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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit UV-Licht.
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Es ist bekannt, Werkstücke zu bearbeiten, indem ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laser, verwendet wird, der mit Hilfe einer Ablenkeinheit abgelenkt wird. Üblicherweise dient die Ablenkeinheit dazu, den Lichtstrahl in zwei Richtungen abzulenken, so dass eine beliebige zweidimensionale Fläche bearbeitet werden kann.
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Um auch größere Flächen zu bearbeiten, werden üblicherweise Verschiebetische verwendet, um das Werkstück zu verschieben, so dass, auch wenn die von der Ablenkeinheit überstreichbare Fläche klein ist, eine größere Fläche auf dem Werkstück bearbeitet werden kann. Allerdings ist der Zeitbedarf und damit auch die Kostenzunahme für die Bearbeitung, die mit Hilfe eines Verschiebetischs und einer Ablenkeinheit vorgenommen wird, höher als für eine Bearbeitung, die nur mit der Ablenkeinheit vorgenommen wird. Dies liegt insbesondere daran, dass die Geschwindigkeit, mit der ein Verschiebetisch verschoben werden kann, geringer ist, als die Geschwindigkeit, mit der die Ablenkeinheit einen Lichtstrahl ablenken kann.
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Daher ist es wünschenswert, dass die Fläche, die der Lichtstrahl mit Hilfe der Ablenkeinheit überstreichen kann, möglichst groß ist. Allerdings ist es bekannt, dass insbesondere bei UV-Licht, besonders bei Wellenlängen unter 260nm, die nach der Ablenkeinheit zur Verfügung stehende Lichtintensität umso geringer ist, je größer der Ablenkwinkel der Ablenkeinheit wird. Mit anderen Worten nimmt insbesondere im Fall von UV-Licht die Lichtintensität nach der Ablenkeinheit umso weiter ab, je größer die Ablenkwinkel der Ablenkeinheit werden. Dies kann beispielsweise daran liegen, dass die für diese Wellenlängen zur Verfügung stehenden Spiegel nur in einem begrenzten Winkelbereich gut reflektieren. Dieser Winkelbereich kann umso kleiner sein, je größer der mittlere Einfallswinkel ist, für den der Spiegel konstruiert ist.
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Die Verwendung von UV-Licht ist aber gerade beim Bearbeiten von bestimmten Werkstücken besonders bevorzugt, da abhängig von dem Material des Werkstücks zum Bearbeiten des Werkstücks ein Lichtstrahl mit einer bestimmten Energiegedichte und/oder Wellenlänge nötig ist, die bevorzugt im UV-Spektrum bereitgestellt wird.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, UV-Licht mit möglichst geringen Intensitätsverlusten in einem größeren Ablenkungsbereich abzulenken.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit UV-Licht gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Im Folgenden wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit UV-Licht vorgeschlagen, wobei eine zu bearbeitende Fläche des Werkstücks eine X-Y-Ebene definiert, und wobei eine Z-Achse senkrecht auf der X-Y-Ebene steht, wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle aufweist, die dazu eingerichtet ist, UV-Licht in Form eines Lichtstrahls zu emittieren. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Ablenkeinheit auf, die dazu eingerichtet ist, den aus der Lichtquelle emittierten, auf die X-Y-Ebene einfallenden Lichtstrahl räumlich um die Z-Achse so abzulenken, dass der Lichtstrahl die zu bearbeitende Fläche überstreicht, wobei der in die Ablenkeinheit einfallende Lichtstrahl parallel zu einer Y-Z-Ebene oder parallel zu einer X-Z-Ebene gerichtet ist und unter einem Winkel von α zur Z-Achse in die Ablenkeinheit eintritt, wobei α = 1° bis 20°, bevorzugt 5° bis 15°, ist.
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Der gewählte Eintritt des Lichtstrahls unter einem Winkel von α zur Z-Achse führt dazu, dass der Lichtstrahl in die Ablenkeinheit nicht wie üblich gerade, sondern unter einem Winkel, d.h. schief, eintritt. Dabei ermöglicht der Eintrittswinkel, dass ein Verlust von Lichtintensität des austretenden Lichtstrahls durch die Ablenkeinheit besonders bei größeren Ablenkwinkeln reduziert werden kann. Dieser schiefe Eintrittswinkel hat den Vorteil, dass dadurch die bearbeitbare Fläche auf der X-Y-Ebene vergrößert wird. Des Weiteren kann durch den schiefen Eintritt in die Ablenkeinheit ein Verlust von Lichtintensität des austretenden Lichtstrahls besonders bei größeren Ablenkwinkeln reduziert werden.
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Unter einem Bearbeiten wird beispielweise ein Markieren, Schleifen, Schneiden und/oder Schmelzen des Werkstücks, insbesondere des Materials des Werkstücks, verstanden.
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Ferner kann das Werkstück eine ebene und/oder gekrümmte zu bearbeitende Oberfläche aufweisen. Ist die Fläche gekrümmt wird die X-Y-Ebene als die Tangentialebene an dem Mittelpunkt des Werkstücks, insbesondere Mittelpunkt der zu bearbeitenden Fläche, an dem die Bearbeitung vorgenommen werden soll, definiert.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung weiterhin eine Halterung auf, mit der das Werkstück gehalten werden kann, so dass sich seine Position nicht unabsichtlich verschieben kann. Unter einer Halterung bzw. Halteeinheit kann beispielsweise ein Tisch, auf den das Werkstück gelegt und/oder an dem das Werkstück mit geeigneten Mitteln fixiert werden kann, ein Stift, auf den das Werkstück gesteckt werden kann, eine Einspannvorrichtung, in die das Werkstück eingespannt werden kann, und dergleichen verstanden werden.
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Dabei kann alternativ die Halteeinheit die X-Y-Ebene aufspannen, wobei wiederum die Z-Achse senkrecht auf der X-Y-Ebene steht. Ferner kann die Halterung oder Halteeinheit zusätzlich auch als Verschiebetisch ausgebildet sein, so dass das Werkstück relativ zu der Ablenkeinheit verschoben werden kann. Dies hat den Vorteil, dass das Werkstück beispielsweise an verschiedenen Positionen bearbeitet werden kann. Selbstverständlich kann, wie im Stand der Technik, der Verschiebetisch auch dazu verwendet werden, die Fläche, an der die Bearbeitung vorgenommen wird, noch größer zu machen, als es rein durch die Ablenkung des Lichtstrahls durch die Ablenkungseinheit möglich ist.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform weist die Ablenkeinheit zumindest einen Spiegel auf, der zumindest um eine erste Drehachse schwenkbar ist, wobei der zumindest eine Spiegel eine erste Reflektionsoberfläche aufweist, die zum Reflektieren des Lichtstrahls eingerichtet ist und die eine erste Reflexionsebene bildet. Dabei wird der Lichtstrahl derart in die Ablenkeinheit geleitet, dass ein Einfallswinkel des Lichtstrahls bezogen auf eine Flächennormale der ersten Reflexionsebene zwischen 1° und 20°, bevorzugt 5° und 15° ist.
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Die vorteilhaften kleineren Einfallswinkel des Lichtstrahls bezogen auf eine Flächennormale der ersten Reflexionsebene haben den Vorteil, dass ein Verlust der Lichtintensität im austretenden Lichtstrahls durch die Ablenkeinheit besonders bei größeren Ablenkwinkeln reduziert werden kann.
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Zudem kann ein um eine Drehachse schwenkbarer Spiegel leicht verstellt werden, wodurch der Lichtstrahl schnell und präzise abgelenkt werden kann. Dabei kann der zumindest eine Spiegel der Ablenkeinheit elektronisch, beispielsweise mittels eines Galvanometerantriebs, eines Motors und/oder eines Piezoelements, geschwenkt und angesteuert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Ablenkeinheit einen zweiten Spiegel auf, der um eine zweite Drehachse schwenkbar ist.
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Durch die Verwendung von zwei schwenkbaren Spiegeln kann der Lichtstrahl durch die Ablenkeinheit in zwei verschiedenen Achsen abgelenkt werden. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise eine zweidimensionale Fläche auf dem Werkstück bearbeitet werden kann.
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Auch der zweite Spiegel der Ablenkeinheit kann elektronisch angesteuert und/oder mittels eines Galvanometerantriebs, eines Motors und/oder eines Piezoelements geschwenkt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die erste Drehachse und die zweite Drehachse orthogonal zueinander.
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Dies hat den Vorteil, dass dadurch die beiden Achsen voneinander entkoppelt sind. Das heißt, ein Verschwenken des ersten Spiegels um seine Drehachse bewegt den Lichtstrahl auf dem Werkstück parallel zu einer ersten Achse der X-Y-Ebene, während das Verschwenken des zweiten Spiegels um die zweite Drehachse, den Lichtstrahl auf dem Werkstück parallel zu der zweiten Achse der X-Y-Ebene bewegt, die orthogonal zu der ersten Achse ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Ansteuerung, um mit Hilfe des ersten und zweiten Spiegels eine beliebige zweidimensionale Fläche zu bearbeiten, vereinfacht werden kann, da die Achsen voneinander entkoppelt sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der zweite Spiegel eine zweite Reflektionsoberfläche auf, die zum Reflektieren des Lichtstrahls eingerichtet ist und die eine zweite Reflexionsebene bildet, wobei der erste Spiegel und der zweite Spiegel derart zueinander angeordnet sind, dass ein Einfallswinkel des von dem ersten Spiegel reflektierten Lichtstrahls bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Reflexionsebene zwischen 1° und 40°, bevorzugt 5° und 30° ist.
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Wie oben bereits erwähnt, ermöglichen kleinere Einfallswinkel, dass ein Verlust der Lichtintensität des austretenden Lichtstrahls besonders bei größeren Ablenkwinkeln weiter reduziert werden kann.
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Ferner wandert der von dem ersten Spiegel reflektierte Lichtstrahl über die Reflexionsoberfläche des zweiten Spiegels, wenn der erste Spiegel geschwenkt wird. Es ist daher vorteilhaft, wenn der zweite Spiegel größer ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der erste und der zweite Spiegel derart ausgebildet, dass bei einer Verschwenkung von ± 15°, bevorzugt um ± 10°, um ihre jeweilige Drehachse ein Intensitätsverlust des Lichtstrahls möglichst gering ist.
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Üblicherweise werden Spiegel derart ausgebildet, dass sie bei einem bestimmten Einfallswinkel ihre maximale Reflektivität haben. Weicht der Einfallswinkel von dem bestimmten Einfallswinkel ab, beispielsweise wenn der Spiegel verschwenkt wird, nimmt die Reflektivität des Spiegels ab. Dies kann in manchen Fällen dazu führen, dass die nach dem Spiegel zur Verfügung stehende Lichtintensität nicht mehr ausreicht, um eine Bearbeitung an dem Werkstück vorzunehmen. Es ist deshalb vorteilhaft, die verwendeten Spiegel so zu wählen, dass die nach der Ablenkeinheit zur Verfügung stehende Lichtintensität über dem gesamten Verschwenkbereich der Ablenkeinheit ausreichend ist, um das Werkstück zu bearbeiten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt der vorgegebene maximale Intensitätsverlust bei höchstens 50%, bevorzugt höchstens 20%.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner einen Umlenkspiegel auf, der zwischen der Lichtquelle und der Ablenkeinheit angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, den Lichtstrahl in die Ablenkeinheit zu leiten.
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Ein Umlenkspiegel zwischen der Lichtquelle und der Ablenkeinheit hat den Vorteil, dass der Eintrittswinkel in die Ablenkeinheit einfach eingestellt werden kann. Alternativ können auch zwei oder mehrere Umlenkspiegel zwischen der Lichtquelle und der Ablenkeinheit vorgesehen sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat das UV-Licht eine Wellenlänge zwischen 100 nm und 260 nm. Bevorzugt ist die Wellenlänge zwischen 150 nm und 200 nm.
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UV-Licht mit einer Wellenlänge von unter 260 nm hat insbesondere eine hohe Energiedichte und ist daher besonders zum Bearbeiten eines Werkstücks geeignet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtquelle ein UV-Laser, insbesondere ein gepulster UV-Laser, bevorzugt ein Excimerlaser, oder eine Gasentladungslampe.
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Gerade Excimerlaser können eine ausreichende Energiedichte zur Verfügung stellen und sind kommerziell leicht erhältlich. Des Weiteren ist ihre Wellenlänge, insbesondere im UV-Bereich, über das verwendete Lasermedium wählbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zumindest eine Spiegel ein dielektrischer Spiegel, der eine Mehrzahl von dielektrischen Schichten aufweist, die auf der Reflektionsoberfläche angeordnet sind.
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Bei einem dielektrischen Spiegel sind alternierende, dünne Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes auf einem Substrat aufgebracht, wobei die Schichten aus Dielektrika bestehen. An jeder Grenzschicht wird ein Teil der elektromagnetischen Welle des Lichtes reflektiert. Wenn die Wellenlänge nahe dem Vierfachen der optischen Weglänge der Schichten liegt, interferieren die reflektierten Strahlen konstruktiv und es entsteht ein hochqualitativer Reflektor.
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Dielektrische Spiegel erreichen typischerweise eine höhere Reflektivität als beispielsweise reine Metallspiegel. Durch die Verwendung von dielektrischen Spiegeln kann daher der Verlust von Lichtintensität in der Ablenkeinheit weiter reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die dielektrischen Schichten derart ausgebildet, dass sie ihre maximale Reflektivität bei einem Einfallswinkel von 0° zur Flächennormalen erreichen.
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Spiegel, die ihre maximale Reflektivität bei einem Einfallswinkel von 0° zur Flächennormalen erreichen, werden üblicherweise auch als 0°-Spiegel bezeichnet. Dabei wird ein in einem Einfallswinkel von 0° zur Flächennormalen des Spiegels einfallender Lichtstrahl in sich zurück reflektiert. Das heißt, um mehrere 0°-Spiegel hintereinander anzuordnen, ist es notwendig, dass der Einfallswinkel leicht von 0° abweicht, da sonst zumindest Teile des Lichtstrahls durch die Spiegel blockiert werden.
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Diese sogenannten 0°-Spiegel haben den Vorteil, dass der Winkel, um den sie ohne Verlust in ihrer Reflektivität geschwenkt werden können, größer ist als bei Spiegeln, die ihre maximale Reflektivität bei einem Einfallswinkel von beispielweise 45° zur Flächennormalen erreichen. Insbesondere hat sich gezeigt, dass im Fall von UV-Licht 0°-Spiegel einen deutlich größeren Verschwenkbereich ermöglichen.
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Da es zum Bearbeiten eines Werkstücks nötig ist, einen möglichst großen Anteil der Lichtintensität, die von der Lichtquelle zur Verfügung gestellt wird, auch nach der Ablenkeinheit zur Verfügung zu haben, ist die Verwendung von 0°-Spiegeln besonders vorteilhaft. Dies wird durch die verwendeten kleineren Einfallswinkel in der Ablenkeinheit ermöglicht.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Seitenansicht auf eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit UV-Licht gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 zeigt ein Werkstück gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 3: eine perspektivische, schematische Ansicht einer Ablenkeinheit der Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit UV-Licht gemäß dem Ausführungsbeispiel,
- 4 zeigt eine schematische Seitenansicht auf die in der 1 gezeigten Ablenkeinheit aus einer ersten Richtung,
- 5 zeigt eine schematische Seitenansicht auf die in der 1 gezeigten Ablenkeinheit aus einer zweiten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung ist.
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Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung 100 zum Bearbeiten eines Werkstücks 102 mit UV-Licht. Dabei definiert eine zu bearbeitende Fläche A des Werkstücks 102, zum Beispiel die Oberfläche des Werkstücks 102, eine X-Y-Ebene. Eine senkrecht auf der X-Y-Ebene stehende Achse wird als Z-Achse bezeichnet. Da 1 eine Seitenansicht auf die Vorrichtung 100 entlang der Y-Achse zeigt, sind in der 1 lediglich die X-Achse und die Z-Achse als Strich-Punkt-Linien gezeigt. Selbstverständlich sind andere Bezeichnungen der Achsen möglich. Wichtig ist, dass die Werkstückebene senkrecht zu der Achse ist, um die der auf die Werkstückebene einfallende Lichtstrahl räumlich abgelenkt wird.
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Das in der 1 gezeigte Werkstück 102 weist eine ebene Oberfläche A auf, die bearbeitet werden soll. Allerdings ist es auch möglich, dass die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks 102 gekrümmt ist. In diesem Fall kann die X-Y-Ebene als die Tangentialebene an dem Mittelpunkt des Werkstücks, insbesondere Mittelpunkt der zu bearbeitenden Fläche, definiert werden, wie in der 2 gezeigt ist.
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2 zeigt ein gekrümmtes Werkstück 102, bei der eine Tangentialebene an dem Mittelpunkt des Werkstücks 102 als X-Y-Ebene definiert wird. Wie die 1 zeigt die 2 eine Seitenansicht entlang der Y-Achse auf das Werkstück 102, wobei lediglich die X-Achse und die Z-Achse in der 2 als Strich-Punkt-Linien gezeigt sind.
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Je nach Werkstück 102 kann es auch vorteilhaft sein, das Werkstück 102 mit einer Halterung oder Halteeinheit (nicht gezeigt) zu halten, so dass sich seine Position nicht unabsichtlich verschieben kann. Dabei kann alternativ auch die Halteeinheit als Referenz für die X-Y-Ebene definiert werden. Dabei steht wiederrum die Z-Achse senkrecht auf der X-Y-Ebene.
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Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Lichtquelle 104, die UV-Licht in Form eines Lichtstrahls 106 emittiert. Das emittierte UV-Licht hat bevorzugt eine Wellenlänge zwischen 100 nm und 260 nm, wobei die Wahl der Wellenlänge des UV-Lichts abhängig von dem zu bearbeitenden Material ist. Unter einem Bearbeiten wird insbesondere ein Markieren, Schleifen, Schneiden und/oder Schmelzen des Werkstücks verstanden.
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Der aus der Lichtquelle 104 in Y-Richtung austretende Lichtstrahl 106 wird über einen Umlenkspiegel 110 auf eine Ablenkeinheit 108 eingestrahlt. Es wird darauf hingewiesen, dass dieser in der 1 gezeigte Umlenkspiegel 110 auch weggelassen werden kann, so dass der aus der Lichtquelle 104 emittierte Lichtstrahl beispielsweise direkt in die Ablenkeinheit 108 eintreten kann. Es können aber auch mehr als ein Umlenkspiegel 110 vorgesehen sein. Ob und wenn ja, wie viele Umlenkspiegel 110 zwischen der Lichtquelle 104 und der Ablenkeinheit 108 vorgesehen sind, kann unter anderem von dem zur Verfügung stehenden Platz für die Vorrichtung 100 abhängen.
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Die Ablenkeinheit 108 lenkt den aus der Lichtquelle 104 emittierten Lichtstrahl 106 auf die X-Y-Ebene. Dabei ist die Ablenkeinheit 108 dazu eingerichtet, den aus ihr austretenden Lichtstrahl 112 räumlich um die Z-Achse so abzulenken, dass der Lichtstrahl 112 die zu bearbeitende Fläche überstreicht. Dies ist in 1 mit Hilfe von gestrichelten Linien 112a, 112b gezeigt, die jeweils eine Ablenkung des Lichtstrahls 112 entlang der X-Achse zeigen. Bevorzugt ist die Ablenkeinheit 108 derart gewählt, dass ein Ablenkwinkel β von ± 15° möglich ist, ohne das die auf dem Werkstück 102 zur Verfügung stehende Lichtintensität unter einen Wert fällt, bei dem die Lichtintensität auf dem Werkstück 102 nicht mehr ausreichend ist, um das Werkstück 102 zu bearbeiten. Natürlich kann der Lichtstrahl 112 analog auch in Richtung der Y-Achse abgelenkt werden.
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Wie in der 1 gesehen werden kann, ist der in die Ablenkeinheit 108 einfallende Lichtstrahl parallel zu einer X-Z-Ebene gerichtet. Zusätzlich oder alternativ kann der Lichtstrahl auch parallel zu einer Y-Z-Ebene gerichtet sein. Dabei tritt der Lichtstrahl 106 leicht schief, d.h. unter einem Winkel von α zur Z-Achse in die Ablenkeinheit 108 ein, wobei α = 1° bis 20°, bevorzugt 5° bis 15°, ist.
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Durch den gewählten Eintritt des Lichtstrahls unter einem Winkel von α zur Z-Achse tritt der Lichtstrahl 106 in die Ablenkeinheit 108 nicht wie üblich gerade, sondern unter einem Winkel, d.h. schief, ein. Dabei ermöglicht der Eintrittswinkel, dass ein Verlust von Lichtintensität des austretenden Lichtstrahls 112 durch die Ablenkeinheit 108 besonders bei größeren Ablenkwinkeln reduziert werden kann und die bearbeitbare Fläche auf der X-Y-Ebene vergrößert wird. Dies liegt daran, dass durch den schiefen Eintritt in die Ablenkeinheit 108 ein Verlust von Lichtintensität des austretenden Lichtstrahls 112 besonders bei größeren Ablenkwinkeln reduziert wird.
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3 zeigt eine perspektivische, schematische Ansicht der Ablenkeinheit 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie bei der 1 definiert eine zu bearbeitende Fläche eines Werkstücks 102 eine X-Y-Ebene. Eine senkrecht auf der X-Y-Ebene stehende Achse wird wiederum als Z-Achse bezeichnet. 4 zeigt eine Seitenansicht der Ablenkeinheit 108 entlang der X-Achse, während 5 eine Seitenansicht der Ablenkeinheit 108 entlang der Y-Achse zeigt.
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Wie bei der 1 fällt der Lichtstrahl 106 in die in den 3, 4 und 5 gezeigte Ablenkeinheit 108 ein, wobei der Lichtstrahl 106 aus der UV-Lichtquelle 104 emittiert wird, die aber zur besseren Übersicht in den 3, 4 und 5 nicht gezeigt ist. Wie in der 1 ist auch in den 3, 4 und 5 der aus der Ablenkeinheit 108 austretende Lichtstrahl mit dem Bezugszeichen 112 bezeichnet.
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Die Ablenkeinheit 108 umfasst eine erste Spiegeleinheit 202 mit einem ersten Spiegel 206 und einem ersten Spiegelhalter 208 und eine zweite Spiegeleinheit 204 mit einem zweiten Spiegel 210 und einem zweiten Spiegelhalter 212. Dabei schwenken der erste und zweite Spiegelhalter 208 und 212 einen jeweiligen Spiegel 206, 210 um eine erste 218 bzw. zweite Drehachse 220. Durch die Verwendung von zwei schwenkbaren Spiegeleinheiten 202, 204 kann der Lichtstrahl durch die Ablenkeinheit 108 in zwei verschiedenen Richtungen abgelenkt werden, wodurch eine zweidimensionale Fläche auf dem Werkstück bearbeitet werden kann.
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Beispielsweise kann der erste Spiegelhalter 208 und/oder der zweite Spiegelhalter 210 zumindest einen Galvanometerantrieb, zumindest einen Motor und/oder zumindest einen Piezoantrieb umfassen. Alternativ kann der erste Spiegelhalter 208 und/oder der zweite Spiegelhalter 210 aus zumindest einen Galvanometerantrieb, zumindest einen Motor und/oder zumindest einen Piezoantrieb gebildet sein.
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Wie in den 3, 4 und 5 gesehen werden kann, sind die erste Drehachse 218 und die zweite Drehachse 220 orthogonal zueinander. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die beiden Achsen 218, 220 voneinander entkoppelt sind. Dies wird nachstehend genauer erklärt.
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Der erste Spiegel 206 weist eine erste Reflektionsoberfläche 214 und der zweite Spiegel 208 eine zweite Reflexionsoberfläche 216 (4) auf, die zum Reflektieren des Lichtstrahls eingerichtet sind und die eine erste und zweite Reflexionsebene bilden. Bevorzugt sind der erste und zweite Spiegel 206, 210 dielektrische Spiegel, die eine Mehrzahl von dielektrischen Schichten aufweisen, die auf den jeweiligen Reflektionsoberflächen 214, 216 angeordnet sind.
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Dabei sind die dielektrischen Schichten so gewählt, dass sie einen 0°-Spiegel ausbilden, der seine maximale Reflektivität bei einem Einfallswinkel von 0° zur Flächennormalen erreicht. 0°-Spiegel haben insbesondere den Vorteil, dass der Winkel, um den sie ohne Verlust in ihrer Reflektivität geschwenkt werden können, größer ist als bei Spiegeln, die ihre maximale Reflektivität bei einem Einfallswinkel von beispielweise 45° zur Flächennormalen erreichen. Dies gilt ganz besonders im Fall von UV-Licht, so dass durch die Verwendung von 0°-Spiegel ein deutlich größerer Verschwenkbereich erzielt wird.
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Da bei einem in einem Einfallswinkel von 0° zur Flächennormalen eines Spiegels 206, 210 einfallenden Lichtstrahl 106 dieser von dem Spiegel 206, 210 in sich selbst zurück reflektiert wird, ist es notwendig, wenn mehrere 0°-Spiegel hintereinander angeordnet werden sollen, dass der Einfallswinkel leicht von 0° abweicht, da sonst zumindest Teile des Lichtstrahls 106 durch die anderen Spiegel 210 geblockt werden. Daher wird der Lichtstrahl 106 derart in die Ablenkeinheit 108 geleitet, dass der Einfallswinkel α des Lichtstrahls 106 bezogen auf eine Flächennormale der ersten Reflexionsebene (Reflexionsoberfläche 214 des ersten Spiegels 206) zwischen 1° und 20°, bevorzugt 5° und 15° ist (siehe 3).
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Wie in den 3, 4 und 5 gesehen werden kann, sind der erste Spiegel 206 und der zweite Spiegel 210 derart zueinander angeordnet sind, dass ein Lichtstrahl 222, der von dem ersten Spiegel 206 reflektiert wird, mit einem ebenfalls kleinen Einfallswinkel auf den zweiten Spiegel 210 trifft. Vorzugsweise ist der Einfallswinkel auf den zweiten Spiegel 210 bezogen auf eine Flächennormale der zweiten Reflexionsebene (Reflexionsoberfläche 216 des zweiten Spiegels 210) zwischen 1° und 40°, bevorzugt 5° und 30°.
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Im Folgenden soll mit Bezug auf die 4 und 5 erklärt werden, wie eine Ablenkung des Lichtstrahls mit Hilfe der Ablenkeinheit 108 funktioniert.
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Um den von der Ablenkeinheit 108 ablenkbaren Lichtstrahl 106 auf dem Werkstück 102 entlang der X-Achse abzulenken, kann der Spiegelhalter 210 um seine Drehachse 218 geschwenkt werden, wodurch der Lichtstrahl 222 abhängig von der Stellung des ersten Spiegels 206 auf dem zweiten Spiegel 210 auftrifft. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, dass eine Ausdehnung des zweiten Spiegels 210 entlang der X-Richtung größer ist (siehe 5).
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Wenn der Lichtstrahl 106 auf den ersten Spiegel 206 fällt, reflektiert der erste Spiegel 206 den Lichtstrahl 222 auf den zweiten Spiegel 210, welcher dann den Lichtstrahl 112 weiter auf das Werkstück 102 reflektiert. Wird der erste Spiegel 206 geschwenkt, bewegt sich der Lichtstrahl 222 über den zweiten Spiegel 210. Dies resultiert schließlich in einer Bewegung des Lichtstrahls 112 auf dem Werkstück 102 in der X-Richtung. Analog bewirkt ein Schwenken des zweiten Spiegels 210 um seine Drehachse 220 eine Bewegung des Lichtstrahls 112 auf dem Werkstück 102 in einer Y-Richtung, so dass eine flächige Bearbeitung möglich ist.
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Die Verschwenkung der Spiegel 206, 210 kann elektronisch, beispielsweise mittels eines Galvanometerantriebs, eines Motors und/oder eines Piezoantriebs, erfolgen, so dass auch eine elektronische Ansteuerung vorgenommen werden kann. Durch die orthogonal Anordnung der Drehachsen 218, 220 zu einander ist die Ansteuerung besonders einfach, da die Achsen entkoppelt sind und deshalb ein Schwenken des ersten Spiegels 206 nur eine Bewegung des Lichtstrahls 112 auf dem Werkstück 102 in der entlang der X-Richtung verursacht und ein Schwenken des zweiten Spiegels 210 nur eine Bewegung des Lichtstrahls 112 auf dem Werkstück 102 entlang der Y-Richtung verursacht. Die Kombination aus beiden Verschwenkrichtungen ermöglicht dann die flächige Bearbeitung.
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Wie voranstehend bereits erläutert, haben die kleineren Einfallswinkel des Lichtstrahls bezogen auf die Flächennormalen der ersten und zweiten Reflexionsebenen (Reflexionsoberfläche 214 des ersten Spiegels 206, Reflexionsoberfläche 216 des zweiten Spiegels 210) des ersten Spiegels 206 bzw. zweiten Spiegels 210 den Vorteil, dass ein Verlust von Lichtintensität des austretenden Lichtstrahls 112 durch die Ablenkeinheit 108 besonders bei größeren Ablenkwinkeln β reduziert werden kann. Das heißt, dass auch bei größeren Ablenkwinkeln β noch eine ausreichende Lichtintensität zur Verfügung stehen kann, um eine Bearbeitung, wie beispielsweise ein Markieren, Schleifen, Schneiden oder Schmelzen, an dem Werkstück 102 vorzunehmen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste und zweite Spiegel so gewählt werden, dass bei einer Verschwenkung von β= ± 15°, bevorzugt um ± 10°, um ihre jeweilige Drehachse 218, 220 ein Intensitätsverlust des Lichtstrahls nach dem jeweiligen Spiegel 206, 210 höchstens 50%, bevorzugt höchstens 20%, ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 102
- Werkstück
- 104
- Lichtquelle
- 106
- Lichtstrahl
- 108
- Ablenkeinheit
- 110
- Umlenkspiegel
- 112, 112a, 112b
- Lichtstrahl
- 202
- erste Spiegeleinheit
- 204
- zweite Spiegeleinheit
- 206
- erster Spiegel
- 208
- erster Spiegelhalter
- 210
- zweiter Spiegel
- 212
- zweiter Spiegelhalter
- 214
- erste Reflexionsoberfläche
- 216
- zweite Reflexionsoberfläche
- 218
- erste Drehachse
- 220
- zweite Drehachse
- 222
- Lichtstrahl
- A
- Fläche
- X
- X-Achse
- Y
- Y-Achse
- Z
- Z-Achse
- α
- Einfallswinkel
- β
- Ablenkwinkel
