mit 26 bezeichneten Laserstrahlung zwischen der Laserstrahlungsquelle 18 und dem Bearbeitungskopf 14 befindet sich ein erster adaptiver Spiegel 28a und ein zweiter adaptiver Spiegel 28b. Beide adaptive Spiegel 28a, 28b lenken die Laserstrahlung 26 um jeweils 90° um. Die hier gewählte räumliche Anordnung ist lediglich beispielhaft; in realen Laserbearbeitungsvorrichtungen können weitere Umlenkspiegel, andere räumliche Anordnungen und auch andere Umlenkwinkel vorgesehen sein.
Der erste adaptive Spiegel 28a ist über eine erste Druckleitung 30a mit einer ersten Druckquelle 32a verbunden. Entsprechendes gilt auch für den zweiten adaptiven Spiegel 28b, d.h. dieser ist über eine zweite Druckleitung 30b mit einer zweiten Druckquelle 32b verbunden.
Beide Druckquellen 32a, 32b werden von einer gemeinsamen Steuereinrichtung 34 angesteuert. Dieser werden über eine Signalleitung 36 Messsignale zugeführt, die von einer Messeinrichtung 38 erzeugt und von einer dieser zugeordneten Auswerteeinrichtung 40 aufbereitet wurden. Die Messeinrichtung 38 ist im Bearbeitungskopf 14 angeordnet und misst die Brennweite einer in dem Bearbeitungskopf 14 enthaltenen und in der 2 durch eine einzelne Linse 42 angedeutete Fokussieroptik. Deren Brennweite kann sich während des Betriebs der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 verändern, wenn sich die Linse 42 durch teilweise Absorption der Laserstrahlung 26 erwärmt und dadurch ihre Form verändert.
Beispiele für eine geeignete Messeinrichtung 38 sind der EP 2 216 129 A1 und der DE 10 2011 054 941 B3 entnehmbar. Eine besonders geeignete Messeinrichtung 38 ist in einer am gleichen Tag von Marius Jurca eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel „Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung sowie Verfahren zum Messen von Veränderungen der Brennweite einer darin enthaltenen Fokussieroptik“ beschrieben.
Die von der Messeinrichtung 38 erzeugten Messwerte werden von der Auswerteeinrichtung 40 in Werte für die Brennweite umgesetzt und in einem Vergleicher 44 mit einem Sollwert 46 für die Brennweite vergleichen. Der Steuereinrichtung 34 werden somit über die Signalleitung 36 Messsignale zugeführt, die eine Abweichung der tatsächlichen Brennweite der Fokussieroptik 42 vom Sollwert 46 wiedergeben.
Bevor das Zusammenwirken der Messeinrichtung 38 mit den adaptiven Spiegeln 28a, 28b näher erläutert wird, wird im folgenden Abschnitt zunächst mit Bezug auf die 3 und 4 der konstruktive Aufbau der adaptiven Spiegel 28a, 28b erläutert.
Aufbau der adaptiven Spiegel
Die 3a zeigt den ersten adaptiven Spiegel 28a in einem ersten Betriebszustand, in dem ein Spiegelsubstrat 52a des ersten adaptiven Spiegels 28a plan ist. Das Spiegelsubstrat 52a trägt im dargestellten Ausführungsbeispiel eine reflektierende Beschichtung 54a, bei der es sich beispielsweise um eine Anordnung mehrerer dünner Einzelschichten mit wechselnden Brechzahlen handeln kann, wie dies im Stand der Technik an sich bekannt ist. Das Spiegelsubstrat 52a ist entlang seiner gesamten Umfangskontur fest in ein Gehäuse 56a eingespannt. Durch diese auch als dreiwertig bezeichnete Lagerung besitzt das Spiegelsubstrat 52a keinen Freiheitsgrad der Bewegung gegenüber dem Gehäuse 56a und kann nur aufgrund der eigenen Elastizität unter Druck deformiert werden.
Gemeinsam mit dem Gehäuse 56a begrenzt das Spiegelsubstrat 52a eine Druckkammer 58a, in die eine Anschlussleitung 60a mündet. An die Anschlussleitung 60a ist die erste Druckleitung 30a angeschlossen, wodurch die Druckkammer 58a fluidisch mit der ersten Druckquelle 32a verbunden ist.
Bei dem in der 3a gezeigten Betriebszustand ist der Innendruck in der Druckkammer 58a gegenüber dem außerhalb der Druckkammer 58a herrschenden Normaldruck erhöht. In der 3a ist dies durch Pfeile 62 angedeutet, die zum Spiegelsubstrat 52a hin gerichtet sind. Dadurch soll zum Ausdruck gebracht werden, dass auf das Spiegelsubstrat 52a Druckkräfte wirken, die in dem Spiegelsubstrat 52a Biegemomente erzeugen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Spiegelsubstrat 52a so geformt, dass es bei erhöhtem Innendruck in der Druckkammer 58a eine plane, von der Druckkammer 58a weg weisende Außenoberfläche 62a hat, welche die reflektierende Beschichtung 54a trägt. Da das Spiegelsubstrat 52a eine konstante Dicke über seine gesamte Fläche hinweg hat, ist auch die zur Druckkammer 58a weisende Innenfläche 64a bei diesem Innendruck plan.
Sinkt der Druck in der Druckkammer 58a auf Normaldruck ab, so wölbt sich das Spiegelsubstrat 52a konkav, wie dies die 3b illustriert. Der adaptive Spiegel 28a erhält dadurch eine sammelnde optische Wirkung.
Die 4a und 4b zeigen Querschnitte durch den zweiten adaptiven Spiegel 28b bei erhöhtem Innendruck bzw. Normaldruck. Im Unterschied zum ersten adaptiven Spiegel 28a hat das Spiegelsubstrat 52b des zweiten adaptiven Spiegels 28b eine speziell festgelegte Dickenverteilung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt die Dicke kontinuierlich vom Rand des Spiegelsubstrats 52b, der fest in das Gehäuse 56b eingespannt ist, zur geometrischen Mitte des Spiegelsubstrats 52b hin zu. Fällt der Innendruck in der Druckkammer 58b auf Normaldruck ab, wie dies in der 4b illustriert ist, verformt sich das Spiegelsubstrat 52b ebenfalls konkav. Im Gegensatz zum ersten adaptiven Spiegel 28a ist diese Verformung jedoch über eine größere Fläche annähernd sphärisch, und zwar selbst bei größeren Deformationen. Solche größeren Deformationen sind erforderlich, um während des Betriebs der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 thermisch induzierte Brennweitenveränderungen der Fokussieroptik 42 kompensieren zu können. Wie weiter unten noch näher erläutert wird, muss der erste adaptive Spiegel 28a lediglich kleinere Divergenzschwankungen der Laserstrahlung 26 am Ausgang der Laserstrahlungsquelle 18 korrigieren, was mit wesentlich geringeren Deformationshüben möglich ist.
Die 5 zeigt das Spiegelsubstrat 52b des zweiten adaptiven Spiegels 28b in einer Draufsicht sowie in zwei Seitenansichten in dem in der 4a gezeigten Betriebszustand, bei dem die Außenfläche 62b plan ist. Die reflektierende Beschichtung auf der Außenfläche 62b ist in der 5 nicht dargestellt.
Man erkennt, dass die zur Druckkammer 58a weisende Innenfläche 64b die Form eines Ausschnitts einer Oberfläche eines Ellipsoids hat. Da die Steifigkeit des Spiegelsubstrats 52b direkt proportional zur Dicke ist, nimmt somit auch die Steifigkeit des Spiegelsubstrats 52b kontinuierlich von der Umfangskontur 66b zur geometrischen Mitte 68b des Spiegelsubstrats 52b hin zu. Die Zunahme der Steifigkeit vom Umfang 66b zur geometrischen Mitte 68b ist dabei entlang der X-Richtung, die sich entlang der langen Halbachse der elliptischen Umfangskontur 66b erstreckt, kleiner als entlang der Richtung Y, die sich entlang der kurzen Halbachse erstreckt.
Eine ähnliche Zunahme der Steifigkeit wird erzielt, wenn anstelle des kontinuierlichen Dickenprofils, wie es in der 5 gezeigt ist, ein gestuftes Dickenprofil verwendet wird, wie es in der 6 gezeigt ist. Bei dem in der 4a gezeigten Zustand mit erhöhtem Innendruck ist auch hier die Außenfläche 62b' plan. Die Innenfläche 64b' hingegen ist entlang der Richtung Z, die senkrecht zu den Richtungen X und Y verläuft, derart gestuft, dass die Innenfläche 64b' die Form eines Ausschnitts einer Oberfläche eines Ellipsoids annähert. Die Innenfläche 64b' ist dadurch leichter herstellbar.
Die Vorteile des in den 4 bis 6 gezeigten Dickenprofils des Spiegelsubstrats 52b wird im Folgenden anhand der 7 und 8 näher erläutert. Die 7 zeigt einen Graphen, in dem für drei unterschiedliche Innendrücke a), b) und c) die Deformation des planparallelen Spiegelsubstrats 52a des ersten adaptiven Spiegels 28a für einen Halbraum in Millimetern gezeigt ist. Die durchgezogenen Linien repräsentieren den Fall einer festen Einspannung, wie sie bei beiden adaptiven Spiegeln 28a, 28b gewählt ist. Zum Vergleich deuten punktgestrichelte Linien die Deformation an, wenn ein derartiges planparalleles Spiegelsubstrat einwertig gelagert ist.
Man erkennt, dass die Annäherung an eine sphärische Deformation bei einer einwertigen Lagerung (strichpunktierte Linie) besonders bei großen Innendrücken (vgl. das Linienpaar c)) über einen größeren Bereich hinweg gelingt als bei einer festen Einspannung an der Umfangskontur. Sollen große Deformationshübe möglich sein, so muss deswegen die Gesamtfläche des Spiegelsubstrats bei einer dreiwertigen Lagerung (d. h. feste Einspannung) größer sein als bei einer einwertigen Lagerung.
Durch das erfindungsgemäße Dickenprofil, wie es in den 4 bis 6 gezeigt ist, verformt sich das Spiegelsubstrat 52b des zweiten adaptiven Spiegels 28b jedoch - trotz der festen Einspannung - ebenfalls wie ein einwertig gelagertes Spiegelsubstrat mit planparallelen Flächen, nur dass die sphärische Annäherung sogar noch über einen größeren Flächenanteil gilt. Die 8 zeigt die Deformation des Spiegelsubstrats 52b des zweiten adaptiven Spiegels 28b für einen bestimmten Innendruck zeigt. Man beachte, dass die Deformation (vertikale Achse) in Mikrometern und der Abstand von der Mitte entlang der langen Ellipsenachse (horizontale Achse) in Millimetern angegeben ist. Der Bereich, über den hinweg sich das Spiegelsubstrat 52b in dieser Schnittebene kreisbogenförmig deformiert, beträgt etwa 70%.
Der zweite adaptive Spiegel kann somit wegen der festen Einspannung sehr einfach konstruiert und mit geringer Größe dimensioniert werden. Trotzdem ist eine annähernd sphärische Deformation mit großen Deformationshüben möglich.
Wenn vorstehend von einer sphärischen Deformation die Rede ist, so gilt dies streng genommen bei dem in den 4 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel nur entlang einer der Richtungen X oder Y. Infolge der elliptischen Form des Spiegelsubstrats 52b und der nicht rotationssymmetrischen Steifigkeitsverteilung verformt sich das Spiegelsubstrat 52b entlang der Richtung X schwächer als entlang der Richtung Y. Entlang beider Richtungen ist die Deformation jedoch über einen größeren Bereich des Spiegelsubstrats 52b hinweg sphärisch, nur dass sich die Krümmungen entlang den Richtungen X und Y voneinander unterscheiden. Da die Laserstrahlung 26, anschaulich gesprochen, entlang der Richtung X über eine größere Fläche des Spiegelsubstrats 52b hinweg verteilt ist, wenn die Umlenkung in der XZ-Ebene erfolgt, ist die fokussierende Wirkung des adaptiven Spiegels bei dem in der 4b gezeigten konkaven Zustand des Spiegelsubstrats 52b für die Richtungen X und Y gleich.
Durch gezielte Verstimmungen des Dickenprofils entlang den Richtungen X und Y kann auch eine rotationsasymmetrische Wirkung erzielt werden, um beispielsweise einen Astigmatismus zu korrigieren oder gezielt einzuführen.
Berechnungen haben gezeigt, dass bei besonders großen Spiegelsubstraten die Steifigkeit nicht bis zur geometrischen Mitte des Spiegelsubstrats hin zunehmen sollte. Die 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein solches größeres Spiegelsubstrat 52b''. Dessen Dicke, und damit auch die Steifigkeit, nimmt nur in einem ringförmigen Bereich 72b'', der die geometrische Mitte 68b'' umschließt, aber nicht enthält, hinzu. Innerhalb eines von dem ringförmigen Bereich 72b'' umschlossenen Zentralbereich 74b'', der die geometrische Mitte 68b'' enthält, nimmt die Steifigkeit zur geometrischen Mitte 68b'' hin wieder ab.
Das in der 10 gezeigte Ausführungsbeispiel für ein Spiegelsubstrat 52b'" unterscheidet sich von dem in der 9 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass in dem Zentralbereich 74b'" die Dicke und damit auch die Steifigkeit konstant sind.
Steuerung
Im Folgenden wird erneut Bezug genommen auf die 2, um die Steuerung der adaptiven Spiegel 28a, 28b zu beschreiben. Der erste adaptive Spiegel 28a ist unmittelbar hinter der Laserstrahlungsquelle 18 angeordnet und hat die Aufgabe, den Querschnitt der Laserstrahlung 26 beim Auftreffen auf den zweiten adaptiven Spiegel 28b konstant zu halten. Dieser Querschnitt kann während der Laserbearbeitung variieren, wenn sich der optische Abstand zwischen den adaptiven Spiegeln 28a, 28b infolge von Verfahrbewegungen des Roboters 12 verändert. Der Steuereinrichtung 34 werden deswegen von einer übergeordneten Maschinensteuerung 45 Veränderungen des optischen Abstandes zwischen den adaptiven Spiegeln 28a, 28b mitgeteilt. Diese steuert die dem ersten adaptiven Spiegel zugeordnete Druckquelle 32a so an, dass der Querschnitt der Laserstrahlung 26 auf dem zweiten adaptiven Spiegel 28b trotz verändertem Abstand konstant bleibt.
Da sich eine Verformung des ersten adaptiven Spiegels 28a auch auf die axiale Lage des Brennflecks 22 auswirkt, muss zur Kompensation der zweite adaptive Spiegel 28b, der im Allgemeinen unmittelbar vor dem Bearbeitungskopf 14 angeordnet ist, betätigt werden, um die vom ersten adaptiven Spiegel 30a eingeführte Verlagerung des Brennflecks zu kompensieren. Die Steuereinrichtung 34 steuert deswegen gleichzeitig auch den zweiten adaptiven Spiegel 28b an, wobei der Deformationshub anders festgelegt sein kann.
Erfasst die Messeinrichtung 38 im Bearbeitungskopf 14 eine Veränderung der Brennweite der Fokussieroptik 42, so erfordert eine Kompensation dieser Brennweitenveränderung im Allgemeinen größere Deformationshübe des zweiten adaptiven Spiegels 28b. Die über die Signalleitung 36 zugeführten Abweichungen von der Solllage des Brennflecks 22 werden in der Steuereinrichtung 34 deswegen in Stellsignale für die zweite Druckquelle 32b umgesetzt, die etwaigen Stellsignalen additiv überlagert werden, welche die Steuereinrichtung 34 aus Veränderungen des optischen Abstands zwischen den adaptiven Spiegeln 28a, 28b abgeleitet hat. Solche Veränderungen des optischen Abstandes bewirken somit stets (kleinere) Deformationen beider adaptiver Spiegel 28a, 28b, während von der Messeinrichtung 38 erfasste Brennweitenänderungen der Fokussieroptik 42 zu einer zusätzlichen Ansteuerung des zweiten adaptiven Spiegels 28b mit häufig größeren Deformationshüben führt.
Auf diese Weise kann über alle Betriebszustände hinweg eine axial konstante Lage des Brennflecks 22 erreicht werden. Durch gezielte Modifikation des Dickenprofils des im zweiten adaptiven Spiegels 28b angeordneten Spiegelsubstrats 52b lassen sich überdies Astigmatismus und andere rotationsasymmetrische Abbildungsfehler korrigieren. Dadurch kann auch die Form des Brennflecks 22 besser konstant gehalten werden.

Claims

Adaptiver Spiegel (28a) für eine Laserbearbeitungsvorrichtung (10), mit a) einem Gehäuse (56b), b) einer in dem Gehäuse angeordneten Druckkammer (58b), in die eine Anschlussleitung (60b) mündet, die mit einer Druckquelle (32b) verbindbar ist, c) einem Spiegelsubstrat (52b; 52b', 52b'', 52b"'), das die Druckkammer begrenzt und fest in dem Gehäuse eingespannt ist, und wobei ein Innendruck in der Druckkammer so mit Hilfe der Druckquelle veränderbar ist, dass sich das Spiegelsubstrat in Abhängigkeit vom Innendruck in der Druckkammer verformt, dadurch gekennzeichnet, dass dass das Spiegelsubstrat (52b; 52b', 52b'', 52b''') in einer Ebene, in der es in dem Gehäuse (56b) eingespannt ist, in Richtung X eine maximale Abmessung d_x und in dazu orthogonaler Richtung Y eine maximale Abmessung d_y hat, wobei d_x ≠ d_y, und dass das Spiegelsubstrat eine Steifigkeit hat, die zumindest in einem ringförmigen Bereich (72b''; 72b'''), der die geometrische Mitte (68b''; 68b''') des Spiegelsubstrats umschließt, entlang den Richtungen X und Y unterschiedlich stark zur geometrischen Mitte hin zunimmt, und dass sich das Spiegelsubstrat (52b; 52b', 52b'', 52b''') bei einer Veränderung des Innendrucks in der Druckkammer (58b) so deformiert, dass zumindest ein Teil der von der Druckkammer wegweisenden Außenfläche des Spiegelsubstrats die Form eines Torus-Ausschnitts (62b'; 62b''; 62b''') annimmt.
Adaptiver Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsubstrat (52b) eine Steifigkeit hat, die in einem geschlossenen Bereich, der die geometrische Mitte des Spiegelsubstrats enthält, zur geometrischen Mitte hin zunimmt.
Adaptiver Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Bereich (72b''; 72b''') einen Zentralbereich (74b''; 74b''') umschließt, in dem die Steifigkeit konstant ist oder zur geometrischen Mitte hin abfällt.
Adaptiver Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die örtlich variierende Steifigkeit die Folge einer örtlich variierenden Dicke des Spiegelsubstrats (52b; 52b', 52b'', 52b''') ist.
Adaptiver Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umfangskontur des Spiegelsubstrats (52b; 52b', 52b'', 52b''') eine elliptische Form hat.
Adaptiver Spiegel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei genau einem Innendruck die Außenfläche (62b'; 62b''; 62b''') plan ist und eine zur Druckkammer hin weisende Innenfläche (64b; 64b''; 64b''') des Spiegelsubstats die Form eines Ausschnitts einer Oberfläche eines Ellipsoids hat.
Adaptiver Spiegel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der genau eine Innendruck größer als Normaldruck ist.
Adaptiver Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Bereich (72b''; 72b''') in Richtung X und in dazu orthogonaler Richtung Y unterschiedlich große Abmessungen hat.
Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Laserstrahlungsquelle (18) zur Erzeugung von Laserstrahlung, einem Bearbeitungskopf (14), einer Strahlzuführungseinrichtung (20), die im optischen Weg zwischen der Laserstrahlungsquelle und dem Bearbeitungskopf angeordnet ist, einer Druckquelle (32b) und einem mit der Druckquelle verbundenen und in der Strahlzuführungseinrichtung angeordneten adaptiven Spiegel (28b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bearbeitungskopf (14) eine Fokussieroptik (42) und eine Messeinrichtung (38) zur Messung der Brennweite der Fokussieroptik während der Laserbearbeitung enthalten ist, und dass die Laserbearbeitungsvorrichtung (10) eine Steuereinrichtung (34) für den adaptiven Spiegel (28b) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den adaptiven Spiegel so in Abhängigkeit von Messsignalen der Messeinrichtung zu steuern, dass der adaptive Spiegel eine von der Messeinrichtung gemessene Veränderung der Brennweite der Fokussieroptik kompensiert.