DE102019006924A1

DE102019006924A1 - Optische Einrichtung zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung eines Lasers zur Lasermaterialbearbeitung

Info

Publication number: DE102019006924A1
Application number: DE102019006924.2A
Authority: DE
Inventors: André Streek
Original assignee: MOEWE Optical Solutions GmbH
Current assignee: MOEWE Optical Solutions GmbH
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2021-04-01

Abstract

Die Erfindung betrifft optische Einrichtungen zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung eines Lasers zur Lasermaterialbearbeitung. Diese zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Effektivität in der Nutzung der Laserstrahlung durch Polygonspiegel und damit schnell abgelenkter Laserstrahlung auf einer Bearbeitungsfläche eines Werkstücks erhöht ist. Dazu befindet sich im Strahlengang der Laserstrahlung nach dem Laser ein Strahlumschalter zur temporären Erzeugung eines ersten Teilstrahls und eines zweiten Teilstrahls. Weiterhin sind im Strahlengang des ersten Teilstrahls nacheinander ein erster angetrieben rotierender Doppelpolygonspiegel und wenigstens ein erster angetriebener Schwenkspiegel und im Strahlengang des zweiten Teilstrahls nacheinander ein zweiter angetrieben rotierender Doppelpolygonspiegel und wenigstens ein zweiter angetriebener Schwenkspiegel angeordnet. Die Facettenflächen der Doppelpolygonspiegel sind als gerade Spiegelflächen bezüglich der Drehachse geneigt und weisen zueinander. Die Scanlinien der Laserstrahlung gleich gerichtet sind. Die Positionen der Verbindungen der Spiegelflächen des ersten Doppelpolygonspiegels stimmen nicht mit den Positionen der Verbindungen der Spiegelflächen des zweiten Doppelpolygonspiegels überein.

Description

Die Erfindung betrifft optische Einrichtungen zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung eines Lasers 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.
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.
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 eignene sich insbesondere zum fehlerfreien Abtasten gewölbter Oberflächen.
Die Druckschrift JP S58-037 616 A zeigt 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 DE 10 2015 014 143 A1 offenbart eine Laserstrahlung ablenkende und fokussierende optische Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung. 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. Damit stellt die optische Einrichtung 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. Die Lösung bezieht sich auf die optische Einrichtung an sich.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erhöhung der Effektivität in der Nutzung der Laserstrahlung durch Polygonspiegel und damit schnell abgelenkter Laserstrahlung auf einer Bearbeitungsfläche eines Werkstücks zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die optischen Einrichtungen zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung eines Lasers zur Lasermaterialbearbeitung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Effektivität in der Nutzung der Laserstrahlung durch Polygonspiegel und damit schnell abgelenkter Laserstrahlung auf einer Bearbeitungsfläche eines Werkstücks erhöht ist.
Dazu befindet sich im Strahlengang der Laserstrahlung nach dem Laser ein Strahlumschalter zur temporären Erzeugung eines ersten Teilstrahls und eines zweiten Teilstrahls. Weiterhin sind im Strahlengang des ersten Teilstrahls nacheinander ein erster angetrieben rotierender Doppelpolygonspiegel und wenigstens ein erster angetriebener Schwenkspiegel und im Strahlengang des zweiten Teilstrahls nacheinander ein zweiter angetrieben rotierender Doppelpolygonspiegel und wenigstens ein zweiter angetriebener Schwenkspiegel angeordnet, so dass die Laserstrahlung des Lasers nach dem Strahlumschalter entweder auf den ersten Doppelpolygonspiegel oder den zweiten Doppelpolygonspiegel gelangt. Die Facettenflächen der Doppelpolygonspiegel sind als gerade Spiegelflächen bezüglich der Drehachse geneigt und weisen zueinander, wobei die Spiegelflächen und die Rotationsachse der Doppelpolygonspiegel oder die Rotationsachsen der Doppelpolygonspiegel einen Winkel so einschließen, dass die Scanlinien der Laserstrahlung gleich gerichtet sind. Die Positionen der Verbindungen der Spiegelflächen des ersten Doppelpolygonspiegels stimmen nicht mit den Positionen der Verbindungen der Spiegelflächen des zweiten Doppelpolygonspiegels überein, so dass

- die durch den Strahlumschalter geschaltete Laserstrahlung nicht auf die Verbindungen der Spiegelflächen gelangt,
- die Scanlinie des zweiten Doppelpolygonspiegels unmittelbar neben der Scanlinie des ersten Doppelpolygonspiegels und
- fortlaufend nach Schwenken des Schwenkspiegels die erste Scanlinie in der zweiten vor dem Schwenken erzeugten Scanlinie und eine neue zweite Scanlinie unmittelbar daneben erzeugt wird, so dass eine Fläche mit der Laserstrahlung des Lasers beaufschlagt wird.

Bei einer Verwendung von Polygonspiegeln in der Lasermaterialbearbeitung besteht durch relativ große Strahldurchmesser im Verhältnis zur Facettenlänge der Polygonflächen der Nachteil, dass der Nutzungsgrad eines Polygonspiegelscanners maximal 60% beträgt. Die Laserstrahlung wird so uneffektiv genutzt. Mit der optischen Einrichtung zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung eines Lasers zur Lasermaterialbearbeitung wird vorteilhafterweise insbesondere mit den geschalteten Laserstrahl und den Polygonspiegeln der Nutzungsgrad wesentlich erhöht. So kann ein Nutzungsgrad von über 90% erreicht werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 angegeben.
Die Doppelpolygonspiegel weisen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 gleich ausgerichtete Rotationsachsen auf.
Die Rotationsachsen der Doppelpolygonspiegel sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 nicht gleich.
Die Anzahl der Spiegelflächen der Doppelpolygonspiegel sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 gleich.
Der Strahlumschalter ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ein elektrooptischer Modulator (EOM), welcher auch als elektrooptischer Schalter oder elektrooptischer Polarisationsmodulator bekannt ist.
Die Schwenkspiegel sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 Galvanometerspiegel, welche auch als Galvanometerscanner bekannt sind. Diese besitzten vorteilhafterweise hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen.
Im Strahlengang jedes Teilstrahls sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 nach den Doppelpolygonspiegeln ein Galvanometerspiegel als Schwenkspiegel zum Ausrichten der Scanlinien der Doppelpolygonspiegel angeordnet.
Der Strahlumschalter, die Antriebe der Doppelpolygonspiegel und die Antriebe der Schwenkspiegel sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 mit einer Steuereinrichtung zur Bewegung und der daraus resultierenden Ablenkung auf den ersten Doppelpolygonspiegel oder den zweiten Doppelpolygonspiegel und zur Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit und geometrisch exakten Platzierung der Scanlinien verbunden.
Der Strahlumschalter, die Antriebe der Doppelpolygonspiegel und die Antriebe der Schwenkspiegel sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 mit der Steuereinrichtung so verbunden, dass die Scanlinien nachfolgend wechselseitig oder nachfolgend in den Scanlinien überlappend und damit synchronisiert erzeugt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine optische Einrichtung zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung,
2 ein Ausschnitt einer optischen Einrichtung zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung mit einem ersten Teilstrahl in einer Draufsicht,
3 ein Ausschnitt einer optischen Einrichtung zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung mit einem zweiten Teilstrahl in einer Draufsicht und
4 eine Laserstrahlung ablenkende Einrichtung.

Eine optische Einrichtung zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung 2 eines Lasers 1 zur Lasermaterialbearbeitung besteht im Wesentlichen aus dem Laser 1, einem Strahlumschalter 3, zwei Laserstrahlung ablenkenden Einrichtungen 6, 7 mit einer Antriebsvorrichtung 8, einem Werkstück 9 mit einer Antriebseinrichtung 10 und einer Steuereinrichtung 11.
Die 1 zeigt eine optische Einrichtung zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung in einer prinzipiellen Darstellung.
Im Strahlengang der Laserstrahlung 2 nach dem Laser 1 sind nacheinander der Strahlumschalter 3 zur Erzeugung zweier Teilstrahlen 4, 5, die zwei Laserstrahlung ablenkenden Einrichtungen 6, 7 und das Werkstück 9 angeordnet. Die Laserstrahlung ablenkenden Einrichtungen 6, 7 sind mit der Antriebsvorrichtung 8 und das Werkstück 9 mit der Antriebseinrichtung 10 verbunden. Der Laser 1, der Strahlumschalter 3, die Laserstrahlung ablenkenden Einrichtungen 6, 7, die Antriebsvorrichtung 8 und die Antriebseinrichtung 10 sind mit der Steuereinrichtung 11 verbunden.
Es zeigen

die 2 einen Ausschnitt einer optischen Einrichtung zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung mit einem ersten Teilstrahl 4 in einer prinzipiellen Draufsicht,
die 3 einen Ausschnitt einer optischen Einrichtung zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung mit einem zweiten Teilstrahl 5 in einer prinzipiellen Draufsicht und
die 4 eine Laserstrahlung ablenkende Einrichtung 6, 7 in einer prinzipiellen Darstellung.

Die zwei Laserstrahlung ablenkenden Einrichtungen 6, 7 besitzen jeweils einen angetrieben rotierenden Doppelpolygonspiegel 12, 13 für jeweils einen der Teilstrahlen 4, 5 und einen angetriebenen Schwenkspiegel 14. Der Strahlumschalter 3 kann insbesondere ein elektrooptischer Modulator (EOM) sein. Die Laserstrahlung 2 gelangt nach dem Strahlumschalter 3 so entweder als erster Teilstrahl 4 auf den ersten Doppelpolygonspiegel 12 oder als zweiter Teilstrahl 5 auf den zweiten Doppelpolygonspiegel 13. Die Facettenflächen sind als gerade Spiegelflächen der Doppelpolygonspiegel 12, 13 in gleicher Richtung geneigt und weisen zueinander. Die Spiegelflächen und die Rotationsachse der Doppelpolygonspiegel 12, 13 schließen einen Winkel so ein, dass die Scanlinien der Laserstrahlung 2 gleich gerichtet sind. Die Anzahl der Spiegelflächen der Doppelpolygonspiegel 12, 13 sind gleich. Die Doppelpolygonspiegel 12, 13 sind so miteinander verbunden, dass die Positionen der Verbindungen der Spiegelflächen des ersten Polygonspiegels 12 nicht mit den Positionen der Verbindungen der Spiegelflächen des zweiten Polygonspiegels 13 übereinstimmen. Die Verbindungen der Spiegelflächen des ersten Doppelpolygonspiegels 12 befinden sich insbesondere mittig der Spiegelflächen des zweiten Doppelpolygonspiegels 13. Die Doppelpolygonspiegel 12, 13 sind so gesteuert, dass die durch den Strahlumschalter 3 geschaltete Laserstrahlung 2 nicht auf die Verbindungen der Spiegelflächen gelangt. Jeder der Teilstrahlen 4, 5 gelangt nach den Doppelpolygonspiegeln 12, 13 jeweils auf einen Schwenkspiegel 14, die die Teilstrahlen 4, 5 auf die Oberfläche des Werkstücks 9 so ablenken, dass sich die Scanlinie des zweiten Doppelpolygonspiegels 13 unmittelbar neben der Scanlinie des ersten Doppelpolygonspiegels 12 befindet. Die Schwenkspiegel 14 können dazu insbesondere Galvanometerspiegel sein. Weiterhin sind die Schwenkspiegel 14 so angesteuert, dass fortlaufend nach Schwenken eines Schwenkspiegels 14 die erste Scanlinie in der zweiten vor dem Schwenken erzeugten Scanlinie und eine neue zweite Scanlinie unmittelbar daneben erzeugt wird, so dass eine Fläche mit der Laserstrahlung 2 des Lasers 1 beaufschlagt wird.
Dazu sind der Strahlumschalter 3, die Antriebe der Doppelpolygonspiegel 12. 13 und die Antriebe 15 der Schwenkspiegel 14 mit der Steuereinrichtung 11 zur Bewegung und der daraus resultierenden Ablenkung auf den ersten Doppelpolygonspiegel 12 oder den zweiten Doppelpolygonspiegel 13 und zur Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit und geometrisch exakten Platzierung der Scanlinien verbunden. Weiterhin sind der Strahlumschalter 3, die Antriebe der Doppelpolygonspiegel 12, 13 und die Antriebe 15 der Schwenkspiegel 14 so mit der Steuereinrichtung 11 verbunden, dass die Scanlinien nachfolgend wechselseitig oder nachfolgend in den Scanlinien überlappend erzeugt werden.
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

US 5315428 A [0004]
US 4037920 A [0005]
US 5557438 A [0006]
JP 58037616 A [0007]
DE 102015014143 A1 [0008]

Claims

Optische Einrichtung zur schnellen Ablenkung von Laserstrahlung (2) eines Lasers (1) zur Lasermaterialbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Strahlengang der Laserstrahlung (2) nach dem Laser (1) ein Strahlumschalter (3) zur Erzeugung eines ersten Teilstrahls (4) und eines zweiten Teilstrahls (5) befindet, dass im Strahlengang des ersten Teilstrahls (4) nacheinander ein erster angetrieben rotierender Doppelpolygonspiegel (12) und wenigstens ein erster angetriebener Schwenkspiegel (14) und im Strahlengang des zweiten Teilstrahls (5) nacheinander ein zweiter angetrieben rotierender Doppelpolygonspiegel (13) und wenigstens ein zweiter angetriebener Schwenkspiegel (14) angeordnet sind, so dass die Laserstrahlung (2) des Lasers (1) nach dem Strahlumschalter (3) entweder auf den ersten Doppelpolygonspiegel (12) oder den zweiten Doppelpolygonspiegel (13) gelangt, dass die Facettenflächen der Doppelpolygonspiegel (12, 13) als gerade Spiegelflächen bezüglich der Drehachse geneigt sind und zueinander weisen, wobei die Spiegelflächen und die Rotationsachse der Doppelpolygonspiegel (12, 13) oder die Rotationsachsen der Doppelpolygonspiegel einen Winkel so einschließen, dass die Scanlinien der Laserstrahlung (2) gleich gerichtet sind und dass die Positionen der Verbindungen der Spiegelflächen des ersten Doppelpolygonspiegels (12) nicht mit den Positionen der Verbindungen der Spiegelflächen des zweiten Doppelpolygonspiegels (13) übereinstimmen, so dass - die durch den Strahlumschalter (3) geschaltete Laserstrahlung (2) nicht auf die Verbindungen der Spiegelflächen gelangt, - die Scanlinie des zweiten Doppelpolygonspiegels (13) unmittelbar neben der Scanlinie des ersten Doppelpolygonspiegels (12) und - fortlaufend nach Schwenken des Schwenkspiegels (14) die erste Scanlinie in der zweiten vor dem Schwenken erzeugten Scanlinie und eine neue zweite Scanlinie unmittelbar daneben erzeugt wird, so dass eine Fläche mit der Laserstrahlung (2) des Lasers (1) beaufschlagt wird.
Optische Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelpolygonspiegel (12, 13) gleich ausgerichtete Rotationsachsen aufweisen.
Optische Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachsen der Doppelpolygonspiegel (12, 13) nicht gleich sind.
Optische Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Spiegelflächen der Doppelpolygonspiegel (12, 13) gleich ist.
Optische Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlumschalter (3) ein elektrooptischer Modulator (EOM) ist.
Optische Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkspiegel (14) Galvanometerspiegel sind.
Optische Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang jedes Teilstrahls (4, 5) nach den Doppelpolygonspiegeln (12, 13) ein Galvanometerspiegel als Schwenkspiegel (14) zum Ausrichten der Scanlinien der Doppelpolygonspiegel (12, 13) angeordnet sind.
Optische Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlumschalter (3), die Antriebe der Doppelpolygonspiegel (12, 13) und die Antriebe der Schwenkspiegel (14) mit einer Steuereinrichtung (11) zur Bewegung und der daraus resultierenden Ablenkung auf den ersten Doppelpolygonspiegel (12) oder den zweiten Doppelpolygonspiegel (13) und zur Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit und geometrisch exakten Platzierung der Scanlinien verbunden sind.
Optische Einrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlumschalter (3), die Antriebe der Doppelpolygonspiegel (12, 13) und die Antriebe der Schwenkspiegel (14) so mit der Steuereinrichtung (11) verbunden sind, dass die Scanlinien nachfolgend wechselseitig oder nachfolgend in den Scanlinien überlappend und damit synchronisiert erzeugt werden.