-
Die Erfindung betrifft Verwendungen einer optische Einrichtung zur Ablenkung und Fokussierung von Laserstrahlung.
-
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 A1 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.
-
Die Druckschrift
JP S58-037 616 A beinhaltet einen rotierenden Spiegel mit sich gegenüberstehenden schräg angeordneten Polygonflächen. Der optische Strahl wird zweifach abgelenkt auf eine Oberfläche gerichtet. Mit einer Änderung des Winkels der Drehachse wird der Strahl über eine parallele Linie geführt.
-
Die Druckschrift
US 5 315 428 A offenbart einen optischen Scanner mit einem optischen Modulator. Ein Laserstrahl gelangt über den Modulator auf einen Polygonspiegel. Damit werden winklig zueinander angeordnete Abtastlinien insbesondere für einen Barcode erreicht.
-
Die Druckschrift
US 5 198 919 A beinhaltet einen Scanner mit zwei Polygonrädern, die sich unabhängig voneinander in entgegengesetzter Richtung drehen. Damit wird ein schmales Sichtfenster zur Abtastung erreicht. Die Polygonräder können dabei übereinander oder ineinander angeordnet sein.
-
Durch die Druckschrift
US 4 413 878 A ist ein Abbildungssystem mit zwei Polygonspiegeln bekannt, deren Spiegelflächen zueinander geneigt angeordnet sind.
-
Durch die Druckschrift
US 4 037 920 A ist eine Vorrichtung zur Verwendung in einem optischen Abtastsystem bekannt. Diese kann auch Polygonspiegel aufweisen, deren Rotationsbewegungen sich voneinander unterscheiden können.
-
Die Druckschrift
US 5 557 438 A beinhaltet eine Scan-System mit mehreren Polygonen um eine Oberfläche abzutasten. Die Polygone eignen sich insbesondere zum fehlerfreien Abtasten gewölbter Oberflächen.
-
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Einrichtung zur Ablenkung und Fokussierung von Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung zu verwenden.
-
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 verwendbar ist.
-
Dazu werden wenigstens zwei angetrieben rotierende Polygonspiegel, wobei zueinander weisende Facettenflächen als gerade Spiegelflächen bezüglich der Drehachse geneigt sind und zueinander weisen, so dass die einfallende Laserstrahlung nacheinander an zwei Spiegelflächen reflektiert wird, und ein die reflektierte Laserstrahlung fokussierende Optik im Strahlengang vor und/oder nach den Polygonspiegeln zur Lasermaterialbearbeitung verwendet.
-
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 10 angegeben.
-
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 werden miteinander verbundene Polygonspiegel zur Lasermaterialbearbeitung verwendet. Die einfallende Laserstrahlung wird nacheinander an zwei Spiegelflächen reflektiert.
-
Beabstandet zueinander angeordnete Poygonspiegel werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 zur Lasermaterialbearbeitung verwendet.
-
Ein von einem Ring mit innenliegenden Facettenflächen als gerade Spiegelflächen umgebender Polygonspiegel wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 zur Lasermaterialbearbeitung verwendet. Die innenliegenden Facettenflächen sind weiterhin 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.
-
Jeweils an einen Antrieb gekoppelte Polygonspiegel werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 zur Lasermaterialbearbeitung verwendet. Weiterhin sind die Antriebe mit einer die Rotationsgeschwindigkeiten der Polygonspiegel steuernden Einrichtung verbunden.
-
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 werden Polygonspiegel mit bezüglich der Drehachse mit gleichen Winkeln geneigten Spiegelflächen zur Lasermaterialbearbeitung verwendet.
-
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 werden Polygonspiegel mit voneinander verschieden geneigten Spiegelflächen wenigstens zweier benachbarter Spiegelflächen zur Lasermaterialbearbeitung verwendet.
-
Eine die Rotationsgeschwindigkeiten der Polygonspiegel steuernde Steuereinrichtung wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 so verwendet, dass der virtuelle Dreh- und Ablenkpunkt der Laserstrahlung zwischen sich gegenüber angeordneten Spiegelflächen und/oder außerhalb der Polygonspiegel moduliert ist.
-
Als fokussierende Optik wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 eine f-Theta-Optik verwendet.
-
Im Strahlengang vor und/oder nach den Polygonspiegeln wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 ein Galvanometerscanner verwendet.
-
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 Verwendung 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.
