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Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf,
umfassend ein Linsenwechselsystem mit zwei Linsen unterschiedlicher Brennweite,
wobei mittels des Linsenwechselsystems jeweils eine der Linsen in den Strahlengang eines Laserstrahls im Laserbearbeitungskopf gebracht werden kann,
wobei die Linsen an einem gemeinsamen Rahmen gehalten sind,
der um eine Drehachse verschwenkbar ist,
und wobei die Drehachse (DA) senkrecht zu einer Richtung einer Laserstrahlachse des Laserstrahls verläuft.
Ein solcher Laserbearbeitungskopf ist aus der
DE 102 15 446 A1 bekannt geworden.
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Durch Laserbearbeitungsverfahren, insbesondere Laserschneiden und Laserschweißen, können Werkstücke, insbesondere Bleche, hoch präzise bearbeitet werden.
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Abhängig vom Bearbeitungsverfahren und vom zu bearbeitenden Werkstück werden für die Laserbearbeitung unterschiedliche Laserstrahldurchmesser am Werkstück benötigt, um die Geschwindigkeit der Laserbearbeitung und die Bearbeitungsqualität zu optimieren. Insbesondere erfordern beim Laserschneiden unterschiedliche Materialstärken des Werkstücks unterschiedliche Laserstrahldurchmesser.
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Bei einer typischen Laserbearbeitungsmaschine mit einem Festkörperlaser wird der Laserstrahl mithilfe einer Lichtleitfaser zu einem Laserbearbeitungskopf geführt. Im Laserbearbeitungskopf erfolgt üblicherweise zuerst eine Kollimation des im Wesentlichen divergent aus einem Ende der Lichtleitfaser austretenden Laserstrahls durch eine Kollimationslinse (oder Linsengruppe). Der kollimierte Laserstrahl wird anschließend durch eine Fokuslinse (oder Linsengruppe) auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Ein Umschalten zwischen zwei Laserstrahldurchmessern kann in einem solchen Laserbearbeitungskopf durch Tausch der Kollimationslinse (oder Linsengruppe) oder der Fokussierlinse (oder Linsengruppe) erfolgen.
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Die
DE 102 15 446 A1 beschreibt einen kombinierten Laserkopf für verschiedene Laserbearbeitungen. In einer Ausführungsform sind an den Enden einer näherungsweise z-förmigen Welle einenends eine Linse und anderenends ein Linsen-Düsen-Modul angeordnet. Die Welle ist um die Achse des Mittelstücks rotierbar. Weiterhin kann die Welle mit einer Schwenkeinrichtung um eine senkrecht zum Laserstrahl verlaufende Schwenkachse, die auch senkrecht zur Achse des Mittelstücks verläuft, geschwenkt werden. Die Linse und das Linsen-Düsen-Modul können damit alternativ in den Strahlengang des Lasterstrahl geschwenkt werden. In einer anderen Ausführungsform sind in einer Revolverscheibe mehrere Vorsatzeinrichtungen jeweils mit einer Sammellinse angeordnet. Die Revolverscheibe ist um eine Achse, die um 45° geneigt gegen den Laserstrahl verläuft, drehbar.
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Aus der
DE 196 30 147 C2 ist einen Anschlusskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls bekannt. In einer Ausführungsform sind Träger, die jeweils mehrere Aufnahmen für Fokussierungsoptiken aufweisen, um eine parallel zum Laserstrahl verlaufende Achse drehbar.
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Die
JP S61 074 794 A beschreibt einen Laserbearbeitungskopf, bei dem zwei auf einer Halterung angeordnete Linsen mittels einer Stellschraube um eine zum Laserstrahl parallele Achse in den Strahlengang eingeschwenkt und in ihrer vertikalen Position verfahren werden können.
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Aus der
JP 2007 290 932 A ist eine Lasergravieranlage bekannt, bei der vier Linsen mit unterschiedlicher Brennweite auf einem Träger angeordnet sind, wobei der Träger um eine parallel zum Laserstrahl orientierte Achse rotiert werden kann, so dass jeweils eine Linse in den Strahlengang gebracht wird.
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Diese vorbekannten Wechselmechanismen erfordern einen großen Bauraum am Laserbearbeitungskopf, und sind teilweise baulich recht aufwendig.
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Aus der
WO 2011/131541 A1 ist es weiterhin eine Strahlformungseinheit zur Fokussierung eines Laserstrahls bekannt geworden, bei der der Strahldurchmesser vollvariabel mittels eines Zoomobjektivs einstellbar ist. Diese Strahlformungseinheit ist baulich besonders aufwendig.
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Die
JP H01 173 716 U beschreibt eine Kamera mit einem rotierbaren, kugelförmigen Linsenhalter, an welchem zwei Linsen unterschiedlicher Brennweite befestigt sind, die jeweils auf eine gleiche Position vor einer weiteren, festen Linse im Innenraum des kugelförmigen Linsenhalters eingeschwenkt werden können. Die Rotationsachse des Linsenhalters kreuzt senkrecht die optische Achse der jeweils eingeschwenkten Linse und der weiteren Linse; zudem kreuzen sich die optischen Achsen der Linsen des Linsenhalters. Mit den zwei Linsen auf dem Linsenhalter kann zwischen einem normalen und einem ultraweiten Winkelbereich gewählt werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserbearbeitungskopf vorzustellen, mit dem Linsen im Strahlengang des Laserstrahls zur Änderung des Strahldurchmessers am Werkstück getauscht werden können, wobei der Laserbearbeitungskopf baulich einfach und kompakt ausgebildet und an geänderte Linsenbrennweiten angepasst werden kann.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Laserbearbeitungskopf der eingangs vorgestellten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die optischen Achsen der beiden Linsen an einem Kreuzungspunkt kreuzen,
dass die Drehachse senkrecht zu einer Drehebene verläuft, die die optischen Achsen der beiden Linsen enthält,
dass die jeweiligen Abstände der optischen Achsen der beiden Linsen zur Drehachse in der Drehebene gleich groß sind,
und dass der Rahmen und die Drehachse so eingerichtet sind, dass die beiden Linsen bezüglich der Richtung der Laserstrahlachse (z) an um einen Abstand AZ versetzten Positionen in den Strahlengang des Laserstrahls eingeschwenkt werden.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Laserbearbeitungskopfs bzw. dessen Linsenwechselsystems, insbesondere durch die Geometrie der optischen Achsen und der Drehachse, ist eine besonders platzsparende und einfache, insbesondere auch leichte, Bauweise möglich.
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Durch den drehbaren Rahmen kann zwischen den im Rahmen gehaltenen Linsen gewechselt werden. Dadurch, dass sich die optischen Achsen der Linsen kreuzen, können die Linsen im Wesentlichen um die Drehachse herum platziert werden, was besonders kompakt gestaltet werden kann. Dadurch, dass die Drehebene die optischen Achsen der Linsen enthält, haben die optischen Achsen in Richtung entlang der Drehachse eine einheitliche Lage. Weiterhin ist durch die gleich großen Abstände der optischen Achsen der Linsen zur Drehachse (gemessen senkrecht zur jeweiligen optischen Achse und in der Drehebene) gewährleistet, dass nach einem Linsenwechsel im Strahlengang des Laserstrahls die optische Achse einer neu eingeschwenkten Linse keinen seitlichen Versatz zur optischen Achse der zuvor eingeschwenkten Linse aufweist.
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Insgesamt kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau daher gewährleistet werden, dass in der jeweils eingeschwenkten Drehposition die optischen Achsen der Linsen mit der Laserstrahlachse (d. h. der Hauptachse des Laserbearbeitungskopfs) zusammenfallen, ohne dass es hierfür anlässlich eines Linsenwechsels einer Nachjustage einer Linsenposition bedürfte.
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Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass der Rahmen und die Drehachse so eingerichtet sind, dass die beiden Linsen bezüglich der Richtung der Laserstrahlachse (z) an um einen Abstand AZ versetzten Positionen in den Strahlengang des Laserstrahls eingeschwenkt werden. Der Abstand AZ bezieht sich dabei auf ein Koordinatensystem, dass die Drehachse (bzw. deren Fußpunkt auf der Drehebene) als Bezugspunkt annimmt. Der Abstand AZ kann dann dazu genutzt werden, den Laserbearbeitungskopf an die geänderte Linsenbrennweite anzupassen; Verschiebungen des Linsenwechselsystems in z-Richtung können vermieden oder verkürzt werden.
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Typischerweise umfasst das Linsenwechselsystem genau zwei Linsen; dies reicht in der Regel für eine Anpassung an verschiedene Materialstärken von Werkstücken oder auch verschiedene Bearbeitungsverfahren aus, ohne den baulichen Aufwand zu stark zu erhöhen. Es ist aber auch möglich, drei oder noch mehr Linsen am Rahmen vorzusehen, die mit dem Linsenwechselsystem in den Strahlengang des Lasterstrahls gebracht werden können, wobei die Linsen in der Regel so am Rahmen angeordnet werden, dass sie im Strahlengang des Laserstrahls nicht überlappen.
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Die Drehung des Rahmens ist typischerweise motorisch ansteuerbar; die Drehung des Rahmens um einen geeigneten Winkel bewirkt einen Linsenwechsel. Durch den Wechsel der Linsen ist eine schnelle Umstellung des Fokusdurchmessers (Strahldurchmessers) des Laserstrahls auf einem Werkstück möglich, etwa für Schweißen einerseits und Schneiden andererseits, oder auch für das Schneiden eines dicken Werkstücks (oder Werkstückteils) einerseits und eines dünnen Werkstücks (oder Werkstückteils) andererseits. Beim Umschalten der Linsen braucht der Strahlengang nicht eröffnet zu werden, was Verschmutzungen der Linsen bei einer Änderung des Strahldurchmessers vermeidet. Im Rahmen der Erfindung sind Linsenwechsel innerhalb von 1 s oder noch weniger möglich.
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Der Laserbearbeitungskopf umfasst in der Regel im Strahlengang des Laserstrahls wenigstens eine Kollimationslinse, wenigstens eine Fokussierlinse und meist ein druckbeständiges Schutzglas vor der (vordersten) Fokussierlinse, und eine Gasaustrittsdüse. Ein Linsenwechselsystem kann für eine Kollimationslinse, und alternativ oder zusätzlich für eine Fokussierlinse eingesetzt werden. Als Lichtquelle agiert in der Regel ein Ende einer Lichtleiterfaser, die ihrerseits an einen Laser (typischerweise einen Festkörperlaser) gekoppelt ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs, bei dem die Drehachse eine Winkelhalbierende zwischen den optischen Achsen der beiden Linsen schneidet. Dies gestattet einen besonders kompakten Aufbau, bei dem gleiche Abstände der optischen Achsen der beiden Linsen zur Drehachse automatisch gegeben sind. Man beachte, dass die Drehachse die Winkelhalbierende unter rechtem Winkel schneidet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystems ist vorgesehen, dass die Linsenebenen der beiden Linsen sich in einer Scheitelgeraden schneiden, und dass die Drehachse parallel zur Scheitelgeraden und beabstandet von der Scheitelgeraden ist. Typischerweise liegt die Drehachse zwischen der Scheitelgeraden (bzw. den Linsenebenen oder der Linsenebene, die die Winkelhalbierende am nächsten zum Kreuzungspunkt schneidet) und dem Kreuzungspunkt, oder auf dem Kreuzungspunkt. Mit dieser Ausführungsform kann ein Versatz zwischen den (jeweils eingeschwenkten) Linsen in Richtung z der Laserstrahlachse eingerichtet werden; zudem kann der für ein Umschalten der Linsen benötigte Raum, insbesondere der maximale Radius von bewegten Teilen des Rahmens, gering gehalten werden. Die Linsenebene ist bei dünnen Linsen die Mittelebene der Linse, bei dicken Linsen die Hauptebene der Linse, die dem Kreuzungspunkt am nächsten liegt.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Drehachse durch den Kreuzungspunkt verläuft. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau. Alternativ ist es auch möglich, die Drehachse entfernt vom Kreuzungspunkt einzurichten, insbesondere um einen besonders großen Versatz in Richtung der Laserstrahlachse (z-Richtung) zwischen den jeweils eingeschwenkten Linsen zu erhalten. Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der sich die optischen Achsen der beiden Linsen unter rechtem Winkel schneiden. Dies ermöglicht die kompakteste Bauform zweier Linsen, bei der sich die Linsen noch nicht gegenseitig abschatten. In der Regel verfügt der Rahmen für diese Ausführungsform über zwei rechtwinklig angeordnete Schenkel, in denen die Linsen gehalten sind.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Abstand AZ dem Unterschied der Brennweiten der beiden Linsen entspricht. Dann ist der Laserbearbeitungskopf nach dem Linsenwechsel noch genauso fokussiert wie zuvor, so dass eine Laserbearbeitung eines Werkstücks ohne Verzögerung durch Nachjustagen fortgesetzt werden kann.
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Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Linsen des Linsenwechselsystems Kollimationslinsen des Laserbearbeitungskopfes sind. Dies hat sich in der Praxis bewährt. Die Motorik zum Drehen des Rahmens ist in diesem Fall relativ weit vom Werkstück entfernt, so dass die Werkstückbearbeitung nicht beeinträchtigt wird. Alternativ können die Linsen des Linsenwechselsystems auch Fokussierlinsen des Laserbearbeitungskopfes sein.
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Bei einer Weiterbildung der vorgenannten beiden Ausführungsformen ist vorgesehen, dass in Richtung (z) der Laserstrahlachse die eingeschwenkte Position derjenigen Linse mit der kleineren Brennweite näher an einer Laserlichtquelle des Laserbearbeitungskopfes ist als die eingeschwenkte Position derjenigen Linse mit der größeren Brennweite. Dadurch wird ein besonders kompakter Aufbau des Laserbearbeitungskopfes erreicht. Bevorzugt erfolgt die Verschwenkung des Rahmens so, dass diejenige Linse mit der kürzeren Brennweite gegen die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls bewegt wird, wenn diese aus der Arbeitsposition heraus geschwenkt wird, und diejenige Linse mit der größeren Brennweite in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls bewegt wird, wenn diese aus der Arbeitsposition heraus geschwenkt wird. Falls das Linsenwechselsystem mit Fokussierlinsen ausgebildet ist, ist die Reihenfolge der eingeschwenkten Positionen der Linsen umgekehrt. Die Laserlichtquelle ist bevorzugt das Ende einer Lichtleitfaser.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Linsenwechselsystem zwei Anschläge für zwei Drehpositionen des Rahmens ausbildet, in denen jeweils eine der beiden Linsen in den Strahlengang des Laserstrahls eingeschwenkt ist, und dass Fixiermittel vorgesehen sind, mit denen der Rahmen in den beiden Drehpositionen fixiert werden kann. Durch die Anschläge und die Fixiermittel können die Linsen sehr einfach gegenüber dem Laserstrahl ausgerichtet und in der ausgerichteten Position gehalten werden. Die Fixiermittel können insbesondere Magnete oder Federn umfassen. Die Anschläge sind bevorzugt einstellbar ausgebildet, um die Erstjustage zu erleichtern.
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Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der Laserbearbeitungskopf so ausgebildet ist, insbesondere die Brennweiten der Linsen so gewählt sind, dass eine Laserlichtquelle des Laserbearbeitungskopfs, insbesondere das Ende einer Lichtleitfaser, vergrößert abgebildet wird. Die Laserlichtquelle wird dabei auf ein zu bearbeitendes Werkstück, etwa ein Metallblech, abgebildet. Diese Ausführungsform ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau, wenn zur Einstellung der Fokuslage der Rahmen entlang der Laserstrahlachse verschoben wird: Bei einer vergrößernden Abbildung wird eine z-Verschiebung des Rahmens bzw. einer Linse im Strahlengang in eine mit dem Quadrat des Abbildungsverhältnisses vergrößerte z-Verschiebung des Fokuspunktes übersetzt.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der der Rahmen auf einem Schlitten angeordnet ist, gegenüber dem der Rahmen drehbar um die Drehachse gelagert ist, wobei der Schlitten in Richtung der Laserstrahlachse motorisch verfahrbar ist. In dieser Ausführungsform kann die z-Position der Linsen des Rahmens gegenüber anderen Linsen des Laserbearbeitungskopfes und/oder gegenüber der Laserlichtquelle (etwa dem Ende einer Lichtleitfaser) mit dem Schlitten eingestellt werden; dadurch kann die Fokuslage am Werkstück (etwa einem Blech) eingestellt werden. Man beachte, dass die Verschiebung der Fokuslage in z-Richtung auch den Fokusdurchmesser beeinflusst. Die Auslegung des optischen Systems des Laserbearbeitungskopfs, insbesondere die Brennweiten der verbauten Linsen, der Linsenabstand und der (maximale) Verfahrweg von Linsen bzw. der Verfahrbereich des Rahmens in z-Richtung kann jedoch so gewählt werden, dass eine Änderung des Fokusdurchmessers bei maximal ca. 10% liegt und entsprechend tolerierbar ist.
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Vorteilhaft ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der am Rahmen eine Gabel oder ein Langloch für den Eingriff eines mit dem Schlitten nicht verfahrbaren Bolzens ausgebildet oder befestigt ist. Dadurch kann auf einfache Weise die Motorik des Schlittens auch zum Drehen des Rahmens verwendet werden. Beim Verfahren des Schlittens erfolgt eine Mischung aus einer Drehung des Rahmens um den Bolzen und einer Bewegung des Bolzens entlang der Gabel bzw. des Langlochs; ersteres bedingt auch eine Drehung des Rahmens um die Drehachse. Man beachte, dass hierfür der Bolzen radial beabstandet von der Drehachse am Rahmen (oder einem Anbauteil des Rahmens) angreift, und der Bolzen typischerweise parallel zur Drehachse ausgerichtet ist und einen runden Querschnitt aufweist. Alternativ kann ein eigener Motor zur Ansteuerung der Drehbewegung des Rahmens vorgesehen sein.
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Bevorzugt ist es dabei, wenn ein etwaiger Abstand AZ bezüglich der Richtung (z) der Laserstrahlachse zwischen den Positionen der in den Strahlengang des Laserstrahls eingeschwenkten Linsen zuzüglich eines zugehörigen Verfahrwegs des Schlittens zum Verschwenken des Rahmens mittels der Gabel oder des Langlochs der Differenz der Brennweiten der beiden Linsen entspricht. Mit anderen Worten, die Positionsänderung der Linsen durch einen Linsenwechsel auf dem Schlitten, zuzüglich des Verfahrwegs des Schlittens durch einen Linsenwechsel gleicht den Unterschied der Brennweiten der gegeneinander ausgetauschten Linsen aus. Dann verändert sich beim Linsenwechsel insgesamt nicht die Fokusposition am Werkstück. Die Laserbearbeitung kann nach dem Linsenwechsel ohne Verzögerung durch eine Nachjustage fortgesetzt werden.
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Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Bolzen motorisch in die Gabel oder das Langloch ein- und ausfahrbar ausgebildet ist, insbesondere mittels eines Kurzhubzylinders. Der Bolzen wird dabei typischerweise parallel zur Richtung der Drehachse verfahren. Der Bolzen kann gezielt für den Linsenwechsel mit der Gabel oder dem Langloch in Eingriff gebracht werden, und im Übrigen kann der Schlitten zur Einstellung der Fokusposition verfahren werden, ohne dass dies auf die Drehstellung des Rahmens Auswirkungen hat.
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Weiterhin ist eine Ausführungsform bevorzugt, die vorsieht, dass der Rahmen des Linsenwechselsystems zumindest noch eine dritte Linse umfasst, dass die optischen Achsen aller Linsen des Rahmens in einer gemeinsamen Drehebene verlaufen, und dass die jeweiligen Abstände der optischen Achsen aller Linsen des Rahmens zur Drehachse in der gemeinsamen Drehebene gleich groß sind.. Mit dieser Geometrie können auf einfache und kompakte Weise drei Linsen (oder auch noch mehr Linsen in analoger Weise) am Rahmen vorgesehen werden, die alternativ in den Strahlengang eingebracht werden können. Die jeweils eingeschwenkten Linsen bedürfen in Richtung entlang der Drehachse und quer zur Laserstrahlachse keinerlei Nachjustage. Man beachte, dass in dieser Ausführungsform sich die optischen Achsen der wenigstens drei Linsen des Rahmens paarweise kreuzen oder sich die optischen Achsen aller Linsen des Rahmens in einem gemeinsamen Kreuzungspunkt schneiden.
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Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass sich die optischen Achsen aller Linsen des Rahmens in einem gemeinsamen Kreuzungspunkt schneiden und die Drehachse durch den gemeinsamen Kreuzungspunkt verläuft. Auf diese Weise kann eine sehr einfache und kompakte Anordnung erhalten werden, bei der zudem die gleichen Abstände der optischen Achsen zur Drehachse inhärent eingerichtet sind.
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Laserbearbeitungsanordnung, umfassend einen erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf sowie eine Laserlichtquelle und ein Werkstück, wobei der Laserbearbeitungskopf die Laserlichtquelle mittels einer Kollimationslinse und einer Fokussierlinse auf eine Oberfläche oder auf eine Ebene kurz unterhalb der Oberfläche des Werkstücks abbildet.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Übersicht des optischen Systems eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs mit zwei Linsen, wobei eine Linse mit kurzer Brennweite in den Strahlengang des Laserstrahls geschwenkt ist;
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2 das optische System von 1, wobei eine Linse mit langer Brennweite in den Strahlengang des Laserstrahls geschwenkt ist;
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3 eine schematische perspektivische Außenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs;
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4 der Laserbearbeitungskopf von 3 in einer schematischen Perspektivansicht im Bereich des Linsenwechselsystems für die Kollimationslinse, mit teilweise entferntem Gehäuse;
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5 eine schematische Querschnittsdarstellung des Linsenwechselsystems von 4, jedoch ohne Kurzhubzylinder;
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6 eine schematische Aufsicht auf das Linsenwechselsystem von 4;
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7 den Laserbearbeitungskopf von 4 in einer schematischen Perspektivansicht, mit gegenüber 4 um 90° verdrehter Gabel;
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8 eine schematische Übersicht des optischen Systems eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs mit drei Linsen, mit gemeinsamen Kreuzungspunkt der optischen Achsen;
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9 eine schematische Übersicht des optischen Systems eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs mit drei Linsen, mit sich paarweise kreuzenden optischen Achsen.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die wesentlichen Komponenten des optischen Systems eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs.
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Der Laserbearbeitungskopf bildet eine Laserlichtquelle 1, hier die Endfläche der Lichtleitfaser, mittels einer Kollimationslinse 2 und einer Fokussierlinse 3 auf die Oberfläche (oder auf eine Ebene kurz unterhalb der Oberfläche) eines Werkstücks 4 ab. Ein Laserstrahl 5 verlässt dabei das Ende 40 der Lichtleitfaser als divergenter Strahl, der durch die Kollimationslinse 2 kollimiert (parallelisiert) wird. Des Ende 40 der Lichtleitfaser ist dazu in einer Entfernung entsprechend der Brennweite BW1 der Kollimationslinse 2 von der Kollimationslinse 2 (bzw. deren Linsenebene LE1) angeordnet. Der kollimierte Laserstrahl 5 wird dann durch die Fokussierlinse 3 fokussiert. Des Werkstück 4 ist entsprechend der Brennweite BWF der Fokussierlinse 3 vor der Fokussierlinse 3 angeordnet.
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Der Laserstrahl 5 propagiert im Laserbearbeitungskopf entlang einer Laserstrahlachse LA, die hier in vertikaler Richtung (z-Richtung) verläuft, von oben nach unten. Die optische Achse OA1 der Kollimationslinse 2 (gepunktet dargestellt) fällt mit der Laserstrahlachse LA zusammen. Auch die optische Achse der Fokussierlinse 3 (nicht besonders markiert) fällt mit der Laserstrahlachse LA zusammen.
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Um die Fokusgröße des Laserstrahls 5 am Werkstück 4 zu verändern, ist ein Rahmen 6 vorgesehen, der um eine Drehachse DA schwenkbar ist. Die Drehachse DA verläuft senkrecht zur Laserstrahlachse LA, hier senkrecht zur Zeichenebene der 1. Der Rahmen 6 verfügt hier über zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Schenkel 7, 8, wobei im Schenkel 7 die Kollimationslinse 2 angeordnet ist. Im Schenkel 8 ist eine zweite Kollimationslinse 9 angeordnet, die eine größere Brennweite als die Kollimationslinse 2 aufweist (siehe dazu 2 unten).
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Die optische Achse OA1 der Kollimationslinse 2 und die optische Achse OA2 der Kollimationslinse 9 schneiden sich in einem Kreuzungspunkt 10, hier unter rechtem Winkel. Entsprechend liegt auch die Linsenebene LE2 der Kollimationslinse 9 senkrecht zur Linsenebene LE1 der Kollimationslinse 2. Beide optische Achsen OA1, OA2 verlaufen senkrecht zur Drehachse DA, und definieren dadurch eine Drehebene DE, die in 1 in der Zeichenebene liegt.
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Die Drehachse DA liegt hier weiterhin auf der Winkelhalbierenden WH zwischen den optischen Achsen OA1, OA2. Entsprechend sind die Abstände A1, A2 der optischen Achsen OA1, OA2 von der Drehachse DA, gemessen jeweils senkrecht zur jeweiligen optischen Achse OA1, OA2, gleich. Man beachte, dass die Drehachse DA in der gezeigten Ausführungsform zwischen dem Kreuzungspunkt 10 und der Scheitelgeraden 12 liegt, an der sich die Linsenebenen LE1, LE2 schneiden.
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Um nun von der Kollimationslinse 2 auf die Kollimationslinse 9 mit der größeren Brennweite zu wechseln, wird der Rahmen 6 um die Drehachse DA hier um 90° in Pfeilrichtung 11 (gegen den Uhrzeigersinn) geschwenkt. Dadurch wird die Kollimationslinse 2 entgegen der Strahlausbreitungsrichtung aus dem Strahlengang des Laserstrahls 5 herausgeschwenkt, und die Kollimationslinse 9 wird entgegen der Strahlausbreitungsrichtung in den Strahlengang des Laserstrahls 5 eingeschwenkt.
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Die verschwenkte Drehstellung des Rahmens 6 zeigt die 2. Die Kollimationslinse 9 ist nun im Strahlengang des Laserstrahls 5 angeordnet, wobei nun die optische Achse OA2 der Kollimationslinse 9 mit der Laserstrahlachse LA zusammenfällt. Die Kollimationslinse 9 ist um einen Abstand AZ gegenüber der Kollimationslinse 2 der 1 in z-Richtung versetzt angeordnet Die Laserlichtquelle 1, also das Ende 40 der Lichtleitfaser, ist in einem Abstand entsprechend der Brennweite BW2 der Kollimationslinse 9 vor dieser angeordnet, um den Laserstrahl 5 zu kollimieren. Der Rahmen 6 und die Position der Drehachse DA sind so gewählt, dass die Differenz der Brennweiten BW2 – BW1 gleich dem Abstand AZ ist.
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Da der Abstand A2 der optischen Achse OA2 von der Drehachse DA gleich dem Abstand A1 der optischen Achse OA1 von der Drehachse DA ist, ist die optische Achse OA2 der Kollimationslinse 9 nach dem Drehen des Rahmens 2 in x-Richtung korrekt ausgerichtet. Da beide optische Achsen OA1, OA2 in derselben Drehebene DE senkrecht zur Drehachse DA verlaufen, ist auch die korrekte Position der optischen Achse OA2 in y-Richtung sichergestellt.
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Um während der Laserbearbeitung des Werkstücks 4 die Fokussierlinse 3 vor Verschmutzung zu schützen, ist vor der Fokussierlinse 3 ein druckbeständiges Schutzglas 13 angeordnet. Im Übrigen ist der Strahlengang des Laserstrahls 5 zwischen der Laserlichtquelle 1 und dem Schutzglas 13 von einem Gehäuse (nicht dargestellt) eingeschlossen, zum einen um eine Verschmutzung des optischen Systems zu vermeiden, aber auch um Bedienpersonal in der Umgebung vor dem Laserlicht zu schützen.
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Um die z-Position des Laserstrahls 5 bzw. die z-Position von dessen Fokuspunkt 75 gegenüber dem Werkstück 4 einstellen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Rahmen 6 in z-Richtung verfahrbar auszubilden, so dass die Position (eingeschwenkten) Linsen 2, 9 in z-Richtung gegenüber der Lasersichtquelle 1 und der Fokussierlinse 3 verändert werden kann. Dazu ist der Rahmen 6 typischerweise auf einem Schlitten (nicht dargestellt, vgl. aber dazu 3–7) um seine Drehachse DA drehbar gelagert, und der Schlitten ist mitsamt dem Rahmen 6 in z-Richtung verfahrbar.
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Die 3 zeigt in einer schematischen Außenansicht einen erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf 30. Dieser umfasst ein Anschlussstück 31 für eine Lichtleitfaser 32, in welchem ein Ende der Lichtleitfaser 32 angeordnet ist, aus welchem ein divergenter Laserstrahl austritt (verdeckt in 3).
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Weiterhin umfasst der Laserbearbeitungskopf 30 ein oberes Gehäuseteil 33, in welchem in der gezeigten Ausführungsform der Rahmen eines Linsenwechselsystems untergebracht ist, auf welchem zwei Kollimationslinsen gehalten sind. Der im oberen Gehäuseteil 33 propagierende Laserstrahl wird von der im Strahlengang befindlichen Kollimationslinse kollimiert (in 3 wiederum verdeckt). An diesem oberen Gehäuseteil 33 ist ein Motoriksystem 34 angeordnet, mit dem der Rahmen im oberen Gehäuseteil 33 gedreht und verfahren werden kann.
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Weiterhin umfasst der Laserbearbeitungskopf 30 ein unteres Gehäuseteil 35, in welchem eine Fokussierlinse untergebracht ist, die den im unteren Gehäuseteil 35 propagierenden Laserstrahl fokussiert (in 3 wiederum verdeckt). Am unteren Ende des unteren Gehäuseteils 35 ist eine Düse 36 angebracht, mit der der vom Laserstrahl bearbeitete Bereich am Werkstück einem Gasstrom ausgesetzt werden kann, etwa einem Schneidgasstrom zum Austreiben der Schmelze aus dem Schneidspalt oder und/oder einem Inertgasstrom, um Oxidationen am Werkstück zu verhindern.
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Man beachte, dass beim erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf 30 der Strahlengang des Laserstrahls bis zur Düse 36 vollständig umschlossen ist. Für das Drehen oder Verfahren des Rahmens im oberen Gehäuseteil 33 (d. h. für einen Wechsel oder eine Justage der Kollimationslinsen) braucht der Strahlengang (insbesondere die Gehäuse 33, 35) nicht geöffnet zu werden.
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Die 4, 5 und 6 illustrieren den Bereich des oberen Gehäuseteils 33 und des Motoriksystems 34 des Laserbearbeitungskopfs 30 von 3 näher, wobei einige Abdeckungen zum besseren Verständnis entfernt sind. Das Motoriksystem 34 zusammen mit dem linsentragenden Rahmen 6 kann als ein Linsenwechselsystem 76 bezeichnet werden.
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Der an einem Ende 40 der Lichtleitfaser 32 austretende Laserstrahl 5 tritt durch einen hier näherungsweise würfelförmigen Rahmen 6, wobei der Laserstrahl 5 in der in 5 und 6 gezeigten Drehposition des Rahmens 6 von einer Kollimationslinse 9 mit langer Brennweite an der Unterseite des Rahmens 6 kollimiert wird. Im Rahmen 6 ist weiterhin eine Kollimationslinse 2 mit kurzer Brennweite gehalten, vgl. 6. Durch Drehung des Rahmens 6 um seine Drehachse DA können die Kollimationslinsen 9, 2 im Strahlengang des Laserstrahls 5 ausgetauscht werden. Die Kollimationslinse 2 kann insbesondere durch Drehen des Rahmens 6 ausgehend von der Drehposition in 6 im Uhrzeigersinn um 90° in den Laserstrahl 5 gebracht werden, so dass diese dann an der Oberseite des Rahmens 6 angeordnet ist (letzteres nicht dargestellt, vgl. aber 7 zur verdrehten Stellung). Die Drehachse DA verläuft in der gezeigten Ausführungsform durch den Kreuzungspunkt 10 der optischen Achsen OA1, OA2 der Kollimationslinsen 2, 9, die sich am Kreuzungspunkt 10 unter einem Winkel von 90° schneiden.
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Der Rahmen 6 ist starr mit einer Schwenkwelle 41 verbunden, die auf einem Schlitten 42 drehbar um die Achse DA spielfrei gelagert ist. Der Schlitten 42 ist mit einem Motor 43, der eine Kugelrollspindel 44 antreibt, linear parallel zur Laserstrahlachse LA (also in z-Richtung) verfahrbar und zu diesem Zweck an wenigstens einer Schiene 54 des Laserbearbeitungskopfs spielfrei gelagert.
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In der gezeigten Ausführungsform kann mit dem Motor 43, der den Schlitten 42 antreibt, auch eine Drehung des Rahmens 6 bewirkt werden. Dazu ist am hinteren Ende der Schwenkwelle 41 eine Gabel 45 angeordnet, in die ein Bolzen 46 eines Kurzhubzylinders 47 eingreifen kann (nur in 4 dargestellt). Die Gabel 45 und der Bolzen 46 sind radial von der Drehachse DA beabstandet. Mit dem Kurzhubzylinder 47 kann der Bolzen 46 entlang einer Bolzenachse BA parallel zur Drehachse DA in die Gabel 45 eingefahren werden und aus der Gabel 45 herausgefahren werden. Der Kurzhubzylinder 47 ist typischerweise starr am Laserbearbeitungskopf befestigt und bewegt sich insbesondere nicht mit dem Schlitten 42.
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Solange der Bolzen 46 aus der Gabel 45 herausgefahren ist, kann mit dem Motor 43 der Schlitten 42 und damit auch der Rahmen 6 entlang der z-Richtung verfahren werden, um die Lage des Fokuspunkts des Laserstrahls 5 am Werkstück zu verändern, ohne dass dies Auswirkung auf die Drehposition des Rahmens 6 hat.
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Wenn der Bolzen 46 in die Gabel 45 eingefahren ist, kann mit einer linearen Bewegung des Schlittens 42 – und damit auch der Schwenkwelle 41, auf der die Gabel 45 befestigt ist, eine Drehung der Schwenkwelle 41 bewirkt werden. Wird beispielsweise in der in 4 gezeigten Drehstellung des Rahmens 6 bzw. der Gabel 45 der Schlitten 42 nach unten gefahren, so erzwingt der mit dem Schlitten 42 nicht mitfahrende Bolzen 46 eine Drehung der Schwenkwelle 41 mitsamt der Gabel 45 gegen den Uhrzeigersinn. Man beachte, dass dabei der Bolzen 46 relativ zur Gabel 45 entlang der Gabel 45 verfährt. Die 7 zeigt den Laserbearbeitungskopf von 4, nachdem der Schlitten 42 bei in die Gabel 45 eingefahrenem Bolzen 46 in z-Richtung nach unten verfahren wurde, wodurch sich die Gabel 45 (und damit auch die Schwenkwelle und der Rahmen 6) um 90° gedreht haben.
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Es sei angemerkt, dass für ein Einfahren des Bolzens 46 in die Gabel 45, also zur Vorbereitung eines Linsenwechsels, der Schlitten 42 gegebenenfalls zunächst in eine z-Position verfahren werden muss, in der die Gabel 45 gegenüber dem Bolzen 46 liegt.
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Wie am besten aus 4 und 7 ersichtlich, sind am hinteren Ende der Schwenkwelle 41 weiterhin zwei Anlageelemente 48, 49 ausgebildet, mit denen Endpositionen der Schwenkwelle 41 definiert und fixiert werden. In der in 4 gezeigten Drehposition hegt das Anlageelement 48 an einem Anschlag 50 des Schlittens 42 an. Das Anlageelement 48 ist magnetisch und wirkt dadurch als ein Fixiermittel 52 gegenüber dem ferromagnetischen (oder ebenfalls magnetischen) Anschlag 50. Das Anlageelement 49, das ebenfalls magnetisch ist und ebenfalls daher als Fixiermittel 53 dienen kann, kann nach Verschwenkung der Schwenkwelle 41 am ferromagnetischen (oder ebenfalls magnetischen) Anschlag 51 des Schlittens 42 angelegt und festgehalten werden, wie in 7 gezeigt. Die beiden durch die Anschläge 50, 51 definierten Drehpositionen der Schwenkwelle 41 liegen um 90° auseinander, entsprechend dem Winkel zwischen den optischen Achsen OA1, OA2 der Kollimationslinsen 2, 9.
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Die Auswahl der Linse am Rahmen 6 (also die Drehstellung der Schwenkwelle 41) und die z-Position der benutzten Linse (also die Verschiebeposition bezüglich der z-Richtung des Schlittens 42) kann von einer Maschinensteuerung, etwa über gespeicherte Parametertabellen, ohne Einflussnahme eines Bedieners erfolgen, so dass bei Auswahl eines zu bearbeitenden Werkstücks (typischerweise eines Blechs) automatisch ein passendes Abbildungsverhältnis sowie eine passende Fokuslage des Laserstrahls 5 gewählt und eingestellt wird.
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Die 8 illustriert schematisch das optische Systems einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs, wobei in einem hier näherungsweise C-förmigen Rahmen 6 drei Kollimationslinsen 71, 72, 73 gehalten sind. Die optischen Achsen OA1, OA2, OA3 dieser drei Kollimationslinsen 71, 72, 73 liegen in einer Ebene, nämlich der gemeinsamen Drehebene GDE, welche senkrecht zu einer Drehachse DA des Rahmens 6 liegt. Die Drehachse DA schneidet den gemeinsamen Kreuzungspunkt 74 der drei optischen Achsen OA1, OA2, OA3. Man beachte, dass auch alle Winkelhalbierenden WH zwischen je zwei optischer Achsen OA1, OA2, OA3 durch den gemeinsamen Kreuzungspunkt 74 verlaufen.
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Durch Verschwenken des Rahmens 6 um die Drehachse DA, vgl. Pfeilrichtung 77, kann jede der Linsen 71, 72 73 mit ihrer optischen Achse OA1, OA2, OA3 mit der Laserstrahlachse LA des Laserstrahls 5, der von der Laserlichtquelle 1 ausgeht, in Übereinstimmung gebracht werden. In der in 7 gezeigten Drehstellung ist gerade die mittlere Kollimationslinse 72 in Benutzung. Um die linke Linse 71 zu benutzen, wird der Rahmen um ca. 20° im Uhrzeigersinn verschwenkt. Um die rechte Kollimationslinse 73 zu benutzen, wird der Rahmen 6 um ca. 20° gegen den Uhrzeigersinn verschwenkt. Man beachte, dass die Linsen 71, 72, 73 alle unterschiedliche Brennweiten haben und entsprechend entlang der jeweiligen optischen Achse OA1, OA2, OA3 unterschiedlich weit von der Drehachse DA beabstandet sind.
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Der durch eine der Kollimationslinsen 71, 72, 73 kollimierte Laserstrahl 5 wird durch die Fokussierlinse 3 auf ein Werkstück 4 fokussiert; in der gezeigten Ausführungsform liegt der Fokuspunkt 75 des Laserstrahls 5 an der Oberfläche des Werkstücks 4.
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9 illustriert das optische System eines weiteren Laserbearbeitungskopfs gemäß der Erfindung, im Bereich der Kollimationsoptik.
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Auf einem hier winkelförmigen Rahmen 6 sind wiederum drei Kollimationslinsen 71, 72, 73 angeordnet. Der Rahmen 6 ist um eine Drehachse DA verschwenkbar. Diese Drehachse DA liegt hier nicht auf den Winkelhalbierenden von je zwei optischen Achsen der Linsen 71, 72, 73, jedoch ist die Drehachse DA so positioniert, dass die Abstände A1, A2 und A3 der optischen Achsen OA1, OA2, OA3 zur Drehachse DA gleich groß sind, jeweils gemessen in der gemeinsamen Drehebene GDE, in der die optischen Achsen OA1, OA2, OA3 liegen, und senkrecht zur jeweiligen optischen Achse OA1, OA2, OA3.
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In dieser Ausführungsform kreuzen sich die optischen Achsen OA1, OA2, OA3 lediglich paarweise. Die Drehachsen OA1 und OA2 kreuzen sich zum Beispiel an einem Kreuzungspunkt 78, und die Drehachsen OA1 und OA3 kreuzen sich an einem Kreuzungspunkt 79, der vom Kreuzungspunkt 78 beabstandet ist.
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Durch Verschwenken des Rahmens 6, vgl. Pfeilrichtung 77, kann jede der Linsen 71, 72, 73 in den Strahlengang des Laserstrahls 5 eingeschwenkt werden, so dass die jeweilige optische Achse OA1, OA2, OA3 mit der Laserstrahlachse LA zusammenfällt. In der 9 sind die verschwenkten Positionen der Linsen 71, 72, 73 (ohne den Rahmen 6) jeweils zusätzlich eingezeichnet. Die Linsen 71, 72, 73 gelangen dabei jeweils an unterschiedlichen z-Positionen in den Strahlengang des Laserstrahls 5, so dass die Laserlichtquelle 1 jeweils entsprechend der Brennweite der jeweiligen Linse 71, 72, 73 von dieser Linse 71, 72, 73 beabstandet ist.
