DE102015014143A1

DE102015014143A1 - Laserstrahlung ablenkende und fokussierende optische Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung

Info

Publication number: DE102015014143A1
Application number: DE102015014143.0A
Authority: DE
Inventors: André Streek
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: Moewe Optical Solutions De GmbH
Priority date: 2015-11-01
Filing date: 2015-11-01
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2035-11-02
Also published as: DE102015014143B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Laserstrahlung ablenkende und fokussierende optische Einrichtungen zur Lasermaterialbearbeitung. Diese zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass eine in zwei Dimensionen abgelenkte und verzerrungsarme Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung bereitstellbar ist. Dazu weist die optische Einrichtung wenigstens zwei angetrieben rotierende Polygonspiegel und eine die reflektierte Laserstrahlung fokussierende Optik im Strahlengang nach den Polygonspiegeln auf. Die zueinander weisenden Facettenflächen der Polygonspiegel sind als gerade Spiegelflächen bezüglich der Drehachse geneigt und weisen zueinander, so dass die einfallende Laserstrahlung nacheinander an zwei Spiegelflächen reflektiert wird. Eine die reflektierte Laserstrahlung fokussierende Optik ist im Strahlengang vor und/oder nach den Polygonspiegeln angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft Laserstrahlung ablenkende und fokussierende optische Einrichtungen zur Lasermaterialbearbeitung.
Polygonspiegel zur Laserstrahlablenkung sind unter anderem aus der Messtechnik und in der Verwendung in Druckern bekannt.
All diesen Systemen ist gemein, dass die Form des rotierenden Polygonspiegels dadurch gekennzeichnet ist, dass mehrere ebene Spiegelflächen tangential auf einer Kreisbahn mit definiertem Abstand zur Rotationsachse und mit einer Oberflächennormalen senkrecht zur Drehachse angeordnet sind. Hieraus resultiert, dass bei der Reflexion des Laserstrahls durch die tangentiale Polygonfacette die räumliche Lage des Dreh- oder Ablenkpunktes eine radiale Verschiebung pro Facettendurchlauf erfährt. Dies führt speziell im Fall einer nachgelagerten Fokussierung des Laserstrahls durch eine F-Theta Optik zu einer Varianz der Ablenkgeschwindigkeit innerhalb einer Scanlinie. Zusätzlich wirkt sich dieser Effekt bei Ablenkung des Laserstrahls in die zweite Raumrichtung, beispielsweise durch einen eingebrachten Galvanometerscanner, lagebedingt unterschiedlich über des Scanfeld aus. Das lässt sich nur schwer kompensieren. Durch die senkrechte Anordnung der Polygonspiegel zur Drehachse kann weiterhin die Einfallrichtung des Laserstrahls nicht radial zur Drehachse des Polygonrades erfolgen, was folglich obendrein zu einer stark unsymmetrischen Verzerrung führt. Das zugrundeliegende Problem ist somit die örtliche Verschiebung des Reflexionspunktes beim Durchlauf einer Spiegelfacette.
Für projizierende Systeme wird gemäß der Druckschrift DE 198 60 017 A1 mittels einer Vorrichtung für die Projektion eines Videobildes ein spezifischer Winkel zur Oberflächennormalen einer jeden Facette gewählt, um die Verschiebung des virtuellen Drehpunktes zu minimieren. Eine vollständige räumliche Fixierung oder Modulierung ist hierbei nicht gegeben.
Durch die Druckschrift DE 10 2007 019 017 sind eine Verfahren und eine Vorrichtung zum Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche bekannt. Dabei werden die Strahlen mehrfach auf die Polygonfacetten gelenkt, nachdem diese an feststehenden, nicht rotierenden optischen Komponenten wie Spiegeln oder Linsen reflektiert oder bezüglich ihrer Intensitätsverteilung räumlich moduliert wurden. Die erneute Reflexion an einer rotierenden Facette erfolgt nach Durchgang der Strahlung durch das feststehende optische System bezüglich ihrer Lage relativ an der gleichen Stelle.
Nach der Druckschrift DE 199 06 874 C1 können spezielle Relaisoptiken zwischen Polygonspiegel zur Zeilenablenkung und Vertikalablenksystem zur teilweisen Kompensation eingesetzt werden.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verzerrungsarme und zweidimensional arbeitende Optik zur Lasermaterialbearbeitung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Laserstrahlung ablenkenden und fokussierenden optischen Einrichtungen zur Lasermaterialbearbeitung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass eine in zwei Dimensionen abgelenkte und verzerrungsarme Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung bereitstellbar ist.
Dazu weist die optische Einrichtung wenigstens zwei angetrieben rotierende Polygonspiegel und eine die reflektierte Laserstrahlung fokussierende Optik im Strahlengang nach den Polygonspiegeln auf. Die zueinander weisenden Facettenflächen der Polygonspiegel sind als gerade Spiegelflächen bezüglich der Drehachse geneigt und weisen zueinander, so dass die einfallende Laserstrahlung nacheinander an zwei Spiegelflächen reflektiert wird. Eine die reflektierte Laserstrahlung fokussierende Optik ist im Strahlengang vor und/oder nach den Polygonspiegeln angeordnet.
Die optische Einrichtung stellt einen verzerrungsarmen zweidimensional arbeitenden Polygonspiegelscanner zur Lasermaterialbearbeitung dar, in welchem ein komplex geformter mehrfach reflektierender Polygonspiegel zur Minimierung und Kompensation störender optischer Einflüsse eingebracht ist. Insbesondere für eine nachgelagerte Fokussierung der Laserstrahlung mit einer die F-Theta-Optik störenden Lageverschiebung des Dreh- oder Reflexionspunktes des Laserstrahls oder des Laserstrahlenbündels der Laserstrahlung wird durch die optische Einrichtung vorteilhafterweise mindestens in einer Raumdimension kompensiert oder gezielt moduliert.
Das wird vorteilhafterweise dadurch gelöst, dass der einfallende Laserstrahlung mindestens und unmittelbar über zwei rotierende/rotierbare Polygonspiegel reflektiert wird, bevor dieser die Polygonspiegel verlässt und erst dann auf das feststehende optische Elemente, welche die Laserstrahlung weiterführen und/oder fokussieren. Hintergrund ist, dass sich durch die gezielte Reflexion über mehrere Polygonfacetten ein virtueller Dreh- und Ablenkpunkt der Laserstrahlung erzeugen lässt, der sich nicht mehr auf der Facettenoberfläche befindet oder befinden muss. Der virtuelle Drehpunkt kann sich innerhalb oder außerhalb der Polygonspiegel ausbilden. Durch die geometrischen Abmaße der Polygonspiegel und der daraus folgenden Laserstrahlführung an den rotierenden Polygonspiegeln kann der virtuelle Drehpunkt entweder räumlich virtuell auf der Drehachse fixiert oder gezielt moduliert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 12 angegeben.
Die Polygonspiegel sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 miteinander verbunden. Die einfallende Laserstrahlung wird nacheinander an zwei Spiegelflächen reflektiert.
Die Poygonspiegel sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 beabstandet zueinander angeordnet.
Einer der Polygonspiegel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 von einem Ring mit innenliegenden Facettenflächen als gerade Spiegelflächen umgeben, so dass sich die Facettenflächen als gerade Spiegelflächen des Polygonspiegels und die Facettenflächen als gerade Spiegelflächen des Ringes beabstandet zueinander gegenüberstehen. Weiterhin sind die innenliegenden Facettenflächen bezüglich der Drehachse der Polygonspiegel geneigt. Die einfallende Laserstrahlung wird nacheinander an drei Spiegelflächen reflektiert. Mit einer derartigen Anordnung kann der virtuelle Drehpunkt vorteilhafterweise gezielt moduliert werden.
Die Polygonspiegel sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 jeweils an einen Antrieb gekoppelt. Weiterhin sind die Antriebe mit einer die Rotationsgeschwindigkeiten der Polygonspiegel steuernden Einrichtung verbunden.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 sind

– die Polygonspiegel und der Ring an einen Antrieb,
– die Polygonspiegel zusammen an einen Antrieb und der Ring an einen weiteren Antrieb,
– der Polygonspiegel und der diesen umgebende Ring an einen Antrieb und der andere Polygonspiegel an einen weiteren Antrieb oder
– die Polygonspiegel jeweils an einen Antrieb und der Ring an einen weiteren Antrieb

In Fortführung ist der Antrieb oder sind die Antriebe nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 mit einer die Rotationsgeschwindigkeit steuernden Einrichtung verbunden.
Die Winkel der bezüglich der Drehachse geneigten Spiegelflächen der Polygonspiegel sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 gleich.
Die Winkel wenigstens zweier benachbarter und bezüglich der Drehachse geneigter Spiegelflächen eines Polygonspiegels sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 voneinander verschieden.
Die Steuereinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 eine die Rotationsgeschwindigkeiten der Polygonspiegel so steuernde Einrichtung, dass der virtuelle Dreh- und Ablenkpunkt der Laserstrahlung zwischen sich gegenüber angeordneten Spiegelflächen und/oder außerhalb der Polygonspiegel moduliert ist.
Die fokussierende Optik ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 eine f-Theta-Optik.
Im Strahlengang vor und/oder nach den Polygonspiegeln befindet sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 ein Galvanometerscanner.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine optische Einrichtung zur Ablenkung und Fokussierung von Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung mit einem virtuellen Drehpunkt im Polygon,
2 eine optische Einrichtung mit einem virtuellen Drehpunkt außerhalb des Polygons in einer perspektivischen Ansicht und
3 eine optische Einrichtung mit einem virtuellen Drehpunkt außerhalb des Polygons in einer Seitenansicht.
Eine optische Einrichtung zur Ablenkung und Fokussierung von Laserstrahlung 1 zur Lasermaterialbearbeitung besteht im Wesentlichen aus wenigstens zwei angetrieben rotierenden Polygonspiegeln 2 und einer die Laserstrahlung 1c fokussierenden Optik 5 im Strahlengang vor und/oder nach den Polygonspiegeln 2.
In einer ersten Ausführungsform wird über die Polygonspiegel 2 ein virtueller Drehpunkt zwischen den Polygonspiegeln 2 erzeugt.
Die 1 zeigt eine optische Einrichtung zur Ablenkung und Fokussierung von Laserstrahlung 1 zur Lasermaterialbearbeitung mit einem virtuellen Drehpunkt im Polygon und damit zwischen den Polygonspiegeln 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
Die zueinander weisenden Facettenflächen 3 als gerade Spiegelflächen des ersten Polygonspiegels 2a und des zweiten Polygonspiegels 2b sind bezüglich der Drehachse 4 geneigt und weisen zueinander. Damit wird die einfallende Laserstrahlung 1a nacheinander an zwei Facettenflächen 3 als gerade Spiegelflächen reflektiert. Die reflektierte Laserstrahlung 1b gelangt danach zu der fokussierenden Optik 5 im Strahlengang nach den Polygonspiegeln 2. Die rotierenden Polygonspiegel 2 müssen dabei nicht zwingend auf einer Welle montiert sein. Die Polygonspiegel 2 können unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten aufweisen. Der Auftreffpunkt auf der Facettenfläche 3 des zweiten Polygonspiegels 2b muss hierbei nicht dem Auftreffpunkt der einfallenden Laserstrahlung 1a auf der Facettenfläche 3 des ersten Polygonspiegels 2a entsprechen. Damit sind auch zwei Reflexionen an den rotierenden und geraden Spiegelflächen als Facettenflächen 3 in einer Art und Weise möglich, die den virtuellen Drehpunkt ohne feststehende optische Zwischenelemente modulieren. Zwei oberflächlich reflektierende und zueinander gegen ausgerichtet angebrachte Pyramidenschnitte kompensieren bei korrekter Wahl der Größe der Polygonspiegel 2, der Winkelstellung der Facettenflächen 3 und dem Auftreffpunkt der Laserstrahlung 1 die Verschiebung des Reflexionspunktes und erzeugen einen stehenden oder gezielt modulierten „virtuellen” Drehpunkt innerhalb des Polygons, dass heißt zwischen den Polygonspiegeln 2.
In einer zweiten Ausführungsform wird die Laserstrahlung 1 über zwei Polygonspiegel 2 geführt, um einen virtuellen Drehpunkt außerhalb der Polygonspiegel 2 zu erzeugen.
Dazu zeigen
die 2 eine optische Einrichtung mit einem virtuellen Drehpunkt außerhalb des Polygons in einer perspektivischen Ansicht und
die 3 eine optische Einrichtung mit einem virtuellen Drehpunkt außerhalb des Polygons in einer Seitenansicht
jeweils als prinzipielle Darstellungen.
Dazu sind im Strahlengang der Laserstrahlung 1 zwei angetrieben rotierende und beabstandet zueinander angeordnete Polygonspiegel 2 entsprechend der ersten Ausführungsform angeordnet und betrieben. Der zweite Polygonspiegel 2b ist von einem Ring 6 mit innenliegenden Facettenflächen 7 als gerade Spiegelflächen umgeben, die bezüglich der Drehachse 4 der Polygonspiegel 2 geneigt sind. Die Anzahl der Facettenflächen 3 der Polygonspiegel 2 und der Facettenflächen 7 des Rings 7 sind gleich. Damit wird die einfallende Laserstrahlung 1a nacheinander an zwei Facettenflächen 3 der Polygonspiegel und nachfolgend an einer Facettenfläche 7 des Rings 6 reflektiert. Die Facettenflächen 3, 7 sind als gerade Spiegelflächen ausgeführt. Die reflektierte Laserstrahlung 1b gelangt danach zu der fokussierenden Optik 5 im Strahlengang nach den Polygonspiegeln 2 und dem Ring 6.
Die dreifach reflektierte Laserstrahlung 1b passiert den Raum zwischen den beabstandet zueinander angeordneten Polygonspiegeln 2. Damit kann entsprechend der Größe der Polygonspiegel 2, des Rings 6, der Winkelstellung der Facettenflächen 3, 7 und den Auftreffpunkten der Laserstrahlung 1 die Verschiebung des Reflexionspunktes hervorgerufen werden. Es wird ein stehender oder gezielt modulierter „virtueller” Drehpunkt außerhalb der Polygonspiegel 2 erzeugt.
Dabei können

– die Polygonspiegel 2 und der Ring 6 an einen Antrieb,
– die Polygonspiegel 2 zusammen an einen Antrieb und der Ring 6 an einen weiteren Antrieb,
– der zweite Polygonspiegel 2b und der diesen umgebende Ring 6 an einen Antrieb und der erste Polygonspiegel 2a an einen weiteren Antrieb oder
– die Polygonspiegel 2 jeweils an einen Antrieb und der Ring 6 an einen weiteren Antrieb gekoppelt sein.

Die Antriebe der Ausführungsformen sind mit einer diese steuernden Einrichtung verbunden, die ein Datenverarbeitungssystem in Form eines Mikrocontrollers sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19860017 A1 [0004]
DE 102007019017 [0005]
DE 19906874 C1 [0006]

Claims

Optische Einrichtung zur Ablenkung und Fokussierung von Laserstrahlung (1) zur Lasermaterialbearbeitung mit wenigstens zwei angetrieben rotierenden Polygonspiegeln (2), wobei zueinander weisende Facettenflächen (3) als gerade Spiegelflächen bezüglich der Drehachse (4) geneigt sind und zueinander weisen, so dass die einfallende Laserstrahlung (1a) nacheinander an zwei Spiegelflächen reflektiert wird, und einer die reflektierte Laserstrahlung (1b) fokussierende Optik (5) im Strahlengang vor und/oder nach den Polygonspiegeln (2).
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polygonspiegel (2) miteinander verbunden sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Poygonspiegel (2) beabstandet zueinander angeordnet sind.
Einrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Polygonspiegel (2b) von einem Ring (6) mit innenliegenden Facettenflächen (7) als gerade Spiegelflächen umgeben ist und dass die innenliegenden Facettenflächen (7) bezüglich der Drehachse (4) der Polygonspiegel (2) geneigt sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polygonspiegel (2) jeweils an einen Antrieb gekoppelt sind und dass die Antriebe mit einer die Rotationsgeschwindigkeiten der Polygonspiegel (2) steuernden Einrichtung verbunden sind.
Einrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, – dass die Polygonspiegel (2) und der Ring (6) an einen Antrieb, – dass die Polygonspiegel (2) zusammen an einen Antrieb und der Ring (6) an einen weiteren Antrieb, – dass der Polygonspiegel (2b) und der diesen umgebende Ring (6) an einen Antrieb und der andere Polygonspiegel (2a) an einen weiteren Antrieb oder – dass die Polygonspiegel (2) jeweils an einen Antrieb und der Ring (6) an einen weiteren Antrieb gekoppelt sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb oder die Antriebe mit einer die Rotationsgeschwindigkeit steuernden Einrichtung verbunden sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel der bezüglich der Drehachse (4) geneigten Spiegelflächen der Polygonspiegel (2) gleich sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel wenigstens zweier benachbarter und bezüglich der Drehachse (4) geneigter Spiegelflächen eines Polygonspiegels (2) voneinander verschieden sind.
Einrichtung nach wenigstens einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder die Steuereinrichtung eine die Rotationsgeschwindigkeiten der Polygonspiegel (2) und/oder den Ring (6) so steuernde Einrichtung ist, dass der virtuelle Dreh- und Ablenkpunkt der Laserstrahlung (1) zwischen sich gegenüber angeordneten Spiegelflächen und/oder außerhalb der Polygonspiegel (2) moduliert ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Optik (5) eine f-Theta-Optik ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Strahlengang vor und/oder nach den Polygonspiegeln ein Galvanometerscanner befindet.