DE102020107760A1 - Laserbearbeitungsvorrichtung und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks - Google Patents

Laserbearbeitungsvorrichtung und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere zur Bearbeitung vorgegebener Bearbeitungsstellen (1) eines Werkstücks (2), umfassenda. eine Laserstrahlungsquelle (3), die dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (L) zu erzeugen und entlang eines optischen Pfades (4) in Richtung des Werkstücks (2) auszusenden;b. eine der Laserstrahlungsquelle (3) in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlteilungseinheit (5), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (L) in ein Bündel von Teilstrahlen (T) aufzuteilen;c. eine der Strahlteilungseinheit (5) in Strahlrichtung nachgeordnete optische Steuereinheit, umfassend eine aus einem Array (14) von reflektiven Mikroscannern (15) gebildete reflektive optische Funktionseinheit (8), wobei die optische Steuereinheit dazu eingerichtet ist,• aus dem Bündel von Teilstrahlen (T) eine beliebige Anzahl von Teilstrahlen in beliebiger räumlicher Kombination zu selektieren und auf das Werkstück (2) zu richten,• zumindest einen, vorzugsweise einen jeden, der auf das Werkstück (2) gerichteten Teilstrahlen (T) unter Einsatz dem jeweiligen Teilstrahl zugeordneten Mikroscanners (15) des Arrays (14) von Mikroscannern (15) innerhalb eines vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs (ST) des jeweiligen Teilstrahls (T) zu positionieren und/oder zu bewegen.Eine solche Laserbearbeitungsvorrichtung ermöglicht eine schnelle und parallele Bearbeitung mehrerer Bearbeitungsstellen eines Werkstücks auch bei einer nichtperiodischen oder teil-periodischen Verteilung von Bearbeitungsstellen auf dem Werkstück.Weiterhin wird mit der Erfindung Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks vorgesch lagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks an vorgegebenen Bearbeitungsstellen unter Einsatz der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung.
  • Bei den genannten Bearbeitungsstellen kann es sich beispielsweise um Fehlstellen eines Werkstücks handeln, die einer im Wege einer Laserbearbeitung ausgeführten Reparatur oder Korrektur unterzogen werden. In diesem Zusammenhang kann es sich bei den genannten Werkstücken beispielsweise um Displays bzw. Displayoberflächen handeln. Ferner kann die mit der Erfindung vorgeschlagene Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. das mit der Erfindung vorgeschlagene Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks im Wege eines „Laser Induced Forward Transfer“ (kurz: LIFT) Prozesses eingesetzt werden, also zur Bearbeitung vorgegebener Bearbeitungsstellen eines Werkstücks. Ein weiteres Einsatzgebiet der Erfindung ist das Laserbohren von Leiterplatten zur Herstellung von Durchkontaktierungen (Via-Bohrungen, Blind-VIA-holes oder Through-VIA-holes). Dabei wird das Werkstück an verschiedenen Stellen mit Bohrungen versehen.
  • Die mit dem Laserbohren im Vergleich zu anderen Bohrverfahren einhergehenden Vorteile liegen insbesondere darin, dass der Bohrvorgang berührungs- und verschleißfrei, mit hoher Präzision und in hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden kann. Des Weiteren sind selbst kleinste Durchmesser und hohe Aspektverhältnisse zugänglich. Beispielsweise können Bohrungsdurchmesser von bis zu 20 µm ausgebildet werden. Ferner weisen die im Wege des Laserbohrens ausgebildeten Bohrungen in der Regel scharfe Kanten sowie Materialfreiheit am Bohrlochein- bzw. austritt auf.
  • Beim Laserbohren kommt insbesondere das Perkussionsbohren und das Trepanieren zur Anwendung. In der genannten Reihenfolge nimmt die zur Ausbildung der Bohrung benötigte Anzahl an Laserpulsen zu. Beim Perkussionsbohren erfolgt die Ausbildung der Bohrung durch Applizieren einer Serie von aneinandergereihten Einzelpulsen auf die zu bearbeitende Stelle. Von Trepanieren spricht man, wenn der Laserstrahl entlang einer Kreiskontur über die Werkstückoberfläche geführt und das Loch durch den gepulsten Laserstrahl ausgeschnitten wird. Das Verfahren entspricht damit dem Perkussionsbohren mit nachfolgendem Kreisschneiden. Die vorliegende Erfindung kann sich auf sämtliche der vorangehend beschriebenen Varianten des Laserbohrens beziehen.
  • Wie schon erwähnt kann die vorliegende Erfindung insbesondere zur Ausbildung von Laserbohrungen in einem Werkstück eingesetzt werden. Das Verfahren des Laserbohrens eignet sich - wie ebenfalls schon erwähnt - insbesondere zur Ausbildung von Durchkontaktierungen (sog. VIA-Bohrungen) zwischen den Leiterbahnebenen einer Leiterplatte. Häufig sind Leiterplatten mehrschichtig aufgebaut und umfassen eine obere und untere elektrisch leitende Metallschicht, die eine elektrisch isolierende Zwischenschicht aus Kunststoff, Keramik oder einem Verbundwerkstoff (beispielsweise FR4, der ein Epoxidharz und Glasfasergewebe umfasst) einschließen. Durch den Einsatz von Laserstrahlung kann in einem vorgegebenen Bearbeitungsbereich der Leiterplatte eine Bohrung ausgebildet werden, sprich im Wege des Laserbohrens können sowohl die Metallschichten als auch die isolierende Zwischenschicht abgetragen werden. Die VIA-Bohrung kann vollständig durch das Werkstück hindurchragen (sogenannte Through VIA-holes), jedoch kann eine VIA-Bohrung auch dahingehend ausgebildet werden, dass lediglich eine der Metallschichten und die Zwischenschicht im Bereich der Bohrung abgetragen wird (sogenannte Blind VIA-holes). Ausdrücklich sei an dieser Stelle betont, dass die Erfindung zur Ausbildung sowohl von Through Via-holes als auch von Blind VIA-holes vorgesehen sein kann. Das Laserbohren eignet sich sowohl zur Bearbeitung von Leiterplatten mit einer Dicke von einem bis mehreren Millimetern, gleichsam können aber auch Laserbohrungen an dünnen Leiterplatten mit einer Dicke von wenigen Mikrometern, beispielsweise 50 - 60 µm, vorgenommen werden. Auch an flexiblen Folien können im Wege einer Laserbearbeitung Bohrungen ausgebildet werden. Dabei kann die Foliendicke von wenigen Mikrometern bis in den Millimeterbereich variieren, was jedoch eine Bearbeitung einer solchen Folie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht im Wege steht. Im Übrigen können Leiterplatten auch als Folien ausgebildet sein. Letztere lassen sich ebenfalls mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem Verfahren bearbeiten.
  • Nicht ausgeschlossen sind jedoch auch anderweitige Anwendungen, bei welcher die mit der Erfindung vorgeschlagene Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. das mit der Erfindung vorgeschlagene Verfahren zum Einsatz kommt.
  • Ein mögliches Einsatzfeld der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens betrifft die Fertigung von graphischen Anzeigen wie Displays, beispielhaft seien an dieser Stelle OLED (organic light emitting diode) Displays oder mini LED Displays genannt. Bei der Fertigung kann es zur fertigungsbedingten Ausbildung von Fehlstellen kommen. Derartige Fehlstellen sind im Rahmen der vorliegend verwendeten Terminologie als „Bearbeitungsstellen“ zu verstehen. Diese Fehlstellen können an bestimmten Pixeln des Displays, zum Beispiel in der elektrischen Kontaktierung, auftreten. In jenen Fehlstellenbereichen können ungewünschte Abweichungen hinsichtlich der Oberflächenstruktur (beispielsweise Homogenität, Schichtdicke, Planarität etc.) vorliegen.
  • Da solche Fehlstellen in der Regel nicht homogen auf der Displayoberfläche verteilt sind und häufig an einer Vielzahl von Display-Pixeln auftreten, ist es wünschenswert, die Fehlstellen einem Reparatur- oder Korrekturprozess zu unterziehen, der einerseits eine gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Fehlstellen ermöglicht, und andererseits flexibel auf eine auf einem bestimmten Display vorliegende Fehlstellenverteilung anpassbar ist. Für eine solche Fehlstellenkorrektur eignen sich insbesondere Laserbearbeitungstechniken, denn mit ebensolchen ist eine pixelweise, hochauflösende und gleichsam schnelle (abtragende) Bearbeitung gewährleistet. Derartige Fehlstellen mit einzelnen Laserstrahlen zu bearbeiten ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, jedoch mit Nachteilen bei der Verfahrensführung und Verfahrensdauer verbunden. Entsprechend sind Verfahren, die ein paralleles Bearbeiten gleich mehrerer Fehlstellen erlauben, von besonderem Interesse. Aus der US 9,592,570 B2 ist eine über eine Strahlselektion bereitgestellte Parallelbearbeitung zwar bekannt, dabei jedoch lediglich, dass einzelne Spot-Reihen oder Spalten selektiert werden können.
  • Ausdrücklich sei an dieser Stelle betont, dass sich die vorliegende Erfindung nicht nur zur Bearbeitung bzw. Reparatur von Fehlstellen eines Displays eignet, grundsätzlich können jegliche mit Fehlstellen behaftete Werkstücke bzw. Werkstoffe mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. mit dem zugehörigen Verfahren bearbeitet werden, die eine abtragende (ablatierende) Bearbeitung erlauben. Gleichsam ist die vorliegende Erfindung - wie eingangs erwähnt - zur Ausbildung von Laserbohrungen an vorgegebenen bzw. gewünschten Bearbeitungsstellen eines Werkstücks, z.B. einer Leiterplatte, geeignet. Das bearbeitete Material muss also durch Laserstrahlung ablatierbar sein. Ferner eignet sich die vorliegende Erfindung zum Einsatz in dem bereits vorangehend erwähnten LIFT Verfahren. Dabei werden gepulste Laserstrahlen (z.B. im Point-and-Shoot Modus) auf ein beschichtetes Substrat gerichtet, um Material in Richtung der Laserstrahlung auf ein zweites Substrat zu übertragen. LIFT Verfahren können eingesetzt werden zur Herstellung von thermoelektrischen Transfermaterialien, Polymeren und zum Bedrucken von Substraten. Entsprechend können im Rahmen der Erfindung unter den „Bearbeitungsstellen“ auch solche Stellen eines ersten Substrats (eines Werkstück im Sinne der Erfindung) zu verstehen sein, an welchen eine Materialübertragung im Wege des LIFT Verfahrens auf ein zweites (beispielsweise coplanar zu dem ersten Substrat) angeordnetes Substrat erfolgen soll, insbesondere also um jene Stellen eines ersten Substrats (Werkstücks) die mit Laserstrahlen bestrahlt werden sollen. Je nach Anforderung an das zu bearbeitende Werkstück kann im Wege des LIFT Verfahrens an definierten Bearbeitungsstellen oder Pixeln eines Werkstücks ein vorgegebenes Bearbeitungsmuster (Übertragungsmuster) ausgebildet werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können Teilstrahlen eines geteilten Laserstahls im Point-and-Shoot Modus auf vorgegebene Bearbeitungsstellen eines Werkstücks gerichtet werden.
  • Im Wege der kontinuierlich fortschreitenden Entwicklung der Lasertechnologie ist es seit vielen Jahren bekannt, Laser zur Bearbeitung verschiedenster Materialien einzusetzen, beispielsweise im Bereich der Fertigung elektronischer Bauelemente, Leiterplatten oder von Displayelementen.
  • Bei der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung (beispielsweise der Laser-Ablation, dem Laser-Schweißen, dem Laser-Löten, Laser-Reinigen, Laser-Bohren, Laser-Sintern oder dem Laser-Schmelzen) wird aktuell meist Laserstrahlung mit einer gaußförmigen Intensitätsverteilung eingesetzt. Für viele dieser Prozesse ist es aber von Vorteil, die Intensitätsverteilung im Bearbeitungsbereich des Werkstücks an den konkret vorliegenden Bearbeitungsprozess bzw. das zu bearbeitende Material anzupassen. Daher werden zunehmend Optimierungen der Laserverfahren durch Änderung der Intensitätsverteilung in der Bearbeitungsebene untersucht. Zur Anpassung der Intensitätsverteilung ist es dabei bekannt, die von einer Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung einer Strahlformung zu unterziehen, was ein erhebliches Optimierungspotenzial für die Laserprozessentwicklung bietet.
  • Wie bereits erwähnt, weist die von einer Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung in Bezug auf ihren Strahlenquerschnitt typischerweise eine gaußförmige Intensitätsverteilung bzw. ein gaußförmiges Strahlprofil auf. Über geeignete Strahlformungstechniken können Laserstrahlen jedoch unter Abänderung der Intensitätsverteilung geformt werden. Zur Formung einer Intensitätsverteilung eines Laserstrahls können entweder seine Phase, seine Amplitude oder beide Größen zusammen moduliert werden. Entsprechend kommen Phasenmodulatoren, Amplitudenmodulatoren oder Phasen- und Amplitudenmodulatoren zum Einsatz, beispielsweise in Form von diffraktiven Strahlformern. Diffraktive Strahlformer (Diffractive Optical Elements, kurz DOE) zur Einstellung von Fernfeldintensitäten können als Phasenelemente in Glas oder anderen transparenten Materialien hergestellt werden.
  • Weiterhin kann die Form einer Intensitätsverteilung durch Brechung und Reflektion an optischen Elementen erfolgen. Entsprechend kommen geformte refraktive oder reflektive Elemente wie beispielsweise deformierte oder deformierbare Spiegel oder transmissive Elemente mit einer geometrischen Verformung der Oberfläche oder Form zum Einsatz. Die einzelnen Teilstrahlen eines auf das refraktive oder reflektive optische Element einfallenden Laserstrahls, fallen dabei auf jeweils unterschiedlich gewölbte Oberflächen und werden an diesen reflektiert oder gebrochen. Die Gesamtheit der Teilstrahlen bildet nach der Formung durch das Element eine neue Intensitätsverteilung. Ein Beispiel für ein solche Strahlformung ist die Umformung eines gaußförmigen Laserstrahls in einen Top-Hat förmigen Laserstrahl, auch Gauß-zu-Top-Hat Strahlformer genannt. Ein solcher Strahlformer kann auch bei der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung zum Einsatz kommen. Die für die Strahlformung notwendige geometrische Verformung der Oberfläche kann mit analytischen, numerischen oder iterativen Verfahren (z.B. Überlagerung von Zernikepolynomen) berechnet werden.
  • Diffraktive strahlformende Elemente können jedoch auch als Strahlteiler ausgebildet sein (im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die Funktion der DOE als Strahlteiler maßgebend). Beispielhaft seien in diesem Zusammenhang binäre Gitter oder Blazed Gratings genannt. Aufgrund der Geometrie der diffraktiven Struktur kommt es auf einem rechteckigen Gitter im Ortsfrequenzraum (k-Raum) zu konstruktiver Interferenz. Durch numerische Algorithmen können unterschiedlichste Anordnungen von aktiven Beugungsordnungen (konstruktive Interferenz) verwirklicht werden. Hierbei muss die Winkeltrennung der Beugungsordnungen groß genug gegenüber der Fernfelddivergenz der einfallenden Laserstrahlung sein, da andernfalls Interferenz die Anordnung der aktiven Beugungsordnungen stört.
  • Solche unveränderbaren DOEs werden jedoch zunehmend durch programmierbare Modulationseinheiten zur dynamischen Formung der Laserstrahlung ersetzt. Mit programmierbaren Modulationseinheiten kann die örtliche und zeitliche Intensitätsverteilung von seitens einer Laserstrahlungsquelle ausgesendeten Laserstrahlung eingestellt werden. Derart programmierbare Modulationseinheiten werden auch als „Spatial Light Modulator (SLM)“ bezeichnet. Auch Spatial Light Modulatoren können grundsätzlich zur Strahlteilung eingesetzt werden.
  • Bei der Laserbearbeitung können verschiedenste Laserstrahlungsquellen zum Einsatz kommen. Für einen präzisen Materialabtrag sollte eine möglichst kleine Fokussierung mit einem möglichst kurzwelligen Laser angestrebt werden. Standardmäßig werden heute Nanosekundenlaser im IR, VIS oder UV-Bereich eingesetzt. Für eine effiziente Materialbearbeitung muss Laserstrahlung mit einer Wellenlänge verwendet werden, die von dem abzutragenden Material des zu bearbeitenden Werkstücks absorbiert wird. Laserstrahlung mit Wellenlängen im Nahinfrarot und VIS Bereich sind dazu für einige Materialien weniger geeignet, es sei denn man verwendet kurze Pulsdauern im piko- und femtosekunden-Bereich.
  • Häufig werden beispielsweise zur Laserbearbeitung die sogenannten Festkörperlaser eingesetzt, insbesondere Nd:YAG-Laser. Diese Laser können in Bezug auf die erzielbare Pulsdauer, Pulsenergie und Wellenlänge passgenau auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sein.
  • Eine wesentliche Herausforderung bei der Laserbearbeitung von Werkstücken liegt darin, Laserstrahlung mit höheren mittleren Leistungen einzusetzen und in Form von Laserspots auf dem Werkstück zu applizieren. Dem stehen Wärmeeffekte, z.B. eine Wärmeakkumulation im Werkstück entgegen. Um dies zu vermeiden, kann entweder die erzeugte Laserleistung großflächig und schnell (z.B. durch schnelles Scannen) auf dem Werkstück verteilt werden, oder die Leistung wird - z.B. in Form einer Strahlteilung - auf mehrere Bearbeitungsstellen des Werkstücks gelenkt. Die vorliegende Erfindung macht sich beide Möglichkeiten zu Nutze. Dazu ist es bekannt, Laserstrahlung an Spiegeln zu reflektieren und auf bestimmte Stellen einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche auszulenken. Eine Anordnung mehrerer derartiger Spiegel können in einer Baueinheit zusammengefasst sein und einen Spiegelscanner ausbilden. Bekannt sind beispielsweise galvanometrisch angetriebene Spiegelscanner (Galvanometerscanner), deren zugehörige Spiegel über einen Drehantrieb um einen definierten Winkel verdreht werden können. Auf diese Weise kann ein auf einen solchen Spiegel einfallender Laserstrahl auf unterschiedliche Stellen des Werkstücks gerichtet werden.
  • Wie erwähnt sind Laserbearbeitungstechniken, die eine Parallelbearbeitung von Werkstücken ermöglichen, allgemein bekannt. Die dazu verwendeten Laserbearbeitungsvorrichtungen können aus als Multistrahlsysteme bezeichnet werden, insbesondere deshalb, weil sie auf der Teilung eines von einer Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen basieren. Das Werkstück wird also nicht mit dem von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Ausgangstrahl, sondern mit den Teilstrahlen bearbeitet. Die auf das Werkstück projizierten Teilstrahlen sind dabei in einem definierten Spotmuster auf dem Werkstück abgebildet. Bei den bekannten Bearbeitungsmethoden werden die Teilstrahlen, und damit das Spotmuster, simultan und synchron über das zu bearbeitende Werkstück bewegt. Dabei ist es zwar bekannt an verschiedenen Stellen des Werkstücks einzelne Teilstrahlen auszukoppeln und das Spotmuster den vorliegenden Bearbeitungsstellen anzupassen, grundsätzlich lassen sich mit einem solchen Vorgehen jedoch lediglich periodische Strukturen bearbeiten bzw. periodische Bearbeitungsmuster verwirklichen.
  • Nebst der Bearbeitung von periodischen Strukturen bzw. Bearbeitungsmustern, findet man vor allem in Bereichen der Elektronik häufig nicht-periodische oder teil-periodische Strukturen (d.h. es liegen nicht-periodische oder teil-periodische Bearbeitungsstellen vor) die mit den bekannten Laserbearbeitungstechniken der Multistrahlbearbeitung nicht oder nur unzureichend bearbeitet werden können. Der Vorteil einer solchen Multistrahlbearbeitung liegt in der Vervielfachung der Bearbeitungsgeschwindigkeit durch eine ermöglichte Parallelbearbeitung. Entsprechend besteht ein großer Bedarf diesen Vorteil auch auf die Multistrahl-Laserbearbeitung nichtperiodischer Strukturen zu erweitern.
  • Basierend auf den vorangehenden Ausführungen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bereitzustellen, womit eine schnelle und parallele Bearbeitung mehrerer Bearbeitungsstellen des Werkstücks auch bei einer nicht-periodischen oder teil-periodischen Verteilung von Bearbeitungsstellen auf dem Werkstück ermöglicht ist.
  • Gelöst wird die genannte Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eines mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahrens.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Laserbearbeitungsvorrichtung ist zur Bearbeitung vorgegebener Bearbeitungsstellen eines Werkstücks vorgesehen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst
    1. a. eine Laserstrahlungsquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl zu erzeugen und entlang eines optischen Pfades in Richtung des Werkstücks auszusenden;
    2. b. eine der Laserstrahlungsquelle in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlteilungseinheit, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in ein Bündel von Teilstrahlen aufzuteilen;
    3. c. eine der Strahlteilungseinheit in Strahlrichtung nachgeordnete optische Steuereinheit, umfassend eine aus einem Array von reflektiven Mikroscannern gebildete reflektive optische Funktionseinheit, wobei die optische Steuereinheit dazu eingerichtet ist,
      • • aus dem Bündel von Teilstrahlen eine beliebige Anzahl von Teilstrahlen in beliebiger räumlicher Kombination zu selektieren und auf das Werkstück zu richten,
      • • zumindest einen, vorzugsweise einen jeden, der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen unter Einsatz eines dem jeweiligen Teilstrahl zugeordneten Mikroscanners des Arrays von Mikroscannern innerhalb eines vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs des jeweiligen Teilstrahls zu positionieren und/oder zu bewegen.
  • Die Mikroscanner sind vorzugsweise jeweils dazu eingerichtet, einen Strahlverlauf von einem auf einen jeweiligen Mikroscanner auftreffenden und dort reflektierten Teilstrahl in zwei unabhängigen Koordinatenrichtungen zu verändern bzw. zu manipulieren. Mit einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung können komplexe Faltungen der Teilstrahlen im Strahlengang vermieden werden. Ferner ermöglicht die Array-Anordnung der Mikroscanner eine dichte Packung, wodurch der Aufbau der Laserbearbeitungsvorrichtung insgesamt kompakter ausgeführt werden kann, da die Strahlwege bei kleiner Bündeldivergenz sonst sehr lang würden. Im Vergleich zu ähnlichen aus dem Stand der Technik bekannten Systemen ist der vorliegende Aufbau der Laserbearbeitungsvorrichtung also deutlich kompakter. Ferner lassen sich einzelne Bauelemente einfacher justieren. Vor allem ist es in besonders einfacher Weise möglich, 2D-Verteilungen von Laserspots in Kombination mit einer individuellen Scanfunktion für jeden Teilstrahl zu realisieren. Weiterhin sind die optischen Baugruppen klar gruppiert und nicht willkürlich über den Aufbau verteilt, was die Laserbearbeitungsvorrichtung deutlich robuster und damit prozessstabiler macht.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einem „Array“ von Mikroscannern nicht zwingend eine Anordnung von Mikroscannern innerhalb einer gemeinsamen Mikroscanner-Ebene zu verstehen, auch anderweitige „Anordnungen“ der Mikroscanner im dreidimensionalen Raum oder innerhalb einer oder mehrerer Ebenen können als „Array“ verstanden werden.
  • Zunächst ist festzuhalten, dass die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung aufgrund des (zumindest teilweise) reflektiven Aufbaus einen geringeren Bauraum in Anspruch nimmt als vergleichbare rein transmissiv ausgestaltete Laserbearbeitungsvorrichtungen.
  • Optional kann die Laserbearbeitungsvorrichtung des Weiteren eine Strahlpositionierungseinheit umfassen, insbesondere in Form eines Galvanometerscanners, eines Pivot-Scanners oder eines zwei-achsigen Einspiegelscanners, die dazu eingerichtet ist, eine Grobpositionierung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen relativ zu dem Werkstück auszuführen, nämlich durch Positionieren eines die Teilstrahl-Scanbereiche einschließenden Master-Scanbereichs relativ zu dem Werkstück und/oder dazu eingerichtet ist, die auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen über das Werkstück zu bewegen, vorzugsweise synchron und simultan, nämlich durch Bewegen des die Teilstrahl-Scanbereiche einschließenden Master-Scanbereichs relativ zu dem Werkstück.
  • Unter dem Master-Scanbereich ist ein auf dem Werkstück räumlich aufgespannter Bereich zu verstehen, welcher die maximale Anzahl von durch die Strahlteilungseinheit erzeugbaren Teilstrahlen auf dem Werkstück einschließt, die Größe des Master-Scanbereichs ist dabei im Wesentlichen durch die Teilung des Laserstrahls in Teilstrahlen durch die Strahlteilungseinheit vorbestimmt. Weiterhin schließt der Master-Scanbereich sämtliche Teilstrahl-Scanbereiche der maximalen Anzahl von auf das Werkstück abgebildeten Teilstrahlen ein. Je nach Anwendung kann jedoch vorgesehen sein, dass nur eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen auch tatsächlich auf das Werkstück gelenkt werden. Unter einem Teilstrahl-Scanbereich ist ein jener Bereich zu verstehen, in welchem ein jeweiliger Teilstrahl auf dem Werkstück individuell positioniert und/oder bewegt werden kann, beispielsweise unter Einsatz der optischen Steuereinheit, insbesondere der reflektiven optischen Funktionseinheit. Die Teilstrahl-Scanbereiche weisen dabei eine geringere Größe als der Master-Scanbereich auf. Die innerhalb des Master-Scanbereichs liegenden Teilstrahl-Scanbereiche können beabstandet zueinander angeordnet sein, aneinander angrenzen oder überlappen. Die innerhalb des Master-Scanbereichs liegenden und auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen können gemeinsam (vorzugsweise simultan und synchron) über das Werkstück verschoben werden, der Master-Scanbereich kann also auf unterschiedliche Stellen des Werkstücks gerichtet (gescannt) werden. Ein jeweiliger Teilstrahl kann also beispielsweise zwei Scan- oder Positionierbewegungen erfahren, nämlich bei der Ausrichtung des Master-Scanbereichs auf dem Werkstück sowie bei der Positionierung oder Bewegung innerhalb des jeweiligen Teilstrahl-Scanbereichs.
  • Wie vorstehend erläutert, kann die Strahlpositionierungseinheit ein „optionaler“ Bestandteil der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung sein. Auch ohne eine Strahlpositionierungseinheit können unterschiedliche Stellen eines Werkstücks mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung bearbeitet werden, beispielsweise indem ein zu bearbeitendes Werkstück in einer Werkstückaufnahme (z.B. auf einem xy-Tisch) angeordnet wird und entsprechend der zu bearbeitenden Stelle relativ zu der Laserbearbeitungsvorrichtung positioniert wird. Auch kann die Laserbearbeitungsvorrichtung relativ zu einem positionsfest angeordneten Werkstück positioniert und/oder bewegt werden, beispielsweise durch eine entsprechende Achsanordnung. Sodann kann an den entsprechenden Stellen gleichwohl eine Positionierung oder Bewegung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen innerhalb der jeweiligen Teilstrahl-Scanbereiche erfolgen. Weiterhin ist es möglich, die zu bearbeitenden Stellen des Werkstücks aus einer kombinierten Zustellung des Werkstücks relativ zur Laserbearbeitungsvorrichtung einerseits und einer Positionierung der innerhalb des Master-Scanbereichs liegenden Teilstrahlen relativ zum Werkstück andererseits anzufahren.
  • Mit einer eine Strahlpositionierungseinheit umfassenden Laserbearbeitungsvorrichtung wird ermöglicht, die auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen bzw. zugehörige Laserspots zur Positionierung und zur Bearbeitung simultan und synchron über das Werkstück zu bewegen. Einerseits können damit die innerhalb des Master-Scanbereichs liegenden Teilstrahlen bzw. zugehörige Laserspots relativ zum Werkstück verschoben und positioniert werden. Jedoch ist auch eine simultane und synchrone (scannende) Bearbeitung unterschiedlicher Stellen des Werkstücks damit ermöglicht. Alternativ können einzelne Teilstrahlen aber auch eine - unabhängig von der Strahlpositionierungseinheit ausgeführten Scanbewegung - Scanbewegung innerhalb der jeweiligen Teilstrahl-Scanbereiche erfahren. Jedoch ist die Laserbearbeitungsvorrichtung ohne Weiteres auch zur parallelen Point-and-Shoot Bearbeitung mehrerer Bearbeitungsstellen einsetzbar. Bei einer Point-and-Shoot Bearbeitung wird - wie der Begriff als solcher bereits zum Ausdruck bringt, ein Laserstrahl (hier eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen) auf unterschiedliche Bearbeitungsstellen des Werkstücks gerichtet („point“). Durch Applizieren („shoot“) von Laserpulsen erfolgt an diesen Stellen eine Bearbeitung. Eine Positionierungs- oder Bearbeitungsbewegung der Laserspots während der Laserbearbeitung (Applizieren von Laserpulsen) auf dem Werkstück ist also nicht zwingend erforderlich, auch eine einmalige Ausrichtung kann (je nach Bearbeitungsaufgabe) ausreichen. Gleichsam können auch im Wege einer Point-and-Shoot Bearbeitung unterschiedliche Stellen des Werkstücks bearbeitet werden. Denn zwischen den Point-and-Shoot Schritten kann dabei das Werkstück relativ zur Laserbearbeitungsvorrichtung oder umgekehrt positioniert werden, um die Laserspots auf unterschiedliche zu bearbeitende Stellen zu richten. Gleiches kann auch mit einer Strahlpositionierungseinheit erfolgen, mit welcher eine Neuausrichtung des innerhalb des Master-Scanbereichs liegenden Spotmusters auf dem Werkstück nach erfolgter Bearbeitung an einer Stelle des Werkstücks ausgeführt werden kann.
  • Ein entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass auch nicht-periodisch oder teil-periodische Bearbeitungsmuster (also nicht-periodisch oder teil-periodisch auf einem Werkstück verteilte Bearbeitungsstellen) mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung bearbeitet werden können, dabei entweder im Wege einer simultan und synchron über das Werkstück ausgeführten Bewegung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen bzw. zugehöriger Laserspots oder im Wege der vorangehend erwähnten Point-and-Shoot Bearbeitung. Mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung können die einzelnen auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen eines Multistrahlsystems in einem Teilstrahl-Scanbereich einerseits individuell auf dem Werkstück positioniert werden, andererseits kann die Anzahl und die räumliche Verteilung der Teilstrahlen in einem Master-Scanbereich (dieser ist durch die laterale Ausdehnung eines die auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen einschließenden Bereichs festgelegt) gezielt eingestellt werden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung können Werkstücke mit einem definierten bzw. vorgegebenen Muster von Fehlstellen, Laserbohrungen oder von anderweitig zu bearbeitenden Stellen (die Fehlstellen, Laserbohrungen oder anderweitig zu bearbeitenden Stellen können dabei periodisch, nicht-periodisch oder teil-periodisch angeordnet sein) mit größerer Flexibilität bearbeitet werden. Entsprechend sei nachfolgend allgemein von „Bearbeitungsstellen“ die Rede, wobei mit „Bearbeitungsstellen“ sowohl Fehlstellen, Laserbohrungen als auch anderweitige Bearbeitungsstellen (z.B. der im LIFT Verfahren zu bearbeitenden Stellen, oder der beim Laserbohren zu bearbeitenden Stellen) gemeint sein können. In beiden Fällen kann das zu bearbeitende Werkstück bezogen auf die Bearbeitungsstellen auf der Werkstückoberfläche periodisch, nicht-periodisch oder teil-periodisch aufgebaut sein, d.h. die Bearbeitungsstellen auf der Oberfläche sind bezogen auf eine zweidimensionale Aufsicht in einem flächenartigen periodischen, nicht-periodischen oder teil-periodischen Muster angeordnet. Gleichsam wird mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung eine scannende Bearbeitung eines Werkstücks ermöglicht, d.h. die Teilstrahlen werden über eine Strahlpositionierungseinheit oder unter Einsatz der optischen Steuereinheit über das Werkstück bewegt, während Laserpulse auf dem Werkstück appliziert werden
  • Das von der Strahlteilungseinheit der Laserbearbeitungsvorrichtung bereitgestellten Bündel von Teilstrahlen stellt zunächst ebenfalls bevorzugt eine periodische Anordnung von Teilstrahlen bereit. Anstelle von periodisch angeordneten Verteilungen der Teilstrahlen kann das Bündel von Teilstrahlen auch eine beliebige räumliche Kombination von Teilstrahlen umfassen bzw. eine derartige freie räumliche Anordnung kann mit der Strahlteilungseinheit eingestellt werden. Erst mit der optischen Steuereinheit können verschiedenste Teilstrahlen aus dem optischen Pfad abgelenkt werden, sodass die Teilstrahlen dahingehend selektiert werden können, dass auf dem Werkstück eine gewünschte Anzahl von Teilstrahlen (bzw. zugehöriger Laserspots) in beliebiger räumlicher Anordnung bezogen auf ein auf dem Werkstück abgebildetes Spotmuster abgebildet wird. Kann durch die Strahlteilungseinheit aus dem Laserstrahl ein Bündel von Teilstrahlen erzeugt werden, welches grundsätzlich eine Abbildung von in einer Spotmatrix angeordneten Laserspots, beispielsweise einer 4 mal 4 Spotmatrix von Laserspots, auf dem Werkstück ermöglicht, so kann mit der optischen Steuereinheit eingestellt werden, ob ein bestimmter Teilstrahl bzw. Laserspot der 4 mal 4 Spotmatrix auch tatsächlich in Richtung des Werkstücks weitergeleitet und auf dem Werkstück abgebildet wird. Entsprechend kann frei eingestellt werden, welche der die Spotmatrix aus 4 mal 4 Laserspots bereitstellenden Teilstrahlen tatsächlich auf dem Werkstück in Form eines Laserspots abgebildet wird, die räumliche Anordnung bzw. ein Muster der Laserspots ist also unter Berücksichtigung der durch die Strahlteilungseinheit vordefinierten Grundmatrix in beliebiger Permutation frei einstellbar. Im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen Stand der Technik können mit der vorliegenden Erfindung nicht nur einzelne Reihen oder Spalten einer auf dem Werkstück abgebildeten Spot-Matrix ausgewählt werden (bzw. die dazu korrespondierenden Teilstrahlen), sondern beliebige Permutationen einer m x n Matrix von Laserspots (bzw. zugehöriger Teilstrahlen). Eine Festlegung auf ein bestimmtes räumliches Pattern oder eine Anzahl der Teilstrahlen ist nicht notwendig, vielmehr können über die optische Steuereinheit beliebige Teilstrahlen des Bündels von Teilstrahlen selektiert und in Richtung des Werkstücks weitergeleitet werden. Mit der vorliegend vorgeschlagenen Laserbearbeitungsvorrichtung wird einerseits eine Parallelbearbeitung verschiedener Bearbeitungsstellen innerhalb eines Master-Scanbereichs ermöglicht, andererseits auch eine individuelle Positionierbarkeit jedes Teilstrahls in einem Teilstrahl-Scanbereich ermöglicht, wobei der Teilstrahl-Scanbereich eine geringere laterale Ausdehnung umfasst als der vorgenannte Master-Scanbereich. Der Master-Scanbereich schließt also eine der Anzahl der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen entsprechende Anzahl an Teilstrahl-Scanbereichen ein.
  • Je nach Größe des zu bearbeitenden Bereichs kann eine einmalige Positionierung des Werkstücks relativ zu der Laserbearbeitungsvorrichtung ausreichen, beispielsweise in jenem Fall, bei dem der die Bearbeitungsstellen umfassende Bereich kleiner als das mit der Laserbearbeitungsvorrichtung zugängliche Master-Scanbereich ist, also jener Bereich, den die Laserspots über eine Positionierung mittels der Strahlpositionierungseinheit erreichen können (ohne Relativverschiebung zwischen Werkstück und Laserbearbeitungsvorrichtung). Für eine solche bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung (also die Möglichkeit den Master-Scanbereich möglichst groß zu wählen, muss das System aber in der Lage sein die durch die Verzeichnung eines der Laserbearbeitungsvorrichtung ebenfalls zugehörigen Objektivs (z.B. eines F-theta Objektivs) zu kompensieren, was vorliegend mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. dem hier zugrunde gelegten Verfahren ermöglicht wird. Dies sei an späterer Stelle noch genauer erläutert.
  • Ist der zu bearbeitende Bereich des Werkstücks hingegen größer als der Master-Scanbereich, so ist erforderlich, einen auf eine Relativverschiebung zwischen Werkstück und Laserbearbeitungsvorrichtung bezogenen Bearbeitungsweg bzw. Verschiebeweg zu berechnen. Der Verschiebeweg kann eine Mehrzahl verschiedener Bearbeitungspositionen (also Relativpositionen zwischen Werkstück und Laserbearbeitungsvorrichtung) beinhalten. Die erforderliche Anzahl von Bearbeitungspositionen entspricht der Anzahl der benötigten Bearbeitungsschritte. Nach dem Positionieren des Werkstücks relativ zur Laserbearbeitungsvorrichtung (gemäß einer der Bearbeitungspositionen) wird die Anzahl und räumliche Lage der auf das Werkstück abgebildeten Laserspots bzw. Teilstrahlen anhand der Anzahl und Anordnung (also dem Muster) der in diesem Bearbeitungsbereich vorliegenden Bearbeitungsstellen ermittelt. Bei nicht-periodischen oder teilperiodischen Mustern von Bearbeitungsstellen kann zusätzlich eine individuelle Positionierung einzelner oder mehrerer Teilstrahlen durchgeführt werden. Die optische Steuereinheit ermöglicht dabei sämtliche der Teilstrahlen innerhalb eines vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs individuell und autark zu positionieren. Damit können die Teilstrahlen auch bei nicht-periodischen oder teilperiodischen Bearbeitungsmustern exakt auf die Bearbeitungsstellen des Werkstücks gerichtet werden. Weiterhin ermöglicht die optische Steuereinheit die Einstellung einer individuellen Bewegung (also ein Scannen) der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen in dem Teilstrahl-Scanbereich. Über die Strahlpositionierungseinheit kann also zunächst eine Grobpositionierung bzw. ein Grobscan der innerhalb des Master-Scanbereichs liegenden Teilstrahlen relativ zum Werkstück erfolgen, weiterhin kann unter Einsatz der optischen Steuereinheit eine individuelle Positionierung (Feinpositionierung) oder eine Bewegung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen innerhalb eines Teilstrahl-Scanbereichs erfolgen. Betont sei an dieser Stelle, dass eine Grobpositionierung keineswegs meint, dass die Auflösung bei der Positionierung gering ist. Vielmehr kann bereits bei der Grobpositionierung (z.B. unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit) eine sehr genaue Positionierung erfolgen. Beispielsweise kann die Grobpositionierung auch im Sinne einer „Erstpositionierung“ der auf das Werkstück abgebildeten Teilstrahlen bzw. zugehörigen Laserspots verstanden werden, auf welche im Anschluss eine Feinpositionierung (dies kann als weitere Positionierung, individuelle Positionierung oder Zweitpositionierung) der Teilstrahlen bzw. zugehörigen Laserspots erfolgen kann. Mit einer „Feinpositionierung“ ist jedoch nicht zwingend gemeint, dass die Positionierung genauer ist bzw. in höherer räumlicher Auflösung erfolgt.
  • Auf Basis eines Input-Datensatzes, der die auf dem Werkstück vorliegenden oder vorgegebenen Bearbeitungsstellen bzw. deren räumliche Verteilung wiedergibt, kann der notwendige Bearbeitungsweg, die Anzahl der Bearbeitungsschritte, sowie die zu den einzelnen Bearbeitungsschritten zur Bearbeitung der dort vorliegenden Bearbeitungsstellen benötigte Anzahl und Position von auf dem Werkstück abgebildeten Laserspots bzw. Teilstrahlen ermittelt werden. Die vorgenannte Ermittlung kann beispielsweise unter der Prämisse einer möglichst schnellen oder effizienten Verfahrensführung bzw. Bearbeitung erfolgen.
  • Wie bereits erwähnt, umfasst die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung eine Laserstrahlungsquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl zu erzeugen und entlang eines optischen Pfades in Richtung des Werkstücks auszusenden. Zwischen der Laserstrahlungsquelle und dem Werkstück kann der ausgesendete Laserstrahl optische Bauelemente durchlaufen, an diesen reflektiert, gebrochen, geteilt der abgelenkt werden. Unter dem erzeugten und ausgesendeten Laserstrahl kann vorliegend ein kontinuierlicher Laserstrahl, insbesondere aber ein Laserpuls zu verstehen sein. Bevorzugt können bei der mit der Erfindung vorgeschlagenen Laserbearbeitungsvorrichtung Kurzpuls- oder Ultrakurzpulslaser als Laserstrahlungsquellen eingesetzt werden. Auch ein Einsatz von continuous-wave (cw) Lasern als Laserstrahlungsquelle kommt grundsätzlich in Betracht.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ferner eine der Laserstrahlungsquelle in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlteilungseinheit. Diese ist dazu eingerichtet, den Laserstrahl in ein Bündel von Teilstrahlen aufzuteilen. Die Teilstrahlen sind dabei in einem vorgegebenen räumlichen Pattern verteilt. Ausgehend von der Laserstrahlungsquelle trifft also ein kollimierter Laserstrahl auf die Strahlteilungseinheit auf. Die Strahlteilungseinheit teilt den Laserstrahl in ein Bündel gleicher Teilstrahlen auf, die jeweils einen definierten Winkel zueinander aufweisen. Zudem kann zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Strahlteilungseinheit ein Strahlformungselement vorgesehen sein, mit welchem aus einem Laserstrahl mit gaußförmiger Intensitätsverteilung, in Kombination mit der Strahlteilungseinheit, auf dem Werkstück eine Vielzahl von Teilstrahlen mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung erzeugt werden kann, beispielsweise einer Top-Hat Intensitätsverteilung oder einer ringförmigen Intensitätsverteilung. Somit kann ein Multi-Tophat Pattern von Laserspots auf dem Werkstück erzeugt werden.
  • Der Begriff der „Strahlrichtung“ nimmt in diesem Zusammenhang auf den Verlauf des Laserstrahls Bezug. Die Angabe der in Strahlrichtung in Bezug zur Laserstrahlungsquelle „nachgeordneten“ Strahlteilungseinheit meint, dass die Strahlteilungseinheit entlang des optischen Pfades hinter der Laserstrahlungsquelle angeordnet ist. Der Laserstrahl wird also zunächst erzeugt und tritt erst dann in die Strahlteilungseinheit ein bzw. trifft auf diese auf. Die hiesige Verwendung des Begriffs der „Strahlrichtung“ schließt jedoch nicht aus, dass einzelne optische Bauelemente der Laserbearbeitungsvorrichtung von den Teilstrahlen mehrfach durchtreten werden.
  • Bei der Strahlteilungseinheit kann es sich beispielsweise um ein diffraktives optisches Element (DOE) handeln. Zu den diesbezüglichen Einzelheiten sei auf den einleitenden Teil der Beschreibung verwiesen. Grundsätzlich kommt aber auch eine Verwendung eines grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannten „Spatial Light Modulators“ als Strahlteilungseinheit in Betracht, solange mit letzterem eine Strahlteilung gewährleistet ist. Unter einem Spatial Light Modulator ist ein optisches Bauelement zu verstehen, welches die Phase und/oder die Amplitude eines Laserstrahls lokal in Abhängigkeit vom Ort variiert. Vermöge des Spatial Light Modulators wird ein eingehender Laserstrahl phasen- und/oder amplitudenmoduliert. Aus dem Stand der Technik sind Spatial Light Modulatoren zur Durchstrahlung bekannt, die lokal eine Phasenverzögerung in einem durch den Spatial Light Modulator hindurchtretenden Laserstrahl erzeugen. Weiterhin sind Spatial Light Modulatoren bekannt, die lokal eine Amplitudenschwächung in einem durch den Spatial Light Modulator hindurchtretenden Laserstrahl erzeugen. Beide Arten von Spatial Light Modulatoren wirken als diffraktive Elemente, hinter denen sich Beugungsbilder ergeben, die von der genauen räumlichen Anordnung der verzögernden bzw. abschwächenden Bereiche abhängen. Das erzeugte Beugungsbild, d.h. die dem Beugungsbild zugrundeliegenden Strahlen verschiedener Ordnung, können auch als Teilstrahlen im Sinne der vorliegenden Erfindung angesehen werden. Betont sei doch, dass es erfindungsgemäß bevorzugt ist, eine auf einem DOE basierte Strahlteilungseinheit zu verwenden.
  • Weiterhin sind aus dem Stand der Technik variable Spatial Light Modulatoren bekannt, bei denen sich die auf dem Werkstück ergebende Intensitätsverteilung des modulierten Laserstrahls elektronisch einstellen lässt. Auch solche variablen Spatial Light Modulatoren können auf einer lokal variierenden Phasenverzögerung und/oder Amplitudenabschwächung basieren. In der Regel werden solche Spatial Light Modulatoren nicht durchstrahlt, sondern in einer Reflexionskonfiguration verwendet. Beispielhaft seien an dieser Stelle Spatial Light Modulatoren genannt, die auf einer Reflexion von Laserstrahlung an einer Halbleiteroberfläche basieren, vor welcher eine Flüssigkristallschicht angeordnet ist. Dabei können die doppelbrechenden Eigenschaften der Flüssigkristallschicht gezielt lokal eingestellt werden, beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes über mikrostrukturierte Elektroden. Entsprechende Spatial Light Modulatoren werden von der Firma Hamamatsu unter der Bezeichnung LCOS („Liquid Crystal on Silicon“)-Spatial Light Modulator vertrieben. Weiterhin sind auch transmittierende variable Spatial Light Modulatoren bekannt, diese werden beispielsweise von der Firma Jenoptik unter der Bezeichnung „Flüssigkristall-Lichtmodulatoren Spatial Light Modulator-S“ vertrieben. Die mit derartigen variablen Spatial Light Modulatoren erzeugten Beugungsbilder können ebenfalls als Teilstrahlen im Sinne der Erfindung angesehen werden, jedoch ist die vorangehend beschriebene Variante der Ausbildung der Strahlteilungseinheit in Form eines diffraktiven Strahlteilers zu bevorzugen.
  • Weiterhin seien amplitudenmodulierte variable Spatial Light Modulatoren genannt, die auf mikromechanischen Mikrospiegelarrays basieren. Die einzeln ansteuerbaren Mikrospiegel erlauben es, gezielt räumliche Bereiche aus dem Querschnitt eines Laserstrahls „auszublenden“. Sodann ergibt sich ein Beugungsbild durch Beugung der einfallenden Laserstrahlung an einem „Gitter“ in einer Reflexionsanordnung. Auch derart erzeugte Beugungsbilder können grundsätzlich als Teilstrahlen im Sinne der vorliegenden Erfindung anzusehen sein.
  • Wie schon erwähnt, kann mit jener der Laserbearbeitungsvorrichtung ebenfalls zugehörigen optischen Steuereinheit aus dem Bündel von Teilstrahlen eine beliebige Anzahl von Teilstrahlen in beliebiger räumlicher Kombination selektiert und auf das Werkstück gerichtet werden. Dabei kann eine erste Anzahl der Teilstrahlen entlang des optischen Pfades in Richtung des Werkstücks weitergeleitet werden. Ferner kann eine zweite Anzahl der Teilstrahlen von einem entsprechenden Bauelement der optischen Steuereinheit oder einer Strahlselektionseinheit aus dem optischen Pfad abgelenkt oder absorbiert werden, was bedeutet, dass die zweite Anzahl der Teilstrahlen nicht auf das Werkstück auftreffen. Die Menge jener der ersten und zweiten Anzahl (d.h. der in Richtung des Werkstücks weitergeleiteten Teilstrahlen und der aus dem optischen Pfad abgeleiteten oder absorbierten Teilstrahlen) hängt von der Anzahl der Bearbeitungsstellen des Werkstückbereichs ab, die in einem bestimmten Bearbeitungsschritt im Bereich des Master-Scanbereichs liegen. Ist es aufgrund der Strahlteilungseinheit beispielsweise grundsätzlich möglich den Laserstrahl in einen 16 mal 16 Teilstrahlarray aufzuteilen und auf ein Werkstück auszurichten, und sind jedoch nur vier Bearbeitungsstellen oder Fehlstellen im für den Master-Scanbereich zugänglichen Bereich des Werkstücks vorhanden, so müssen lediglich vier Teilstrahlen zur Bearbeitung bereitgestellt werden. Die überschüssigen Teilstrahlen können sodann mit der optischen Steuereinheit oder einer Strahlselektionseinheit aus dem optischen Pfad abgelenkt oder entfernt (z.B. absorbiert) werden.
  • Wie erwähnt, umfasst die optische Steuereinheit eine reflektive optische Funktionseinheit. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass die optische Steuereinheit bzw. die der Steuereinheit zugehörige reflektive optische Funktionseinheit jeweils mehrere Bestandteile oder Bauelemente aufweist. Unter einer reflektiven optischen Funktionseinheit ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass auf die reflektive optische Funktionseinheit oder Bestandteile derselbigen auftreffende Teilstrahlen reflektiert oder abgelenkt werden. Die reflektive optische Funktionseinheit ist vorzugsweise dahingehend ausgebildet, dass jeder Teilstrahl auf eine reflektives Bauelement der reflektiven optischen Funktionseinheit trifft, wobei das reflektive Bauelement eine reflektive Strahlrichtungsmanipulationseinheit ist. An späterer Stelle sei dies noch genauer erläutert.
  • Im Falle von nicht-periodischen oder teil-periodischen Bearbeitungsmustern kann es zusätzlich erforderlich sein, einzelne der auf das Werkstück gerichteten und innerhalb des Master-Scanbereichs liegenden Teilstrahlen entsprechend der Lage der mit dem jeweiligen Teilstrahl zu bearbeitenden Bearbeitungsstelle innerhalb eines vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs individuell zu positionieren. Auch kann mit der optischen Steuereinheit eine individuelle Bewegung (Scanbewegung) der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen innerhalb des jeweiligen Teilstrahl-Scanbereichs ausgeführt werden.
  • Wie erwähnt, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung zudem (optional) eine Strahlpositionierungseinheit umfassen, insbesondere in Form eines Galvanometerscanners, eines Pivot-Scanners oder eines zwei-achsigen Einspiegelscanners, die dazu eingerichtet ist, eine Grobpositionierung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen relativ zu dem Werkstück auszuführen, nämlich durch Positionieren eines die Teilstrahl-Scanbereiche einschließenden Master-Scanbereichs relativ zu dem Werkstück. An den jeweiligen über die Grobpositionierung eingestellten Positionen der Master-Scanbereiche (und damit der Teilstrahlen) kann im Anschluss an die Grobpositionierung eine individuelle Feinpositionierung der Teilstrahlen innerhalb vorgegebener Teilstrahl-Scanbereiche der jeweiligen Teilstrahlen erfolgen. Eine als Galvanometerscanner ausgebildete Strahlpositionierungseinheit kann einen oder mehrere Drehantrieb(e) aufweisen, der bzw. die dazu eingerichtet sind, in der Strahlpositionierungseinheit vorgesehene Spiegel zur gezielten Auslenkung und Positionierung der Teilstrahlen zu bewegen. Galvanometerscanner zur Verwendung in Laserbearbeitungsvorrichtungen sind allgemein bekannt. Mit der Strahlpositionierungseinheit erfolgt also eine Zustellung aller auf das Werkstück gerichteter Teilstrahlen. Die Verwendung eines Pivot-Scanners oder eines zwei-achsigen Einspiegelscanners, d.h. einem Strahlablenksystem das eine virtuelle oder reale Strahlablenkung in zwei Raumrichtungen aus einem Raumpunkt ermöglicht, kann vorteilhaft sein bei Verwendung einer F-sin-Theta Linse bzw. eines F-sin-Theta Objektivs, insbesondere zur Reduktion von Verzeichnungsfehlern. Unter einer F-sin-Theta Linse bzw. einem F-sin-Theta Objektiv ist ein Objektiv mit einer rotationssymmetrischen Korrektur bzw. Verzeichnung entsprechend der Funktion F-sin(theta) zu verstehen.
  • Alternativ oder zusätzlich ist die Strahlpositionierungseinheit dazu eingerichtet, die auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen über das Werkstück zu bewegen, vorzugsweise synchron und simultan, nämlich durch Bewegen des die Teilstrahl-Scanbereiche einschließenden Master-Scanbereichs relativ zu dem Werkstück.
  • Die Strahlpositionierungseinheit ist der optischen Steuereinheit in Bezug auf die Strahlrichtung bzw. den Strahlengang nachgeordnet, der Strahlengang der Teilstrahlen ist also dahingehend ausgebildet, dass die Teilstrahlen erst im Anschluss an die Reflexion an der reflektiven optischen Steuereinheit (bzw. den jeweiligen reflektiven Strahlrichtungsmanipulationseinheiten) auf die Strahlpositionierungseinheit auftreffen. Die Strahlpositionierungseinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, zu der ersten Anzahl der Teilstrahlen korrespondierende Laserspots in Zusammenwirkung mit der Fokussiereinheit auf dem Werkstück abzubilden. Weiterhin kann die Strahlpositionierungseinheit dazu eingerichtet sein, die Laserspots zur Positionierung und/oder zur Bearbeitung simultan und synchron über das Werkstück zu bewegen. Dabei kann die Positionierung der Bearbeitung vorgelagert sein. Beide Schritte können nach der Positionierung des Werkstücks relativ zu der Laserbearbeitungsvorrichtung für die einzelnen Bearbeitungsschritte wiederholt werden. Es ist jedoch auch möglich, ein Werkstück an einer vorgegebenen Anzahl von Stellen ohne die Ausführung einer Bearbeitungsbewegung zu bearbeiten, z. B. im Point-and-Shoot Modus. Ausdrücklich sei an dieser Stelle betont, dass mit der Strahlpositionierungseinheit zwar die auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen bzw. die zugehörigen Laserspots positioniert und/oder bewegt werden können, die Strahlpositionierungseinheit kann jedoch lediglich eine gemeinsame Positionier- oder Bearbeitungsbewegung aller Teilstrahlen ausführen. Die individuelle Positionierung und/oder Bewegung einzelner Teilstrahlen innerhalb eines vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs erfolgt hingegen unabhängig von der Strahlpositionierungseinheit, nämlich über die optische Steuereinheit.
  • Wie erwähnt, kann es sich bei der Strahlpositionierungseinheit beispielsweise um einen Galvanometerscanner handeln. Ein solcher Galvanometerscanner kann einen oder mehrere Spiegel aufweisen, die jeweils um eine Drehachse um einen definierten Winkel gedreht werden können. Dadurch können von den Spiegeln reflektierte Teilstrahlen (bzw. ein zugehöriger Master-Scanbereich) innerhalb eines zugänglichen Scanfeldes auf eine gewünschte Stelle des Werkstücks gelenkt werden. Insbesondere bei Verwendung eines Ultrakurzpuls-Lasers als Laserstrahlungsquelle kann aber auch der Einsatz eines Polygon-Scanners als Strahlpositionierungseinheit vorgesehen sein. Polygon-Scanner eignen sich in besonderer Weise für eine hochaufgelöste Bearbeitung eines Werkstücks. Mit einem Scanner können die Prozesszeiten bei der Werkstückbearbeitung signifikant reduziert werden. Alternativ kann aber auch eine Strahlpositionierungseinheit vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, die Teilstrahlen bzw. zugehörige Laserspots statisch auf das Werkstück auszurichten bzw. die Teilstrahlen bzw. zugehörigen Laserspots auf dem Werkstück zu positionieren.
  • Wie schon eingangs erwähnt, ist die Erfindung nicht nur auf die Laserbearbeitungsvorrichtung gerichtet, sondern auch auf ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks an vorgegebenen Bearbeitungsstellen, jedoch unter Einsatz der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung. Um Wiederholungen zu vermeiden, seien die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie vorteilhafte Ausgestaltungen des mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens bereits an dieser Stelle beschrieben. Selbstverständlich können die hier im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens beschriebenen Merkmale auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der mit der Erfindung vorgeschlagenen Laserbearbeitungsvorrichtung herangezogen werden. Die Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. Bestandteile derselbigen können also dazu eingerichtet und/oder ausgebildet sein die nachfolgend genannten Verfahrensschritte und/oder Merkmale auszuführen.
  • Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks an vorgegebenen Bearbeitungsstellen unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung, wobei nach Erzeugung eines Laserstrahls mit einer Laserstrahlungsquelle eine Strahlteilung des Laserstrahls in ein Bündel von Teilstrahlen vorgenommen wird und an einer vorgegebenen Anzahl von Stellen unter Einsatz einer optischen Steuereinheit eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen des Bündels von Teilstrahlen in beliebiger räumlicher Kombination auf das Werkstück gerichtet wird, und wobei die auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen innerhalb eines vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs positioniert und/oder bewegt werden.
  • Es sei betont, dass im Rahmen der in der vorliegenden Patentanmeldung verwendeten Terminologie unter einer Positionierung von auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen (unabhängig ob es sich dabei um eine Grob- oder Feinpositionierung handelt) zu verstehen ist, dass die Positionierung bei abgeschaltetem Laser (Laserstrahlungsquelle) ausgeführt wird, bei der eigentlichen Positionierung ist also kein Laserspot auf dem Werkstück abgebildet. Erst im Anschluss wird die Laserstrahlungsquelle eingeschaltet und es wird Laserstrahlung (in Form der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen bzw. zugehöriger Laserspots) auf das Werkstück appliziert. Es wird also erst in einem zweiten Schritt (nach der Positionierung) Laserstrahlung (z.B. in Form von Laserpulsen) appliziert. Eine solche Modulation kann über eine Steuereinheit bzw. die Laserstrahlungsquelle ausgeführt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorangehend zur Positionierung der Teilstrahlen in den jeweiligen Teilstrahl-Scanbereichen eine Grobpositionierung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen an den einer vorgegebenen Anzahl von Stellen vorgenommen werden, insbesondere durch Anordnen des Werkstücks in einer Werkstückaufnahme und
    1. a. Positionieren des Werkstücks relativ zu der Laserbearbeitungsvorrichtung, oder
    2. b. Positionieren der auf das Werkstück gerichteten und innerhalb eines Master-Scanbereichs liegenden Teilstrahlen relativ zu dem Werkstück unter Einsatz einer Strahlpositionierungseinheit, oder
    3. c. Positionieren des Werkstücks relativ zu der Laserbearbeitungsvorrichtung und der auf das Werkstück gerichteten und innerhalb eines Master-Scanbereichs liegenden Teilstrahlen mit einer Strahlpositionierungseinheit.
  • Bei der Werkstückaufnahme kann es sich um einen Bestandteil der Laserbearbeitungsvorrichtung als solcher handeln, ferner kann die Werkstückaufnahme als separates Bauteil ausgebildet sein. Die Werkstückaufnahme kann im einfachsten Fall in Form einer Auflageplatte bzw. eines Tischs ausgebildet sein, auf welchem das Werkstück gewichtskraftbasiert positioniert werden kann. Auch anderweitige Ausbildungen der Werkstückaufnahme sind denkbar, ebenso das Vorsehen geeigneter Befestigungs- oder Positioniermittel zur Befestigung oder Positionierung des Werkstücks in der Werkstückaufnahme. Bei der Werkstückaufnahme kann es sich zudem um einen xy-Tisch handeln, welcher in einer Horizontalebene verfahrbar ist. Entsprechend kann das Werkstück über den xy-Tisch in einer Horizontalebene oder Arbeitsebene bewegt werden.
  • Verfahrensgemäß kann auf Basis eines Input-Datensatzes bezüglich der auf dem Werkstück vorliegenden Bearbeitungsstellen bzw. deren räumlicher Verteilung eine Anzahl von Bearbeitungsschritten (diese entspricht der Anzahl der Stellen an welchen die auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen - insbesondere die innerhalb des Master-Scanbereichs liegenden Teilstrahlen - relativ zu dem Werkstück positioniert werden müssen), eine zur Ausführung der jeweiligen Bearbeitungsschritte benötigte Relativposition des Werkstücks zur Laserbearbeitungsvorrichtung, ein die Relativpositionen der jeweiligen Bearbeitungsschritte umfassender Bearbeitungsweg sowie die zu den jeweiligen Bearbeitungsschritten zur Bearbeitung der Bearbeitungsstellen benötigte Anzahl von Teilstrahlen, die räumliche Anordnung der Teilstrahlen bzw. zugehöriger Laserspots einer Spotmatrix sowie die individuelle Position eines jeden Teilstrahls in dem vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereich ermittelt und festgelegt werden. Beachtlich ist dabei, dass es häufig eine Mehrzahl von möglichen Lösungen (unterschiedliche Bearbeitungswege, Spotmuster an unterschiedlichen Bearbeitungsstellen etc.) geben kann. Über einen geeigneten Algorithmus kann eine effiziente Bearbeitungsstrategie ermittelt werden, welche die vorgenannten Aspekte berücksichtigt. Effizient heißt an dieser Stelle, dass eine Strategie ermittelt wird, bei welcher im Mittel möglichst viele Teilstrahlen auf dem Werkstück positioniert sind, um damit die Gesamt-Bearbeitungszeit für die jeweilige Bearbeitungsaufgabe zu reduzieren. Dies kann unter Einsatz einer Steuereinheit (diese kann eine Datenverarbeitungseinheit umfassen) ausgeführt werden, wobei die Steuereinheit Bestandteil der Laserbearbeitungsvorrichtung sein kann, oder eine externe Steuereinheit ist. Die Steuereinheit ist dabei vorzugsweise steuerungstechnisch mit der optischen Steuereinheit verbunden. Die Steuereinheit kann Sub-Steuereinheiten umfassen, die den jeweiligen Bestandteilen (z. B. der reflektiven optischen Steuereinheit) der Laserbearbeitungsvorrichtung zugeordnet sein können.
  • Nach Positionierung des Werkstücks relativ zur Laserbearbeitungsvorrichtung und/oder umgekehrt, können die folgenden Schritte ausgeführt werden:
    1. a. Erzeugen eines Laserstrahls von der Laserstrahlungsquelle und Aussenden des Laserstrahls entlang eines optischen Pfades in Richtung des Werkstücks;
    2. b. Selektieren einer beliebigen Anzahl von Teilstrahlen in beliebiger räumlicher Kombination aus dem Bündel von Teilstrahlen und richten der selektierten Teilstrahlen auf das Werkstück, wobei dies unter Einsatz einer eine reflektive optische Funktionseinheit umfassenden optischen Steuereinheit erfolgt;
    3. c. Positionieren und/oder Bewegen eines jeden auf das Werkstück gerichteten Teilstrahls innerhalb eines vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs des jeweiligen Teilstrahls.
  • Betont sei an dieser Stelle, dass gemäß dem vorgenannten Verfahrensschritt c. eine gewünschte Anzahl von auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen innerhalb der jeweiligen vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereiche positioniert und/oder bewegt werden kann. Es ist also nicht zwingend erforderlich, sämtliche der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen einer Feinpositionierung oder einer Scanbewegung innerhalb des jeweiligen Teilstrahl-Scanbereichs zu unterziehen. Auch eine einmalige Positionierung eines Teilstrahls (im Wege einer Grob-Positionierung über die Strahlpositionierungseinheit) kann bereits als Positionierung im Sinne des Schritts c. zu verstehen sein, jedoch auch eine über die reflektive optische Funktionseinheit ausgeführte Positionierung des Teilstrahls im Teilstrahl-Scanbereich.
  • Weiterhin kann es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft sein, dass die optische Steuereinheit dazu eingerichtet ist, im Anschluss an die Grobpositionierung sowie der Positionierung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen innerhalb des vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs zumindest für einen der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen eine individuelle Scanbewegung auszuführen. In vorteilhafter Weise kann mittels der Steuereinheit für eine beliebige Anzahl der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen eine solche individuelle Scanbewegung ausgeführt werden, beispielsweise für alle Teilstrahlen, oder eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen. Unter einer „individuellen Scanbewegung“ ist zu verstehen, dass ein jeweiliger Teilstrahl innerhalb des Teilstrahl-Scanbereichs entlang eines vorgegebenen Bewegungspfades über das Werkstück bewegt wird, sodass beispielsweise eine vorgegebene Kontur „abgefahren“ bzw. abgescannt wird, was letztlich zu einer lokalen Bearbeitung des Werkstücks führt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit im Anschluss an die Grobpositionierung sowie die Positionierung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen innerhalb des vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs für die auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen eine simultane und synchrone Scanbewegung ausgeführt wird. In diesem Fall werden sämtliche der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen jeweils innerhalb des jeweiligen Teilstrahl-Scanbereichs simultan und synchron bewegt. Auch auf diese Art und Weise kann ein vorgegebener Bewegungspfad der jeweiligen Teilstrahlen innerhalb der jeweiligen Teilstrahl-Scanbereiche verwirklicht werden, sodass innerhalb der Teilstrahl-Scanbereiche beispielsweise eine vorgegebene Kontur „abgefahren“ bzw. abgescannt werden kann, was letztlich zu einer lokalen Bearbeitung des Werkstücks führt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des mit der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass unter Einsatz der optischen Steuereinheit und/oder der Strahlpositionierungseinheit im Anschluss an die Grobpositionierung und gegebenenfalls der Positionierung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen innerhalb des vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs für eine vorgegebene Anzahl der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen eine Positionierungskorrektur von Positionierungsfehlern, insbesondere resultierend aus Verzeichnungsfehlern eines optischen Funktionselements, ausgeführt wird.
  • Die optische Steuereinheit kann also zur Korrektur von optischen Positionierungsfehlern der Teilstrahlen auf dem Werkstück eingesetzt werden, die aufgrund der Verzeichnung eines F-theta Objektivs oder anderweitig korrigierten Objektiven entstehen können. Nebst der Positionierung der jeweiligen Teilstrahlen auf dem Werkstück (z.B. um eine Laserbohrung durchzuführen) kann nach dem hier beschriebenen Verfahren bzw. mit der hier beschriebenen Laserbearbeitungsvorrichtung also auch eine Korrektur von Positionierungsfehlern durchgeführt werden. Im Falle, dass beispielsweise eine 2 x 2 Matrix von auf das Werkstück projizierten Laserspots (Teilstrahlen) mit einer Strahlpositionierungseinheit durch ein F-theta Objektiv (eine F-theta Linse) oder ein anderweitig korrigiertes Objektiv über das Werkstück gescannt (bewegt) wird, dann kann sich die Matrix der Laserspots (Teilstrahlen) bei bestimmten Scanwinkeln, insbesondere bei Scanwinkeln > (0,0) bezüglich der Symmetrieachse des Objektivs verzerren. Die Matrix der Laserspots bzw. Teilstrahlen erfährt sodann eine Drehung und die Abstände der Laserspots verändern sich aufgrund der optischen Verzeichnung des genannten F-theta Objektivs sowie der vorliegenden Konfiguration der Strahlpositionierungseinheit. Mit dem vorliegend beschriebenen Verfahren bzw. der vorliegend beschriebenen Laserbearbeitungsvorrichtung kann dieser Effekt aktiv kompensiert werden, z.B. indem für jeden mit der Strahlpositionierungseinheit eingestellten Scanwinkel die Spotpositionen im Wege einer (durch die Steuereinheit und/oder die Strahlpositionierungseinheit) vorgenommene Feinpositonierung der Laserspots bzw. Teilstrahlen angepasst werden (dies kann auch als Verwendung einer Korrekturmatrix bezeichnet werden), sodass die Positionen der Matrix der Laserspots zur Scanwinkeleinstellung mit Scanwinkeln von (0,0) korrigiert werden. Um also ein (relativ großes) Scanfeld (Master-Scanbereich) der Strahlpositionierungseinheit bestmöglich für eine Parallelbearbeitung ausnutzen zu können, müssen die Positionsfehler der Laserspots bzw. Teilstrahlen aktiv kompensiert werden. Dies ist - wie vorangehend beschrieben - unter Einsatz der optischen Steuereinheit, insbesondere der reflektiven optischen Funktionseinheit (insbesondere unter Verwendung einer Korrekturmatrix) sowie einer Strahlpositionierungseinheit ermöglicht. Damit kann eine Kompensation von Positionierungsfehlern individuell für jeden Teilstrahl in Abhängigkeit des Scanwinkels bei einer festen Konfiguration von Strahlpositionierungseinheit und F-theta Objektiv erzielt werden. Die genannte Korrekturmatrix kann dabei unter Einsatz eines optischen Messsystems, dieses kann vorzugsweise ein im Fokus des F-theta Objektivs angeordnetes Messsystem sein, ermittelt werden.
  • Die erwähnte Korrekturmatrix beinhaltet die notwendigen Korrekturen des Feinpositionierungssystems (der reflektiven optischen Funktionseinheit) zur Korrektur von Positionsfehlern der Teilstrahlen, die durch die Strahlpositionierungseinheit sowie ein zugehöriges F-theta Objektiv induziert werden. Dabei ist der Fehler abhängig von dem Scanwinkel der Strahlpositionierungseinheit.
  • Unter Berücksichtigung des voranstehenden lässt sich festhalten, dass der Teilstrahl-Scanbereich eines auf das Werkstück gerichteten Teilstrahls zusammengesetzt ist aus einem Scanvektor zur Korrektur des genannten Positionsfehlers des Teilstrahls sowie einem Scanvektor zur Positionierung des Teilstrahls auf die Sollposition.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit im Anschluss an die Grobpositionierung sowie die Positionierung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen innerhalb des vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs für die auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen eine simultane und synchrone Scanbewegung entlang eines vorgegebenen Scanwegs ausgeführt wird, wobei bei Ausführung der Scanbewegung unter Einsatz der optischen Steuereinheit, insbesondere der reflektiven Mikroscanner, für eine vorgegebene Anzahl der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen eine dynamische Positionierungskorrektur von Positionierungsfehlern, insbesondere resultierend aus Verzeichnungsfehlern eines optischen Funktionselements, ausgeführt wird, vorzugsweise unter Einsatz einer Korrekturmatrix. Bei der Ausführung einer Scanbewegung ist die Laserstrahlungsquelle eingeschaltet (im Gegensatz dazu ist die Laserstrahlungsquelle bei einer Positionierung - sei es eine Grobpositionierung oder Feinpositionierung - ausgeschaltet), sodass die auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen entsprechend über dieses bewegt werden können. Dies erlaubt das Scannen (Ausführen der Scanbewegung) „langer Vektoren“ über das Werkstück unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit bei gleichzeitiger Möglichkeit Verzeichnungsfehler dynamischer zu korrigieren. Im Anschluss an die erwähnte Grobpositionierung mit der Strahlpositionierungseinheit kann sodann eine Positionierung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen innerhalb der jeweiligen Teilstrahl-Scanbereiche erfolgen. Im Anschluss an eine solche Positionierung und einer ggf. erfolgenden Korrektur von statischen Positionierungsfehlern der Teilstrahlen (siehe die vorangehende Beschreibung) kann nach dieser Ausgestaltung eine Bewegung der Teilstrahlen unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit entlang eines Scanwegs ausgeführt werden, der den gesamten Master-Scanbereich beinhalten kann, wobei die optische Steuereinheit die Positionierungsfehler/Verzeichnungsfehler der einzelnen Teilstrahlen unter Verwendung der Korrekturmatrix dynamisch kompensiert (Echtzeitkompensation).
  • Dies sei an folgendem Beispiel erläutert: Mit der Laserbearbeitungsvorrichtung wird eine 1x4 Matrix von Teilstrahlen bzw. zugehörigen Laserspots auf dem Werkstück angeordnet. Sodann werden 4 parallele Linien über das Werkstück gescannt. Die Länge der parallelen Linien entspricht der Länge des Master-Scanbereichs. Die Strahlpositionierungseinheit führt dabei die Scanbewegung aus, während die optische Steuereinheit, also die jeweiligen Mikroscanner, dynamisch die Positionsfehler der Teilstrahlen entlang des Scanwegs kompensiert.
  • Nachfolgend seien vorteilhafte Ausgestaltungen der mit der Erfindung vorgeschlagenen Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere jene in den Unteransprüchen angegebenen vorteilhaften Ausgestaltungsvarianten, im Detail erläutert. Die Unteransprüche betreffen dabei vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung. Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale können in beliebiger Kombination zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden, soweit dies technisch möglich ist. Dies gilt auch dann, wenn derartige Kombinationen nicht ausdrücklich durch entsprechende Rückbezüge in den Ansprüchen verdeutlicht sind. Insbesondere gilt dies auch über die Kategorie-Grenzen der Patentansprüche hinweg. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung beschriebenen Ausgestaltungsmerkmale sind gleichermaßen auch als mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens heranzuziehen. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurden vorteilhafte Ausgestaltungen betreffend die optional vorhandene Strahlpositionierungseinheit bereits vorangehend erläutert. Gleichwohl ist auch diese mit den weiteren der nachfolgend beschriebenen technischen Ausgestaltungen bzw. den in den Unteransprüchen angegebenen Merkmalen kombinierbar.
  • Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung kann die Laserbearbeitungsvorrichtung eine optische Funktionseinheit aufweisen, die zwischen der Strahlteilungseinheit und der reflektiven optischen Funktionseinheit angeordnet ist, und eine Gruppe von hintereinander angeordneten optischen Funktionselementen umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Gruppe von hintereinander angeordneten optischen Funktionselementen umfasst:
    1. a. eine Fokussiereinheit, die insbesondere aus einer oder mehreren hintereinander angeordneten Linsen, Linsensystemen, Spiegeln oder einer Kombination daraus gebildet ist,
    2. b. einen beabstandet zur Fokussiereinheit angeordneten Linsenarray von Linsen.
  • Dabei wird beispielsweise bei einem zweidimensionalen Linsenarray immer eine „Reihe“ oder „Spalte“ an Linsen mehr benötigt als beim Array von Mikroscannern der reflektiven optischen Funktionseinheit. Ist beispielsweise eine Anordnung von 4 mal 4 Mikroscannern vorgesehen, so wäre eine Anordnung von 5 mal 4 oder 4 mal 5 Linsen im Linsenarray erforderlich.
  • Die Anzahl der Linsen des Linsenarrays bemisst sich insbesondere danach, welche Linsenanzahl benötigt wird, um zu gewährleisten, dass die Teilstrahlen auf dem zweiten Strahlweg (nach Reflexion an der reflektiven optischen Funktionseinheit) jeweils eine im Vergleich zum ersten Strahlweg (also dem Strahlweg der Teilstrahlen vor dem Auftreffen auf der reflektiven optischen Funktionseinheit) unmittelbar oder nicht-unmittelbar benachbarte Linse durchlaufen kann.
  • Unter der optischen Funktionseinheit kann im Sinne der Erfindung insbesondere eine optische Funktionseinheit zu verstehen sein, deren Bestandteile (die Fokussiereinheit und der Linsenarray) von den Teilstrahlen durchtreten werden können, also transmissiv ausgebildet sind. Dies schließt jedoch nicht aus, dass einzelne Elemente der optischen Funktionseinheit auch reflektiv ausgebildet sein können.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann eine dahingehend ausgebildete Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen sein, bei der die dem Bündel von Teilstrahlen zugehörigen Teilstrahlen auf einem ersten Strahlweg bis zur Reflexion an der reflektiven optischen Funktionseinheit durch die optische Funktionseinheit, insbesondere die Fokussiereinheit und den Linsenarray hindurchtreten, sowie nach der Reflexion an der reflektiven optischen Funktionseinheit zumindest ein Teil der dort reflektierten Teilstrahlen auf einem zweiten Strahlweg erneut durch die optische Funktionseinheit, insbesondere den Linsenarray und die Fokussiereinheit hindurchtreten. Beim Hindurchtreten durch die Fokussiereinheit und den Linsenarray können die Teilstrahlen optisch gebrochen werden. Im Anschluss an die Strahlteilung in der Strahlteilungseinheit, propagieren die Teilstrahlen demnach als Bündel kollimierter Teilstrahlen in Richtung der Fokussiereinheit.
  • Vorzugsweise kann die Laserbearbeitungsvorrichtung ferner dahingehend ausgebildet sein, dass auf dem ersten Strahlweg ein jeder Teilstrahl des Bündels von Teilstrahlen durch eine dem jeweiligen Teilstrahl zugeordnete Linse des Linsenarrays hindurchtritt und auf dem zweiten Strahlweg zumindest ein Teil der an reflektiven optischen Funktionseinheit reflektierten Teilstrahlen durch eine dem jeweiligen Teilstrahl zugeordnete Linse des Linsenarrays hindurchtritt. Auf dem zweiten Strahlweg wird - wie an späterer Stelle noch erläutert - von einem jeweiligen Teilstrahl eine im Vergleich zum ersten Strahlweg unterschiedliche, insbesondere benachbarte, Linse durchlaufen. Unter einer „Zuordnung“ ist in diesem Zusammenhang also nicht zu verstehen, dass ein Teilstrahl auf dem ersten Strahlweg und dem zweiten Strahlweg ein und dieselbe Linse durchläuft.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass auf dem ersten Strahlweg ein jeder Teilstrahl des Bündels von Teilstrahlen durch die Fokussiereinheit hindurchtritt und auf dem zweiten Strahlweg zumindest ein Teil der an der reflektiven optischen Funktionseinheit reflektierten Teilstrahlen erneut durch die Fokussiereinheit hindurchtritt.
  • Es kann dabei vorgesehen sein, dass nicht sämtliche der auf ersten Strahlweg durch die Fokussiereinheit und den Linsenarray hindurchgetretenen Teilstrahlen in Richtung des Werkstücks gelangen, sondern zuvor (vorzugsweise auf dem zweiten Strahlweg) durch geeignete Mittel, aus dem Strahlengang abgelenkt bzw. entfernt werden. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen, vorzugsweise auf dem zweiten Strahlweg, aus dem optischen Pfad abgelenkt oder absorbiert wird, so dass die abgelenkten Teilstrahlen nicht auf dem Werkstück auftreffen. Dies kann entweder über eine eigens dazu vorgesehene Strahlselektionseinheit erfolgen oder aber durch die reflektive optische Funktionseinheit. Dadurch kann - entsprechend der Anzahl der für die Bearbeitung an einer gegebenen Position des Master-Scanbereichs auf dem Werkstück notwendigen Teilstrahlen - die entsprechende Anzahl nicht benötigter Teilstrahlen aus Strahlengang der Teilstrahlen abgelenkt oder entfernt werden.
  • Die Fokussiereinheit kann beispielsweise als Einzellinse ausgebildet sein, z.B. als Asphäre. In der Praxis hat sich jedoch die Verwendung komplexer Linsensysteme als vorteilhaft erwiesen, da hiermit Abbildungsfehler besser korrigiert werden können.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Bündel der Mehrzahl von Teilstrahlen vor und nach dem Hindurchtreten durch die Fokussiereinheit auf dem ersten Strahlweg eine Teilstrahlbündel-Achse aufweist, in Bezug zu welcher die Mehrzahl von Teilstrahlen vorzugsweise symmetrisch angeordnet sind. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Teilstrahlbündelachse vorzugsweise normal zu einer Mikroscanner-Ebene steht, in welcher die reflektiven Mikroscanner angeordnet sind. Durch eine solche Strahlteilung wird eine bestimmte geometrische Grundordnung der auf das Werkstück abgebildeten Teilstrahlen vorbestimmt, wobei es mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung ermöglicht ist, einen jeden der Teilstrahlen innerhalb eines vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs individuell zu positionieren. Durch das Hindurchtreten der Teilstrahlen durch die Fokussiereinheit werden die Teilstrahlen zueinander parallelisiert und fokussiert.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fokussiereinheit derart angeordnet ist, dass die Teilstrahlbündel-Achse vor dem Auftreffen der Teilstrahlen auf der Fokussiereinheit auf dem ersten Strahlweg in Bezug zu einer entlang des optischen Pfads verlaufenden Symmetrieachse der Fokussiereinheit versetzt ist. Unter einem Versatz ist insbesondere ein paralleler Versatz um einen vorgegebenen Abstand zu verstehen. Paralleler Versatz meint an dieser Stelle, dass die Teilstrahlbündel-Achse parallel zur Symmetrieachse der Fokussiereinheit versetzt ist. Der Versatz des Bündels von Teilstrahlen bzw. der Teilstrahlbündel-Achse zur Symmetrieachse der Fokussiereinheit bewirkt, dass die Teilstrahlbündel-Achse nach Hindurchtreten der Teilstrahlen durch die Fokussiereinheit auf dem ersten Strahlweg unter einem Winkel zur Symmetrieachse der Fokussiereinheit verläuft.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fokussiereinheit derart angeordnet ist (maßgebend ist insbesondere die Anordnung in Bezug zur Strahlteilungseinheit), dass das Bündel von Teilstrahlen vor und/oder nach Hindurchtreten durch die Fokussiereinheit auf dem ersten Strahlweg einen telezentrischen Strahlengang aufweist. Insbesondere gilt dies nach dem Hindurchtreten der Teilstrahlen durch die Fokussiereinheit auf dem ersten Strahlweg. Die telezentrische Eigenschaft der Fokussiereinheit bewirkt, dass das Bündel von Teilstrahlen nach dem Hindurchtreten durch die Fokussiereinheit zunächst derart entlang des ersten Strahlwegs propagiert, dass die optischen Achsen eines jedes Teilstrahls parallel zueinanderstehen. Dies meint folgendes: Die jeweiligen Teilstrahlen des Bündels von Teilstrahlen weisen jeweils ein Bündel aus einer vorgegebenen Anzahl von Sub-Teilstrahlen auf (auf dem Werkstück werden die Sub-Teilstrahlen fokussiert). Unter einem telezentrischen Strahlengang ist an dieser Stelle zu verstehen, dass diese Sub-Teilstrahlen jeweils durch einen Hauptstrahl beschrieben werden können (den Teilstrahl), wobei die Hauptstrahlen nach dem Durchtritt durch die Fokussiereinheit parallel zu einander stehen. Insbesondere sind die Hauptstrahlen parallel zu einer in Bezug zur Symmetrieachse der Fokussiereinheit verkippten Achse ausgerichtet. Die Achsen-Verkippung resultiert aus dem Versatz der Teilstrahlbündel-Achse in Bezug zur Symmetrieachse der Fokussiereinheit vor dem Hindurchtreten durch die Fokussiereinheit auf dem ersten Strahlweg.
  • Auf dem zweiten Strahlweg, also auf dem sich an die Reflexion der Teilstrahlen an der reflektiven optischen Funktionseinheit anschließenden Strahlweg, kann der Strahlengang bzw. Strahlverlauf der Teilstrahlen zumindest abschnittsweise telezentrisch oder nicht telezentrisch sein. Im Falle eines telezentrischen Strahlwegs bzw. Strahlverlaufs ist die reflektive optische Funktionseinheit derart angeordnet, dass die optischen Achsen der Teilstrahlen auf dem zweiten Strahlweg für die mit der reflektiven optischen Funktionseinheit, insbesondere den zugehörigen Mikroscannern, eingestellten Scanwinkel der Teilstrahlen dazu führen, dass die Teilstrahlen nach erneutem Hindurchtreten durch den Linsenarray jeweils parallel zueinander stehen. Damit ist der maximale durch die Mikroscanner einstellbare Scanbereich zwingend auf einen Bereich begrenzt, der kleiner als der Durchmesser der einer dem Linsenarray zugehörigen Linse ist. Dies bedeutet für die mit der reflektiven optischen Funktionseinheit ausgeübte Scanfunktion bezüglich der Teilstrahlen, dass das jeweilige Scanfeld eines Teilstrahls kleiner oder deutlich kleiner als der Abstand zwischen den Teilstrahlen auf dem Werkstück ist. Der Füllgrad des Scanfeldes bzw. Master-Scanbereichs auf dem Werkstück ist also begrenzt. Im Falle eines nicht telezentrischen Strahlwegs oder Strahlverlaufs ist die Anordnung der Mikroscanner (bzw. der reflektiven optischen Funktionseinheit) und des Linsenarrays dahingehend gewählt, dass die optischen Achsen der Teilstrahlen auf dem zweiten Strahlweg nach Hindurchtreten durch den Linsenarray nicht parallel sind, d.h. die optischen Achsen beschreiben einen gewissen Winkelraum. Dies führt dazu, dass der durch die Mikroscanner einstellbare Scanbereich größer als der Durchmesser der jeweiligen Linsen des Linsenarrays ist bzw. sein kann. Damit kann der Scanbereich jedes Teilstrahls vergrößert werden, der Füllgrad des Scanbereichs auf dem Werkstück wird größer, maximal kann gar eine vollständige Überdeckung des Scanbereichs mit Teilstrahlen erreicht werden. Allerdings führt ein nicht telezentrischer Strahlengang hinter dem Linsenarray beim Scannen mit der Teilstrahlen mit den Mikroscannern zu einem Versatz der Teilstrahlen in der Eintrittspupille eines Fokussierobjektivs der Strahlpositionierungseinheit. Dies führt auf dem Werkstück zu Teilstrahlen die nicht senkrecht, sondern unter einem Winkel <90° auf dem Werkstück auftreffen, was für einige Anwendungen unvorteilhaft sein kann, für andere Anwendungen jedoch tolerabel. Insbesondere hängt der Winkel aber von der Positionierung der Fokussieroptik zur Eintrittspupille des Fokussierobjektivs der Strahlpositionierungseinheit ab. Entscheidend ist hierbei, dass sich durch die Änderung der Lage des Teilstrahls in der Eintrittspupille des Objektivs eine Änderung des Einfallwinkels des Teilstrahls auf dem Werkstück ergibt.
  • Wie bereits erwähnt, kann nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die optische Teilstrahlbündel-Achse nach Hindurchtreten der Teilstrahlen durch die Fokussiereinheit auf dem ersten Strahlweg in einem Winkel zur Symmetrieachse der Fokussiereinheit verläuft. Dies ergibt sich als Folge dessen, dass die Fokussiereinheit eine von Null verschiedene Brennweite hat und die Teilstrahlbündel-Achse zur Symmetrieachse der Fokussiereinheit versetzt ist.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Teilstrahlen des Bündels von Teilstrahlen auf dem ersten Strahlweg in einer senkrecht zum optischen Pfad bzw. zur Symmetrieachse der Fokussiereinheit angeordneten Ebene fokussiert werden, wobei die Ebene vorzugsweise zwischen der Fokussiereinheit und dem Linsenarray angeordnet ist. Ohne Weiteres kann die Fokussierung der Teilstrahlen auch in einer virtuellen Fokusebene erfolgen. Auch auf dem zweiten Strahlweg kann es vorteilhaft sein, die durch Teilstrahlen des Bündels von Teilstrahlen nach Hindurchtreten durch den Linsenarray in der genannten Ebene zu fokussieren.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Linsenarray eine laterale Anordnung von Linsen oder Linsensystemen (z.B. Dublett-Linsen oder Triplett-Linsen) umfasst, die vorzugsweise in einer gemeinsamen Linsenebene angeordnet sind, wobei die Linsenebene senkrecht zum optischen Pfad bzw. zur Symmetrieachse der Fokussiereinheit angeordnet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei den dem Linsenarray zugehörigen Linsen oder Linsensystemen um identische Linsen bzw. identische Linsensysteme. Die Linsen oder Linsensysteme können dabei in der Linsenebene insbesondere in Form einer Gitteranordnung oder hexagonalen Anordnung angeordnet sein. Wie erwähnt, sind die Linsen des Linsenarrays dabei derart angeordnet, dass jeder Teilstrahl des Bündels von Teilstrahlen jeweils eine Linse durchläuft. Dabei gilt, dass ein Teilstrahl auf dem ersten Strahlweg eine Linse durchläuft und auf dem zweiten Strahlweg eine andere Linse (bevorzugt eine benachbarte Linse) durchläuft. Wesentlich ist allerdings, dass jeder Teilstrahl auf dem Hinweg jeweils eine andere (eigene) Linse durchläuft, keine Linse wird also auf dem Hinweg von zwei Teilstrahlen durchlaufen. Auf dem Rückweg durchläuft ebenfalls jeder Teilstrahl jeweils eine andere (eigene) Linse die nicht identisch mit der Linse ist, die er auf dem Hinweg durchlaufen hat, sondern bevorzugt eine benachbarte Linse ist.
  • Eine solche Anordnung ermöglicht eine Separation der Teilstrahlen in getrennte optische Kanäle. Jeder durch den Linsenarray bzw. die einzelnen Linsen hindurchtretende Teilstrahl wird von der jeweiligen Linse des Linsenarrays kollimiert auf dem ersten Strahlweg. Der Abstand zwischen der Fokussiereinheit und dem Linsenarray ist dahingehend ausgewählt, dass die Teilstrahlen nach Hindurchtreten durch den Linsenarray im Wesentlichen kollimiert sind. Nach Hindurchtreten der Teilstrahlen durch den Linsenarray propagieren die Teilstrahlen in den jeweiligen optischen Kanälen auf dem ersten Strahlweg bis zum Auftreffen auf die reflektive optische Funktionseinheit.
  • Wie schon erwähnt ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die reflektive optische Funktionseinheit gebildet ist aus einem Array von reflektiven Mikroscannern. Der Array von reflektiven Mikroscannern kann (muss aber nicht) eine laterale Anordnung von reflektiven Mikroscannern umfassen, die vorzugsweise in einer gemeinsamen Mikroscanner-Ebene angeordnet sind, wobei die Mikroscanner-Ebene senkrecht zum optischen Pfad bzw. zur Symmetrieachse der Fokussiereinheit angeordnet ist. Die reflektiven Mikroscanner sind dabei derart angeordnet, dass jeweils ein Teilstrahl von jeweils einem Mikroscanner reflektiert wird. Der Einfallswinkel eines jeden Teilstrahls auf den jeweiligen reflektiven Mikroscanner entspricht dabei ungefähr dem eingangs erwähnten Winkel zwischen der Teilstrahlbündel-Achse und der Symmetrieachse der Fokussiereinheit. Entsprechend entspricht die Anzahl der reflektiven Mikroscanner der Anzahl der entlang des ersten Strahlwegs verlaufenden Teilstrahlen. Nach dem Auftreffen eines jeweiligen Teilstrahls auf einen reflektiven Mikroscanner wird der Teilstrahl an diesem Mikroscanner reflektiert.
  • Vorzugsweise ist ein jeder Mikroscanner dazu eingerichtet, eine Grundstellung sowie zumindest eine erste Ablenkstellung einzunehmen, wobei ein in der ersten Ablenkstellung befindlicher Mikroscanner dazu eingerichtet ist, einen auf den Mikroscanner auftreffenden Teilstrahl in Richtung des zweiten Strahlwegs abzulenken. Ferner kann vorgesehen sein, dass ein jeder Mikroscanner dazu eingerichtet ist, eine zweite Ablenkstellung einzunehmen, wobei ein in der zweiten Ablenkstellung befindlicher Mikroscanner dazu eingerichtet ist, einen auf den Mikroscanner auftreffenden Teilstrahl aus dem optischen Pfad abzulenken. Sofern vorgesehen ist, dass die jeweiligen Mikroscanner zwei Ablenkstellungen einnehmen können, so kann es vorteilhaft sein, wenn die Ablenkung der jeweiligen Teilstrahlen in der ersten und zweiten Ablenkstellung der jeweiligen Mikroscanner entlang einer ersten und zweiten Raumrichtung erfolgt, wobei die erste und zweite Raumrichtung senkrecht zur Symmetrieachse der Fokussiereinheit verlaufen.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mit den jeweiligen Mikroscannern für den jeweiligen auf den Mikroscanner auftreffenden Teilstrahl ein Ablenkungswinkel flexibel und dynamisch einstellbar ist. Unter einer dynamischen Einstellung ist zu verstehen, dass jeder Mikroscanner ein eigenes Scanprogramm zugrunde legen kann, welches beispielsweise eine Vielzahl von Mikrovektoren (betreffend die Ausrichtung des Mikroscanners) umfasst. Die Einstellung der Mikroscanner kann dabei insbesondere elektro-mechanisch erfolgen, wobei die Einstellung der Ablenkungswinkel insbesondere über eine mit dem Array von Mikroscannern oder den einzelnen Mikroscannern verbundene Steuereinheit erfolgt.
  • Unter Einsatz der Mikroscanner kann einem jeden Teilstrahl eine zusätzliche Winkelauslenkung hinzuaddiert werden, die nach Hindurchtreten der Teilstrahlen durch den Linsenarray auf dem zweiten Strahlweg zu einem Versatz des jeweiligen Fokuspunkts der Teilstrahlen in der genannten Ebene (gemeint ist die gemeinsame Fokusebene zwischen Linsenarray und Fokussiereinheit) führt. Folglich wirkt sich die mit den Mikroscannern induzierte Winkelauslenkung auf die Position der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen aus. Entsprechend können diese innerhalb eines vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs positioniert und/oder bewegt werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Linsenebene des Linsenarrays die gleiche Neigung aufweist wie die Mikroscanner-Ebene des Arrays von reflektiven Mikroscannern , und dass die Linsen oder Linsensysteme in der Linsenebene in der gleichen Anordnungssymmetrie, beispielsweise einer kartesischen Anordnung, angeordnet sind wie die Mikroscanner in der Mikroscanner-Ebene.
  • Wie bereits erwähnt, propagieren die jeweiligen kollimierten Teilstrahlen im Anschluss an die Reflexion an den Mikroscannern entlang des zweiten Strahlwegs erneut zum Linsenarray. Die jeweiligen Teilstrahlen weisen nun - je nach Winkelauslenkung am reflektiven Array von Mikroscannern - eine zusätzliche Winkelauslenkung gegenüber einem Teilstrahl auf, der an einem Mikroscanner in Grundstellung reflektiert wird. Das Bündel kollimierter Teilstrahlen trifft wiederum auf den Linsenarray auf. Dabei durchläuft ein im wesentlichen kollimierter Teilstrahl genau eine Linse oder ein Linsensystem des Linsenarrays. Umgekehrt wird jede Linse oder jedes Linsensystem des Linsenarrays von genau einem Teilstrahl des am Array von Mikroscannern reflektierten Teilstrahlbündels durchdrungen. Auf dem ersten Strahlweg (d.h. vom Strahlweg von der Fokussierlinse bis zum Linsenarray) und dem zweiten Strahlweg (d.h. vom Strahlweg von dem Array aus Mikroscannern bis zum Linsenarray) durchdringt ein Teilstrahl somit den Linsenarray zweimal mit unterschiedlicher, insbesondere entgegengerichteter, Propagationsrichtung.
  • Wie schon erwähnt, kann es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft sein, dass die an den Mikroscannern reflektierten Teilstrahlen auf dem zweiten Strahlweg erneut durch den Linsenarray hindurchtreten, wobei ein jeweiliger Teilstrahl auf dem zweiten Strahlweg durch eine Linse des Linsenarrays hindurchtritt, die benachbart angeordnet ist zu einer Linse des Linsenarrays, durch welche der Teilstrahl auf dem ersten Strahlweg hindurchtritt. Die Teilstrahlen treten also auf dem ersten Strahlweg (dieser kann auch als Hinweg der Teilstrahlen zur reflektiven optischen Funktionseinheit bezeichnet werden) durch eine andere Linse des Linsenarrays hindurch als auf dem zweiten Strahlweg (dieser kann auch als Rückweg der Teilstrahlen von der reflektiven optischen Funktionseinheit bezeichnet werden). Vorzugsweise sind die von einem einzelnen Teilstrahl auf dem ersten und zweiten Strahlweg durchlaufenen Linsen benachbart angeordnet. Erst dadurch wird bei sonst telezentrischer Anordnung eine Auftrennung der Kanäle in unterschiedliche Raumrichtungen im Hin- und Rückweg von den Mikroscannern ermöglicht. Unter „benachbart“ kann in diesem Zusammenhang eine unmittelbar benachbarte (Linsen sind z.B. nebeneinander oder übereinander angeordnet) Anordnung der Linsen verstanden werden, jedoch auch eine nicht unmittelbar benachbarte Anordnung verstanden werden (d.h. die Linsen liegen nicht unmittelbar nebeneinander, übereinander etc.).
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mikroscanner Mikrospiegel oder MEMS-Spiegel/MEMS-Scanner sind, wobei ein jeder Mikroscanner dazu eingerichtet ist, einen darauf auftreffenden Teilstrahl in zwei Koordinatenrichtungen abzulenken. Unter einer Koordinatenrichtung kann eine Richtung (z.B. eine vertikale oder horizontale) in einer im Raum aufgespannten Ebene zu verstehen sein. Im Falle eines Arrays von einen Mikrospiegeln handelt es sich um eine DMD Anordnung. Das Akronym MEMS steht dabei bekanntlich für mikro-elektro-mechanische-Systeme. Das Akronym DMD bezeichnet einen „digital micromirror device“. Beide Bauteile sind aus dem Stand der Technik bekannt, weshalb an dieser Stelle auf das allgemeine Fachwissen verwiesen sei. MEMS Spiegel bestehen aus einem einzelnen Spiegelsubstrat und können entweder resonant oder quasi-statisch betrieben werden. Bei derartigen Spiegeln handelt es sich um zweidimensionale Elemente zur Strahlungsablenkung. Mögliche Scan-Frequenzen reichen von 0.1 kHz bis 50 kHz. Die in dem Array von Mikroscannern angeordneten Mikroscanner (Mikrospiegel oder MEMS Spiegel) können über die Steuereinheit einzeln angesteuert und verkippt bzw. bewegt werden, um somit jeden Teilstrahl individuell ablenken bzw. mit einem zusätzlichen Ablenkungswinkel beaufschlagen zu können.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Mikroscanner zumindest teilweise mit einer dielektrischen Beschichtung versehen sind. Im Vergleich zu einer metallischen Oberfläche wird mit einer dielektrischen Beschichtung vermieden, dass sich der Mikroscanner im Wege einer Restabsorption der auf den Mikroscanner auftreffenden Laserstrahlung aufheizt. Es kann vorgesehen sein, jeden Mikroscanner vollständig dielektrisch zu beschichten, oder nur partiell.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Teilstrahlen auf dem zweiten Strahlweg als Bündel von Teilstrahlen erneut durch die Fokussiereinheit hindurchtreten, wobei die Teilstrahlbündel-Achse vor dem Auftreffen der Teilstrahlen auf die Fokussiereinheit auf dem zweiten Strahlweg in Bezug zu der entlang des optischen Pfads verlaufenden Symmetrieachse der Fokussiereinheit versetzt und/oder verkippt ist.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Strahlselektionseinheit, insbesondere in Form eines Arrays von Aperturblenden, vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen, vorzugsweise auf dem zweiten Strahlweg, aus dem optischen Pfad abzuleiten, z.B. zu reflektieren, oder zu absorbieren, so dass die abgelenkten Teilstrahlen nicht auf dem Werkstück auftreffen, wobei die Strahlselektionseinheit in Bezug auf den Strahlengang vorzugsweise nachgeordnet zur reflektiven optischen Funktionseinheit angeordnet ist. Gleichsam kann die Aperturblende auch zwischen dem Array von Mikroscannern und dem Linsenarray angeordnet sein. Bei Ausbildung der Strahlselektionseinheit in Form eines Arrays von Aperturblenden, ist der Array von Aperturblenden derart gestaltet, dass ein Teilstrahl für einen bestimmten über einen Mikroscanner eingestellten Ablenkwinkel des Teilstrahls auf die Aperturblende trifft und von dieser absorbiert wird, oder in einen Beam-Dump reflektiert wird. Für andere Ablenkwinkel propagiert der Teilstrahl ungehindert durch die Aperturblende.
  • Über das Zusammenwirken der reflektiven optischen Funktionseinheit und der Strahlselektionseinheit kann die Anzahl der auf das Werkstück auftreffenden Teilstrahlen flexibel eingestellt werden. Dies bezieht sich nicht nur auf die Anzahl der Teilstrahlen, sondern auch auf deren räumliche Auswahl bezogen auf ein von der Strahlteilungseinheit bereitgestelltes zweidimensionales Teilstrahlbündel. Aus letzterem können die Teilstrahlen in beliebiger Kombination bzgl. ihrer Position ausgewählt und der o.g. ersten oder der zweiten Anzahl der Teilstrahlen zugeordnet werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Strahlselektionseinheit reflektiv ausgebildet ist, insbesondere als Mikrospiegel oder MEMS-Spiegel. Dabei können einzelne Teilstrahlen von den jeweiligen Mikroscannern in Richtung der reflektiv ausgebildeten Strahlselektionseinheit abgelenkt werden. Weiterhin kann die Strahlselektionseinheit dahingehend ausgebildet sein, dass sie einen festen Array von Spiegeln oder Mikrospiegeln umfasst, die eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen (auch einen bestimmten Teilstrahl) in einen Beam-Dump zu leiten. Gleichsam kann auch der Array von Mikroscannern bzw. ein jeder Mikroscanner als Strahlselektionseinheit wirken (durch Ablenken von Teilstrahlen aus dem optischen Pfad in Richtung eines Nebenpfads). Auch kann die Strahlselektionseinheit einen Array von Mikrospiegeln oder MEMS-Spiegeln umfassen. Die in der Strahlselektionseinheit angeordneten Spiegel können über eine Steuereinheit einzeln angesteuert und verkippt bzw. bewegt werden, um somit jeden Teilstrahl individuell ablenken zu können. Wie schon erwähnt, kann eine erste Anzahl der Teilstrahlen entlang des optisches Pfads in Richtung des Werkstücks weitergeleitet bzw. abgelenkt werden, oder aber aus dem optischen Pfad entfernt bzw. abgelenkt werden (die aus dem optischen Pfad abgelenkten Teilstrahlen treffen nicht auf das Werkstück auf).
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die in der Strahlselektionseinheit angeordneten Spiegel zumindest teilweise mit einer dielektrischen Beschichtung versehen sind. Im Vergleich zu einer metallischen Oberfläche wird mit einer dielektrischen Beschichtung vermieden, dass sich der Spiegel im Wege einer Restabsorption der auf den Spiegel auftreffenden Laserstrahlung aufheizt. Es kann vorgesehen sein, jeden Spiegel vollständig dielektrisch zu beschichten, oder nur partiell.
  • Wie bereits vorangehend beschrieben, kann die Strahlselektionseinheit in einer alternativen Ausführung auch transmissiv bzw. absorptiv ausgebildet sein, insbesondere als zumindest ein auf einem Chip angeordnetes Blockierelement. Derartige Chips sind jedoch auf dem Markt frei erhältlich (siehe beispielsweise https://www.preciseley.com/mems-optical-shutter.html). Das genannte Blockierelement ist dabei innerhalb einer Chipebene zumindest von einer ersten in eine zweite Stellung bewegbar. In der ersten Stellung ist dabei eine Transmission (also ein Hindurchtreten) eines auf das Blockierelement auftreffenden Teilstrahls ermöglicht. In der zweiten Stellung hingegen ist ein Hindurchtreten eines auf das Blockierelement auftreffenden Teilstrahls verwehrt (Absorption). Das Umschalten des Blockierelements kann über die Steuereinheit kontrolliert werden, entsprechend eignet sich auch ein derartiger Chip (oder ein Array derartiger Chips) zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung. Eine solche Blockiereinheit kann für einen oder mehrere Teilstrahlen vorgesehen sein, und zwischen der Fokussiereinheit und dem Linsenarray oder zwischen dem Linsenarray und dem Array von Mikroscannern angeordnet sein.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Strahlteilungseinheit ein Strahlformungselement angeordnet ist, das dazu eingerichtet ist, eine gaußförmige Intensitätsverteilung des Laserstrahls in eine davon abweichende Intensitätsverteilung umzuwandeln, insbesondere in eine Top-Hat Intensitätsverteilung oder eine ringförmige Intensitätsverteilung.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Strahlteilungseinheit dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in ein Bündel von Teilstrahlen aufzuteilen, wobei die Teilstrahlen vorzugsweise (im Winkelraum) äquidistante Abstände aufweisen. Auch können die Teilstrahlen von der Strahlteilungseinheit in ein hexagonales Bündel geteilt werden, in einem Querschnitt sind die Teilstrahlen also in einer hexagonalen Verteilung angeordnet. Ein derart bereitgestellter Versatz der Teilstrahlen kann durch Hinzuaddieren einer über die reflektive optische Steuereinheit, insbesondere den Array von Mikroscannern, Winkelauslenkung verändert werden. Die für jeden Teilstrahl über die jeweiligen Mikroscanner (insbesondere MEMS Spiegel) einstellbare Winkelauslenkung führt zu einem zusätzlichen Strahlversatz eines jeweilig manipulierten Teilstrahls auf dem Werkstück, nämlich zu einer Positionsverschiebung innerhalb des jeweiligen Teilstrahl-Scanbereichs.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, anhand vorgegebener Daten einen Bearbeitungsweg für eine Grob-Positionierung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen durch eine Positionierung des Master-Scanbereichs an verschiedenen Stellen des Werkstücks zu ermitteln, wobei die Steuereinheit mit der Strahlpositionierungseinheit steuerungstechnisch verbunden ist.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit weiterhin steuerungstechnisch mit der optischen Steuereinheit, insbesondere mit dem Array von Mikroscannern, und der Strahlselektionseinheit verbunden ist.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, für die verschiedenen Stellen des Master-Scanbereichs auf dem Werkstück jeweils
    1. a. eine erste Anzahl und räumliche Anordnung der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen zu ermitteln;
    2. b. eine zweite Anzahl und räumliche Anordnung der aus dem optischen Pfad abzuleitenden oder zu absorbierenden Teilstrahlen zu ermitteln;
    3. c. die Ableitung bzw. Absorption der gemäß Schritt b. ermittelten Anzahl und räumlichen Anordnung von Teilstrahlen zu veranlassen;
    4. d. für jeden der auf das Werkstück zu richtenden Teilstrahlen innerhalb des vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs des jeweiligen Teilstrahls eine Position zu ermitteln und über eine entsprechende Auslenkung des dem jeweiligen Teilstrahl zugeordneten Mikroscanners des Arrays von Mikroscannern einzustellen und/oder für eine vorgegebene Anzahl an Teilstrahlen einen Scanpfad zu ermitteln und eine Scanbewegung der jeweiligen Teilstrahlen durch Ansteuern der den jeweiligen Teilstrahlen zugeordneten Mikroscanner auszuführen.
  • Die unter den voranstehenden Ziffern a. und b. beschriebenen Bedingungen definieren die Gestalt eines zur Bearbeitung an einer bestimmten Position benötigten zweidimensionalen Spotarrays. Die Zahl der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen bzw. der darauf abgebildeten Laserspots, sowie die räumliche Anordnung oder Verteilung der Laserspots, hängt insbesondere von der Anzahl der Bearbeitungsstellen auf dem Werkstück bzw. deren zweidimensionaler räumlicher Verteilung ab. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die optische Steuereinheit und/oder die Strahlselektionseinheit anzusteuern. Nur so kann die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß den unter a. bis c. beschriebenen Bedingungen betrieben werden. Über die Steuereinheit kann beispielsweise veranlasst werden, dass über einen der optischen Steuereinheit zugehörigen Mikroscanner, insbesondere die Justierung einer Stellung des Mikroscanners, ein Teilstrahl in Richtung einer Strahlselektionseinheit abgelenkt wird. Gleichsam kann auch die Strahlselektionseinheit von der Steuereinheit dahingehend angesteuert werden, dass ein Teilstrahl aus dem Strahlengang abgelenkt, absorbiert oder anderweitig entfernt wird, beispielsweise durch Einblenden einer Blende oder einer Strahlfalle in den Strahlengang eines an der reflektiven optischen Funktionseinheit reflektierten Teilstrahls.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Strahlteilungseinheit, die reflektive optische Funktionseinheit und die Strahlpositionierungseinheit anzusteuern. Je nach Bearbeitungsaufgabe und der benötigten Anzahl an einer bestimmten Stelle des Werkstücks auf dieses zu richtenden Teilstrahlen, wird über die Steuereinheit eine entsprechende Ansteuerung der Strahlteilungseinheit, der reflektiven optischen Funktionseinheit, insbesondere jedes einzelnen Mikroscanners und der Strahlpositionierungseinheit vorgenommen. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinheit zudem befähigt, eine mit einer Werkstückaufnahme verbundene Positionierungseinheit (z.B. einen xy-Tisch) zu positionieren und/oder zu bewegen.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine in Bezug zu dem zweiten Strahlweg nachgelagert zu der Strahlpositionierungseinheit angeordnete Fokussieroptik vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, die (auf das Werkstück gerichteten) Teilstrahlen unter Ausbildung von Laserspots auf das Werkstück zu fokussieren. Beispielsweise kann die Fokussieroptik als Linse ausgebildet sein, bevorzugt als F-Theta-Linse, die auch als Planfeldlinse bezeichnet wird. Auch eine F-Sin(theta) korrigierte Linse kann als Fokussieroptik zum Einsatz kommen. Dabei ist unter einer Linse in diesem Zusammenhang auch ein aus mehreren Linsen zusammengesetztes komplexes Linsensystem zu verstehen. Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung eignet sich ferner dazu etwaige Verzeichnungsfehler der F-theta Linse durch entsprechende Positionierung der Teilstrahlen zu kompensieren.
  • Die mit der Erfindung vorgeschlagene Laserbearbeitungsvorrichtung kann eine Laserstrahlungsquelle aufweisen, mit der ein gepulster Laserstrahl erzeugt werden kann. Typische Pulswiederholraten liegen dabei im Bereich zwischen einigen Hertz bis einigen Megahertz. Für eine hochqualitative Materialbearbeitung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Pulsdauer weniger als 100 ns beträgt, bevorzugt weniger als 10 ns, insbesondere weniger als 1 ns. In diesem Pulsdauerbereich überwiegen bei der Materialbearbeitung thermisch bedingte Effekte. Die Pulse können dabei mit mittleren Leistungen von mehr als 10 W, sogar mehr als 40 W appliziert werden. Pro Teilstrahl können je nach Anwendung mittlere Leistungen von wenigen 50 - 500 mW aber auch mittlere Leistungen von 10-50 W vorliegen.
  • Wird gepulste Laserstrahlung mit einer kürzeren Pulsdauer eingesetzt, so gewinnen Effekte an Einfluss, die mit der Deposition vergleichbar sehr hoher Energiemengen in sehr kurzer Zeit einhergehen, d.h. mit hohen Peakleistungen. Bei diesen Effekten kann es sich insbesondere um Sublimationseffekte handeln, bei denen das Material des Werkstücks schlagartig lokal verdampft, d.h. solche Effekte, bei denen anstelle einer Materialumlagerung ein Materialabtrag erfolgt. Hier hat sich der Einsatz von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von weniger als 100 ps, insbesondere bevorzugt weniger als 10 ps und ganz besonders bevorzugt weniger als 1 ps als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere Pulsdauern im Bereich von einigen Hundert Femtosekunden bis zu etwa 10 ps lassen einen gezielten Materialabtrag durch Sublimation zu. Typische Pulswiederholraten liegen zwischen 50 und 2000 Hz. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Pulsenergien können im Bereich von 5 bis 5000 µJ für den Laserstrahl vor der Strahlteilung betragen.
  • Zukünftig zur Verfügung stehende Laserstrahlungsquellen mit noch kürzeren Pulsdauern sind ebenfalls vorteilhaft im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar.
  • Allerdings kann auch die Verwendung von gepulster Laserstrahlung mit noch längeren Pulsdauern als den vorstehend genannten 100 ns sinnvoll sein, beispielsweise wenn bestimmte Wellenlängen für die Bearbeitungsaufgabe erforderlich sind, oder eine langsamere Energiedeposition vorteilhaft ist, beispielsweise um eine gezielte lokale Erwärmung zur Initiation einer lokalen Bearbeitungsreaktion, die auch chemischer Natur sein kann, wie das Auslösen einer Polymerisationsreaktion, zu erzielen und gleichzeitig einen vorzeitigen Materialabtrag zu vermeiden.
  • Die vorliegende Erfindung ist zwar nicht auf die Verwendung eines Lasers mit einer bestimmten Wellenlänge beschränkt, vorteilhaft ist bei Reparaturprozessen von Fehlstellen allerdings die Verwendung eines UV-Lasers als Laserstrahlungsquelle, wobei die Laserstrahlungsquelle vorzugsweise einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 355 nm, 343 nm, 266 nm oder 257 nm erzeugt. Bei der ablatierenden Bearbeitung eines Werkstücks mit einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung kann die Wellenlänge dahingehend ausgewählt werden, dass Laserstrahlung von dem zu ablatierenden Material absorbiert wird. Laserstrahlung mit Wellenlängen im Nahinfrarot und VIS Bereich ist für Reparaturprozesse weniger geeignet, es sei denn man verwendet kurze Pulsdauern im piko- und femtosekunden-Bereich. Bevorzugt ist die Laserstrahlungsquelle dazu eingerichtet, monochromatische Laserstrahlung zu erzeugen. Je nach Bearbeitungsaufgabe können aber auch breitbandige Laserstrahlungsquellen vorteilhaft sein. Für die ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasste Applikation der Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. des Verfahrens beim Laserbohren ist die Verwendung von IR- (insbesondere 1030 nm, 1064 nm) Lasern und VIS- (515 nm, 532 nm) Lasern vorteilhaft.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann zwischen der Strahlteilungseinheit und der Fokussiereinheit eine Maske angeordnet sein, die dazu eingerichtet ist, Teilstrahlen von höherer oder unerwünschter Ordnung herauszufiltern. Auch kann die Maske dazu vorgesehen und eingerichtet sein, ungebeugte Anteile der Laserstrahlung herauszufiltern.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung kann die Laserbearbeitungsvorrichtung ein Lambda-Viertel-Verzögerungselement aufweisen. Dieses Verzögerungselement erlaubt die Anpassung der Polarisationsrichtung der erzeugten Laserstrahlung, beispielsweise von linearer Polarisation zu zirkularer Polarisation.
  • Mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. im Wege des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf einem zu bearbeitenden Werkstück durch die auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen ein Array von Bearbeitungspunkten (Foki) ausgebildet werden, die eine identische z-Fokuslage aufweisen. Die Positionen der einzelnen Bearbeitungspunkte (Teilstrahlen bzw. der zugehörigen Laserspots) aus dem Array der Bearbeitungspunkte weist dabei eine Grundordnung auf, die durch die Winkelverteilung der Strahlteilungseinheit vorbestimmt ist. Durch die Möglichkeit der individuellen Ablenkung jedes Teilstrahls mittels des Arrays von Mikroscannern kann ein jeder Bearbeitungspunkt in einem gewissen Bereich (dem Teilstrahl-Scanbereich) über das Werkstück bewegt bzw. positioniert werden. Der Teilstrahl-Scanbereich jedes Teilstrahls ist dabei (aufgrund der telezentrischen Strahlführung) prinzipbedingt immer kleiner als der Abstand zwischen zwei Bearbeitungspunkten. Im Gegensatz dazu können die Teilstrahl-Scanbereiche bei nicht-telezentrischer Strahlführung auf dem Werkstück überlappen. Weiterhin kann über die Ablenkung eines Teilstrahls in die Strahlselektionseinheit ein bestimmter Bearbeitungspunkt komplett ausgeblendet werden. Somit ergibt sich eine flexible Anordnung von Laserspots auf dem Werkstück.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jene der Laserbearbeitungsvorrichtung zugehörigen Bauelemente, insbesondere die Strahlteilungseinheit, die Fokussiereinheit, der Linsenarray und der Array von Mikroscannern, in Bezug auf ihre Beabstandung und Brennweiten dahingehend angeordnet bzw. ausgebildet sind, dass eine in der Strahlteilungseinheit vorliegende Strahlteilungsebene auf die einzelnen Mikroscanner abgebildet wird und weiterhin die Mikroscanner-Ebene in einer gemeinsamen Ebene abgebildet wird, wobei sich einzelne, den Teilstrahlen zugeordnete optische Kanäle - auch bei Änderung einer individuell eingestellten Teilstrahlrichtung - in einem Kreuzungspunkt in der Ebene kreuzen.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung einer mit der Erfindung vorgeschlagenen Laserbearbeitungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Strahlpositionierungseinheit und/oder die Fokussieroptik dahingehend angeordnet ist/sind, dass die Eintrittspupille der Fokussieroptik in dem Kreuzungspunkt oder einem Kreuzungsbereich der Teilstrahlen angeordnet ist. Jener Ort, an welchem die Teilstrahlen (idealerweise) zusammenlaufen (Kreuzungspunkt) ist der ideale Ort, um die Eintrittspupille der Fokussieroptik, insbesondere des F-theta Objektivs, zu wählen. Anstelle eines definierten Kreuzungspunktes kann sich die Teilstrahlen aber auch über einen sich im Raum erstreckenden Kreuzungsbereich erstrecken.
  • In einer weiteren Alternative der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die optische Funktionseinheit einen Treppenspiegel umfasst, der anstelle oder in Kombination mit der Fokussiereinheit vorgesehen ist, wobei der Treppenspiegel dazu eingerichtet ist, eine zur Ausbreitungsrichtung der Teilstrahlen verkippte Fokusebene zu erzeugen. Durch einen Treppenspiegel im konvergenten (oder divergenten) Strahlengang kann ein Bündel aus Teilstrahlen so umgelenkt werden, dass die Ebene der Foki einen Winkel zur (parallelen) Ausbreitungsrichtung aufweisen. Damit lässt sich die Funktion der Fokussiereinheit mit versetztem Bündel auch über einen Treppenspiegel lösen. Die Abstände der einzelnen Foki der Teilstrahlen können dabei skaliert werden, ohne den spektralen Fehler der Teilstrahlen zu erhöhen. Der Aufbau des Treppenspiegels ist dabei so gestaltet, dass die einzelnen Spiegelfacetten parallel zueinander, aber nicht in einer Ebene liegen. Dies erlaubt auch für ein telezentrisches Bündel aus Teilstrahlen die Bündel in einer Ebene zu fokussieren, die einen von der Senkrechten abweichenden Winkel zur Ausbreitungsrichtung der Bündel aufweist. Für eine zweidimensionale Anordnung an Laserteilstrahlen sind für jeden Teilstrahl zwei zueinander unter einem Winkel angeordnete Umlenkungen durch die Facetten eines Treppenspiegels erforderlich.
  • Die vorangehend beschriebene Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. das zugehörige Verfahren erfüllt unter anderem den Zweck eine Anzahl von Laser-Teilstrahlen bzw. die zugehörigen Laserspots (in anderen Worten einen Array von Laserfoki) auf ein Werkstück abzubilden und diese Laserspots individuell zu positionieren und/oder zu bewegen. Bei einer solchen Laserbearbeitungsvorrichtung kann unter Einsatz einer Strahlteilungseinheit (z.B. eines DOE) eine Strahlteilung erfolgen. Durch eine Fokussiereinheit (Fokussieroptik) werden Foki der Teilstrahlen in einer (ggf. virtuellen) Zwischenebene erzeugt. Wie vorangehend ausführlich beschrieben, werden die Teilstrahlbündel auf dem ersten Strahlweg mit einem Linsenarray auf ein Array an Mikroscannern kollimiert. Die dort abgelenkten Teilstrahlbündel werden auf dem zweiten Strahlweg wiederum durch das Linsenarray fokussiert (allerdings unter einem anderen Winkel) und durch die Fokussieroptik kollimiert.
  • Die beschriebene Laserbearbeitungsvorrichtung zeichnet sich durch dadurch aus, dass die Mikroscanner als Array von nebeneinander angeordneten Mikroscannern angeordnet werden und der (laterale) Abstand der Mikroscanner zueinander sowohl dem (lateralen) Linsenabstand des Linsen-Arrays als auch dem Abstand der Fokuspunkte in der genannten Zwischenebene entspricht. Durch eine solche Anordnung wird einerseits ermöglicht, dass die Telezentrie beim Scannen der individuellen Laserspots erhalten bleibt, andererseits kann eine Skalierung der Anzahl der Mikroscanner einfach bewerkstelligt werden, indem das Array erweitert wird.
  • Kommen derartige Mikroscanner in Form von Einzelscannern (Scannen eines Teilstrahls) zum Einsatz (beispielsweise aus technologischen Gründen), die große Abstände zueinander erfordern, stellt das notwendige feste Verhältnis der lateralen Abstände des Linsenarrays, dem Array der Mikroscanner sowie der Zwischenfoki einen erheblichen Nachteil bzw. eine Limitierung dar. Denn die großen Abstände der Foki in der Zwischenebene erfordern eine lange Brennweite der Fokussieroptik, wenn gleichzeitig kleine Winkelabstände der Teilstrahlbündel an der Strahlpositionierungseinheit erreicht werden sollen. Je kleiner das Array aus Laserspots auf dem zu bearbeitenden Werkstück werden soll, je länger müssen die Brennweiten der Fokussierung gewählt werden. Entsprechend steigt damit auch die Gesamtsystemlänge und Baugröße der Laserbearbeitungsvorrichtung. In der Praxis führt dies zu deutlichen Einschränkungen in der Verwendung konventioneller Mikroscanner, die aufgrund der Baugröße Abstände von einigen Zentimetern zueinander erfordern.
  • Um diese Einschränkung zu umgehen, kann von der Anordnung der Mikroscanner in Form eines Arrays von Mikroscannern, die in einer Ebene parallel zum Linsenarray angeordnet sind, abgewichen werden. Dies erfolgt indem eine zusätzliche Umlenkung der Teilstrahlbündel zwischen Linsenarray und Mikroscannern vorgenommen wird. Die Mikroscanner können sodann an unterschiedlichen Raumpositionen angeordnet werden. Grundsätzlich sei an dieser Stelle betont, dass unter dem Begriff „Array“ im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht nur eine gleichmäßige Anordnung einer Mehrzahl von Mikroscannern in einer Ebene zu verstehen ist, sondern auch eine davon abweichende „Anordnung“ der Mikroscanner im dreidimensionalen Raum oder einer Ebene.
  • Die Umlenkung kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch bereitgestellt werden, dass zwischen dem Linsenarray und den Mikroscannern eine Spiegelvorrichtung angeordnet ist, die dahingehend angeordnet und eingerichtet ist, dass die auf dem ersten Strahlweg durch den Linsenarray hindurchtretenden Teilstrahlen jeweils in Richtung eines der Mikroscanner gelenkt werden, sowie die an den Mikroscannern reflektierten Teilstrahlen auf dem zweiten Strahlweg jeweils in Richtung des Linsenarrays gelenkt werden. Bezogen auf den optischen Pfad können die Teilstrahlen beispielsweise radial nach außen geleitet werden, wodurch die Laserbearbeitungsvorrichtung kompakter ausgeführt werden kann. Unter Einsatz einer solchen Spiegelvorrichtung, können je nach Aufbau, Größe, Zahl von Spiegelflächen oder Spiegeln der Spiegelvorrichtung eine Vielzahl unterschiedlicher Strahlumlenkungen und Anordnungen der Mikroscanner ermöglicht werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Spiegelvorrichtung eine Mehrzahl von Spiegelflächen aufweisen, wobei eine jede Spiegelfläche dazu eingerichtet ist, einen auf dem ersten Strahlweg durch den Linsenarray hindurchtretenden Teilstrahl in Richtung eines der Mikroscanner abzulenken, sowie einen an einem der Mikroscanner reflektierten Teilstrahl auf dem zweiten Strahlweg in Richtung des Linsenarrays abzulenken. Die Spiegelvorrichtung kann insbesondere ein Pyramidenspiegel sein (auch andere Formen sind möglich). Weist die Laserbearbeitungsvorrichtung beispielsweise eine Anordnung von 2 x 2 Mikroscannern auf, also insgesamt vier Mikroscanner, so kann beispielsweise ein Pyramidenspiegel mit vier Spiegelflächen als Spiegelvorrichtung eingesetzt werden, um über jede der vier Spiegelflächen jeweils einen von vier im Wege einer Strahlteilung erzeugten Teilstrahlen auf je einen der vier Mikroscanner zu lenken und nach Reflexion des Teilstrahls wieder in Richtung des Linsenarrays zu lenken. Eine solche Anordnung ermöglicht, die Mikroscanner in unterschiedlichen Ebenen anzuordnen, wobei die Ebenen jeweils in einem Winkel, vorzugsweise senkrecht, zur Linsenebene stehen. Dadurch wird Bauraum eingespart und die Laserbearbeitungsvorrichtung kann kompakter ausgeführt werden. Durch eine solche Umlenkung der Teilstrahlen, lässt sich der freie Abstand zwischen den Mikroscannern im Verhältnis zum Linsenarray und der Abstände der Zwischenfoki vergrößern, so dass die Laserbearbeitungsvorrichtung insgesamt kompakter ausgeführt werden kann, und mehr Bauraum für die Anordnung der Mikroscanner verfügbar ist.
  • Bei Mikroscanner-Anordnungen mit mehr als 2 x 2 Mikroscannern kann darüber hinaus die Umlenkung in verschiedenen Ebenen entlang der Strahlpropagation erfolgen, so dass ebenfalls eine Trennung der Anordnungspositionen der Mikroscanner (im Vergleich zur Anordnung in einer gemeinsamen Ebene) erfolgen kann.
  • Bezogen auf die vorliegende Erfindung kann dazu vorgesehen sein, dass die Spiegelvorrichtung eine Mehrzahl von Spiegeln umfasst, wobei eine erste Anzahl der Spiegel in einer ersten Spiegelebene und eine zweite Anzahl der Spiegel in einer zweiten Spiegeleben angeordnet sind, wobei die Spiegelebenen vorzugsweise senkrecht zum optischen Pfad bzw. zur Symmetrieachse und beabstandet zu einander angeordnet sind.
  • Dabei können die in den Spiegelebenen angeordneten Spiegel in einem Winkel zu den Spiegelebenen angeordnet sein. Die einzelnen Spiegel können - je nach baulicher Situation der Laserbearbeitungsvorrichtung und Anzahl von Mikroscannern - unterschiedliche Winkel oder Ausrichtungen annehmen. Dabei ist ein jeder Spiegel dazu eingerichtet, einen auf dem ersten Strahlweg durch den Linsenarray hindurchtretenden Teilstrahl in Richtung eines der Mikroscanner zu lenken, sowie einen an einem der Mikroscanner reflektierten Teilstrahl auf dem zweiten Strahlweg in Richtung des Linsenarrays zu lenken.
  • Weiterhin ist denkbar, dass anstelle von Mikrospiegeln bzw. MEMS-Spiegeln/MEMS-Scannern, zweiachsige Einspiegelscanner als Mikroscanner verwendet werden, wobei die Einspiegelscanner vorzugsweise motorisiert sind. Unter einem zweiachsigen Einspiegelscanner ist ein Scansystem zu verstehen, dass einen Spiegel umfasst, der um zwei, vorzugsweise senkrecht zueinanderstehende, Achsen dynamisch kippbar ist. Die Bewegbarkeit der Einspiegelscanner kann piezobasiert, galvanometerbasiert oder servomotorisiert erfolgen.
  • Weiterhin ist denkbar, anstelle von Mikrospiegeln bzw. MEMS-Spiegeln/MEMS-Scannern, Galvanometer-Scanner als Mikroscanner einzusetzen. Erfindungsgemäß können die Mikroscanner also Galvanometerscanner sein, wobei ein jeder Galvanometerscanner zwei Spiegelelemente mit separaten Scanner-Achsen umfasst, und wobei ein jeder Mikroscanner dazu eingerichtet ist, einen darauf auftreffenden Teilstrahl in zwei Koordinatenrichtungen abzulenken. Durch die Trennung der Scannerachsen auf zwei Spiegelelemente kann zwar keine perfekte Telezentrie erreicht werden. Diese geringe Abweichung stellt aber auch bei heutigen Einstrahl-Scannersystemen keine große Einschränkung dar.
  • Sämtliche der vorbeschriebenen Ausgestaltungen der Laserbearbeitungsvorrichtung können auch in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen desselbigen bereitstellen.
  • Weitere Vorteile, Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren stehen, sind anhand eines nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels genauer erläutert. Dieses soll dem Fachmann die Erfindung verdeutlichen und ihn die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen, ohne jedoch die Erfindung zu beschränken. Die anhand des Ausführungsbeispiels beschriebenen Merkmale können ebenfalls zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung wie auch des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden. Das Ausführungsbeispiel wird anhand der Figuren näher erläutert. Dort zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung oder dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitbaren Werkstückoberfläche mit einer periodischen Anordnung von Bearbeitungsstellen, wobei nur eine vorgegebene Anzahl der Bearbeitungsstellen einer Bearbeitung unterzogen werden sollen (z.B. Fehlstellen oder Bohrungen) sowie einer zweidimensionalen Laserspotanordnung, die mit einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung auf der Werkstückoberfläche abgebildet werden kann;
    • 2 eine schematische Ansicht einer zweidimensionalen Laserspotanordnung, die mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung auf der Werkstückoberfläche abgebildet werden kann, wobei dargestellt ist, dass erfindungsgemäß eine beliebige Anzahl von Laserspots in beliebiger räumlicher Anordnung auf dem Werkstück abgebildet werden kann;
    • 3 eine schematische Ansicht einer zweidimensionalen Laserspotanordnung, die mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung auf der Werkstückoberfläche abgebildet werden kann, wobei dargestellt ist, dass erfindungsgemäß ein jeder Teilstrahl bzw. ein zugehöriger Laserspot innerhalb eines Teilstrahl-Scanbereichs an unterschiedlichen Positionen positioniert werden kann, nämlich an den tatsächlich zu bearbeitenden Stellen;
    • 4 eine schematische Ansicht einer zweidimensionalen Laserspotanordnung, die mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung auf der Werkstückoberfläche abgebildet werden kann, wobei dargestellt ist, dass die Teilstrahlen bzw. zugehörigen Laserspots simultan und synchron einer gemeinsamen Scanbewegung unterzogen werden;
    • 5 eine schematische Ansicht einer zweidimensionalen Laserspotanordnung, die mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung auf der Werkstückoberfläche abgebildet werden kann, wobei dargestellt ist, dass die Teilstrahlen bzw. zugehörigen Laserspots einer individuellen Scanbewegung unterzogen werden;
    • 6a den schematischen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
    • 6b ein Beispiel eines möglichen Strahlverlauf in einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß 6a;
    • 7, 8 eine schematische Ansicht zum Funktionsprinzip jener der Laserbearbeitungsvorrichtung zugehörigen optischen Steuereinheit, insbesondere der Mikroscanner;
    • 9 eine schematische Perspektivansicht eines Teils der Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
    • 10 eine schematische Schnittansicht eines Teils der Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
    • 11 eine schematische Schnittansicht eines Teils der Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Die mit der Erfindung vorgeschlagene Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. das zugehörige Verfahren eignet sich dazu in einem Werkstück 2 bzw. an einer zugehörigen Oberfläche gleichzeitig mehrere Bearbeitungsstellen 1 zu bearbeiten oder zu reparieren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Reparatur von Displays bzw. Displaykomponenten, beispielsweise OLED Displays oder miniLED Displays. Besonders bevorzugt ist die vorliegende Erfindung (Laserbearbeitungsvorrichtung, Verfahren) auch zur Ausführung von Bohrprozessen (beispielsweise an keramischen Werkstoffen) geeignet. An den genannten Bearbeitungsstellen können also einerseits statische Bearbeitungsprozesse, andererseits aber auch eine scannende Bearbeitung durchgeführt werden. Die hier genannten Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung sind nicht abschließend.
  • Wie schon eingangs beschrieben, eignet sich die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. das zugehörige Verfahren insbesondere zur Bearbeitung von Bearbeitungsstellen 1 eines Werkstücks 2, z.B. von Fehlstellen oder Bohrpositionen). Bevor im Einzelnen auf Details der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung eingegangen wird, sei das Grundprinzip der grundsätzliche Bearbeitungsprinzip, auf welchem die Erfindung basiert, allgemein anhand der 1 bis 5 erläutert.
  • Die 1 zeigt schematisch ein zu bearbeitendes Werkstück 2 mit einem (periodischen) Gitter bzw. Muster aus einer Mehrzahl von grundsätzlich bearbeitbaren Bearbeitungsstellen 1. Die grundsätzlich bearbeitbaren Bearbeitungsstellen 1 können beispielsweise eine periodische Struktur von Pixeln des Werkstücks 2 darstellen. Vorliegend ist eine Matrix von möglichen Bearbeitungsstellen 1 wiedergegeben, von denen bestimmte Bearbeitungsstellen 1 zur Bearbeitung vorgesehen sind (sei es z.B. zur Reparatur oder zur Ausführung eines Bohrvorgangs an den genannten Stellen). Vorliegend sind beispielhaft drei der grundsätzlich bearbeitbaren Bearbeitungsstellen 1 bzw. Pixeln mit einem Kreuz gekennzeichnet, was repräsentieren soll, dass an diesen Stellen eine entsprechende Laserbearbeitung vorgenommen werden soll. Die Bearbeitungsstellen 1 können Sub-Strukturen aufweisen (nicht dargestellt). Nachfolgend sei gedanklich angenommen, dass die gekennzeichneten Bearbeitungsstellen 1 im Wege einer Laserbearbeitung bearbeitet (z.B. repariert oder gebohrt) werden müssen, beispielsweise aufgrund lokaler Material-Inhomogenitäten, Schichtdickenabweichungen oder einer gewünschten Bohrung etc.
  • Die 1 zeigt ferner eine Konfiguration von Laserspots 17, bzw. einen zweidimensionalen Array von drei mal drei Laserspots 17, die innerhalb eines Master-Scanbereichs SM angeordnet und auf dem Werkstück 2 abgebildet sind. Der Master-Scanbereich SM definiert einen jenen Bereich, der durch Projektion der Teilstrahlen T auf die Werkstückoberfläche grundsätzlich einer Laserbearbeitung zugänglich ist, also ohne eine zusätzliche Positionierung des Werkstücks 2 relativ zur Laserbearbeitungsvorrichtung oder umgekehrt. Dies schließt jedoch nicht aus, dass auch die innerhalb des Master-Scanbereichs SM liegenden Teilstrahlen T bzw. Laserspots 17 gemeinsam (also der Master-Scanbereich SM ) gegenüber dem Werkstück 2 oder das Werkstück 2 gegenüber dem Master-Scanbereich SM bzw. den darin angeordneten Teilstrahlen T (bzw. Laserspots 17) verschoben werden können. Dies kann beispielsweise unter Einsatz einer Strahlpositionierungseinheit 9 erfolgen, mit welcher die innerhalb des Master-Scanbereichs SM liegenden Teilstrahlen T synchron und simultan auf der Oberfläche des Werkstücks 2 verschoben werden können. Auch ist es möglich, lediglich eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen T auf dem Werkstück 2 abzubilden und synchron und simultan auf der Oberfläche des Werkstücks 2 zu bewegen und/oder zu positionieren (auch dies kann über eine Strahlpositionierungseinheit 9 erfolgen). Betont sei, dass eine Relativverschiebung von auf dem Werkstück 2 abgebildeten Laserspots 17 auch durch Bewegen oder Positionieren des Werkstücks 2 relativ zu statisch ausgerichteten (oder sich bewegenden) Teilstrahlen T erfolgen kann.
  • Die Laserspots 17 resultieren erfindungsgemäß aus einer in der Laserbearbeitungsvorrichtung vorgenommenen Strahlteilung eines Laserstrahls L mit einer Strahlteilungseinheit 5 (siehe dazu 6). Eine der Kernideen der Erfindung ist es, aus dem Array der Laserspots 17 einerseits nur diejenigen Laserspots 17 über eine entsprechende Teilstrahlselektion auszuwählen und auf dem Werkstück 2 abzubilden, welche zur Bearbeitung der vorliegenden Bearbeitungsstellen 1 notwendig sind, im Beispiel nach 2 also drei Laserspots 17. Gleichsam ist es - wie erwähnt - aber auch möglich mit der maximalen Anzahl der Teilstrahlen T bzw. der zugehörigen Laserspots 17 (die maximale Anzahl wird durch die Strahlteilungseinheit 5 festgelegt) eine parallele Bearbeitung an den Bearbeitungsstellen 1 eines periodischen Bearbeitungsmusters vorzunehmen.
  • In dem Beispiel nach 1 sind die drei mal drei auf dem Werkstück 2 abgebildeten Laserspots 17 jedoch nicht auf die zu bearbeitenden Bearbeitungsstellen (siehe die mit einem Kreuz gekennzeichneten Bearbeitungsstellen 1) gerichtet. Die Laserbearbeitungsvorrichtung ist jedoch - wie erwähnt - dazu eingerichtet, auch nur eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen T (bzw. zugehörigen Laserspots 17) einer maximal möglichen Anzahl von Teilstrahlen T (bzw. Laserspots 17) auf das Werkstück 2 zu richten. In der 2 sind lediglich diejenigen Teilstrahlen T (bzw. die zugehörigen Laserspots 17) auf das Werkstück 2 gerichtet, in dessen Teilstrahl-Scanbereich ST die zu bearbeitenden Stellen (Kennzeichnung mit einem Kreuz) fallen. Bei dem Teilstrahl-Scanbereich ST handelt es sich um einen jenen Bereich eines Teilstrahls T, in welchem dieser bzw. ein zugehöriger Laserspot 17 (unabhängig von den anderen Teilstrahlen T) über eine der Laserbearbeitungsvorrichtung zugehörige optische Steuereinheit individuell und flexibel positioniert und oder gescannt werden kann. Der Scanbereich 20 ist in der 1 mit einem Pfeil schematisch illustriert. Bei einer Positionierung der Laserspots 17 getreu der 2 wäre keine Bearbeitung der mit dem Kreuz gekennzeichneten Bearbeitungsstellen 1 möglich. Entsprechend können die Laserspots 17 bzw. Teilstrahlen T innerhalb der jeweiligen Teilstrahl-Scanbereiche ST individuell positioniert werden (vgl. 3), nämlich im Bereich der tatsächlich zu bearbeitenden Stellen.
  • Nach der Positionierung der Laserspots 17 kann Bearbeitung der zu bearbeitenden Stellen erfolgen. Ohne Weiteres ist es aber auch möglich, die Teilstrahlen T bzw. Laserspots 17 einer Bearbeitungsbewegung zu unterziehen. Diese kann in einer ersten Variante- wie anhand der Pfeile in 4 illustriert - synchron und simultan verlaufen. Wie in der 4 dargestellt kann dabei auch nur eine vorgegebene Anzahl der auf das Werkstück 2 gerichteten Teilstrahlen T bzw. zugehörigen Laserspots 17 der genannten Bewegung unterzogen werden. Eine solche synchrone und simultane Bewegung von Teilstrahlen T bzw. Laserspots 17 wird vorzugsweise über eine Strahlpositionierungseinheit 9 bereitgestellt. Gleichsam kann auch das Werkstück 2 gegenüber statischen oder sich bewegenden Teilstrahlen T bewegt werden. Alternativ ist es auch möglich die jeweiligen auf das Werkstück 2 gerichteten Teilstrahlen T einer individuellen Bearbeitungsbewegung (Scanbewegung) innerhalb des Teilstrahl-Scanbereichs ST zu unterziehen. Die Bewegung erfolgt sodann nicht synchron, sondern individuell für jeden Teilstrahl T. Illustriert ist dies in der 5, in welche die unterschiedlichen Bewegungspfade der Scanbewegung der einzelnen Teilstrahlen T bzw. Laserspots 17 mit den dortigen - in unterschiedliche Richtungen weisenden Pfeilen bzw. Pfeilfolgen - angedeutet ist. Die individuelle Scanbewegung wird - wie noch zu erläutern ist - mit der optischen Steuereinheit ausgeführt.
  • Auf dem Werkstück 2 kann also eine beliebige Konfiguration von Laserspots 17 abgebildet werden (in Anpassung an ein Pattern von Bearbeitungsstellen oder Fehlstellen), dabei limitiert durch die maximale Anzahl von über die Strahlteilungseinheit 5 erzeugbaren Teilstrahlen T. Ohne eine Strahlselektion wird ein über die Strahlteilung vordefinierter Spotarray (z.B. ein 3 mal 3 Array) auf dem Werkstück 2 abgebildet (1).
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass solche Bearbeitungsstellen 1 in einem parallelisierten Bearbeitungsprozess simultan bearbeitet werden können, und zwar in einer beliebigen räumlichen Konfiguration. Bezogen auf das Beispiel der Fehlstellen-Reparatur ist das mit der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren im Vergleich zu Reparaturtechniken, die auf einer Einzelstrahl-Laserbearbeitung basieren, kostengünstiger und schneller.
  • Wie in den 1 bis 4 wiedergegeben, kann die mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Laserbearbeitungsvorrichtung eine Mehrzahl von aus einem Laserstrahl L gebildeten Teilstrahlen T auf das zu bearbeitende Werkstück 2 projizieren, auf dem Werkstück 2 kann also ein Array oder ein Bündel aus Teilstrahlen T abgebildet werden. Die Anzahl und die räumliche Anordnung der auf dem Werkstück 2 abgebildeten Teilstrahlen T kann flexibel eingestellt werden. Die Teilstrahlen T sind also flexibel schaltbar, d.h. es können ohne Weiteres auch nur einzelne der dem Array zugehörigen Teilstrahlen T auf das Werkstück 2 gerichtet werden (2). Mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung ist es also möglich, das Werkstück 2 selektiv an bestimmten Bearbeitungsstellen 1 mit Laserstrahlung (bzw. den von den Teilstrahlen T ausgebildeten Laserspots) zu beaufschlagen, an welchen zu bearbeitenden Stellen (siehe z.B. die mit einem Kreuz gekennzeichneten Bearbeitungsstellen 1 in 2 und 3) ausgebildet sind. Bei einer Fehlstellenreparatur kann beispielsweise an diesen Bearbeitungsstellen 1 vorliegendes, überschüssiges Material des Werkstücks 2 im Wege der Laserbearbeitung ablatiert werden. Es können also sowohl innerhalb eines vorgegebenen Master-Scanbereichs SM (damit ist ein von den auf das Werkstück 2 projizierten Teilstrahlen T aufgespannter Bearbeitungsbereich gemeint), als auch über diesen Scanbereich hinweg Bearbeitungsstellen 1 des Werkstücks 2 bearbeitet werden. Letzteres ist insbesondere durch eine Relativverschiebung des Werkstücks 2 in Bezug zu der positionsfesten Laserbearbeitungsvorrichtung möglich, alternativ auch durch Verschieben des Master-Scanbereichs SM in Bezug zur Werkstückoberfläche (z.B. über eine Strahlpositionierungseinheit 9), dargestellt z.B. in 4. Auch eine Kombination aus einer Relativverschiebung des Werkstücks 2 zur Laserbearbeitungsvorrichtung und einer von der Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere einer Strahlpositionierungseinheit 9, ausgeführten Scanbewegung des die auf das Werkstück 2 gerichteten Teilstrahlen T einschließenden Master-Scanbereichs SM , ist möglich.
  • Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Laserbearbeitungsvorrichtungen oder Verfahren ist die mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Laserbearbeitungsvorrichtung (sowie das Verfahren) nicht auf die Abbildung einzelner Reihen oder Spalten eines Arrays von Teilstrahlen T auf dem Werkstück 2 beschränkt, sondern es können geometrisch beliebige Kombinationen von Spotanordnungen auf dem Werkstück 2 bereitgestellt werden. Eine Festlegung auf ein bestimmtes räumliches Pattern oder eine Anzahl der Teilstrahlen T ist nicht notwendig, vielmehr können über die optische Steuereinheit (zu dieser kann auch eine Strahlselektionseinheit 16 gehören) beliebige Teilstrahlen T eines durch die Strahlteilungseinheit 5 bereitgestellten Bündels von Teilstrahlen T selektiert und in Richtung des Werkstücks 2 weitergeleitet werden.
  • Ein weiteres Kernmerkmal der Erfindung betrifft die individuelle Positionierbarkeit jedes Teilstrahls T in einem Teilstrahl-Scanbereich ST (3, 5), wobei der Teilstrahl-Scanbereich ST eine geringere laterale Ausdehnung umfasst als der vorgenannte Master-Scanbereich SM . Der Master-Scanbereich SM schließt also eine der Anzahl der auf das Werkstück 2 gerichteten Teilstrahlen T entsprechende Anzahl an Teilstrahl-Scanbereichen ST ein. Wie nachfolgend anhand der Beschreibung des konstruktiven Aufbaus der Laserbearbeitungsvorrichtung in Bezug zur 5 noch näher erläutert, lässt sich über eine optische Steuereinheit ein jeder der auf das Werkstück 2 gerichteten Teilstrahlen T individuell innerhalb eines Teilstrahl-Scanbereichs ST an unterschiedlichen Stellen positionieren (3) bzw. innerhalb dieses Bereichs bewegen (5). Die individuelle Positionierung bzw. Bewegung eines jeden Teilstrahls T innerhalb der jeweiligen Teilstrahl-Scanbereiche ST erfolgt unabhängig von den anderen Teilstrahlen T. Ein jeder der Teilstrahlen T ist über die optische Steuereinheit individuell steuerbar. Entsprechend eignet sich die mit der Erfindung vorgeschlagene Laserbearbeitungsvorrichtung nicht nur zur Bearbeitung von periodisch angeordneten Bearbeitungsmustern bzw. Bearbeitungsstellen 1, sondern auch zur Bearbeitung von nicht-periodisch oder teil-periodisch angeordneten Bearbeitungsstellen 1. In der 3 ist die individuelle Positionierbarkeit von den Teilstrahlen T zugehörigen Laserspots 17 kenntlich gemacht, wobei die Laserspots 17 nicht zentriert im Teilstrahl-Scanbereich ST angeordnet sind, sondern vielmehr in jenen Bereichen der zu bearbeitenden Stellen (mit einem Kreuz markierte Bearbeitungsstellen 1).Die 5 illustriert, dass die auf das Werkstück 2 gerichteten Teilstrahlen T bzw. die zugehörigen Laserspots 17 auch eine individuelle Scanbewegung erfahren können, die innerhalb der jeweiligen Teilstrahl-Scanbereiche ST ausgeführt wird. Dabei können die Scanbewegungen der einzelnen Teilstrahlen T bzw. Laserspots 17 unterschiedliche Bewegungspfade (dargestellt durch die Pfeilabfolgen) abfahren.
  • In der 6a ist der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung wiedergegeben. Bei der dortigen Darstellung handelt es sich um eine schematische Abbildung. In der 6b ist der konkrete Strahlverlauf an einem exemplarischen Beispiel indes im Detail wiedergegeben, nämlich für eine Strahlteilung eines von einer Laserstrahlungsquelle 3 erzeugten Laserstrahls L in drei Teilstrahlen T, die wiederrum jeweils drei Sub-Teilstrahlen Ts umfassen. Die Sub-Teilstrahlen Ts (dargestellt lediglich für einen der Teilstrahlen T) sind auf dem Werkstück 2 auf einen Laserspot fokussiert, weshalb in der vorliegenden Beschreibung unter einem Teilstrahl T bzw. einem dem Teilstrahl T zugehörigen Laserspot zu berücksichtigen ist, dass sich der Strahlverlauf auf eine Anzahl von Sub-Teilstrahlen Ts bezieht. In der 6b ist der Detailverlauf der Teilstrahlen T bzw. Sub-Teilstrahlen Ts ausgehend von einer Strahlteilungseinheit 5 bis zu einer Strahlpositionierungseinheit 9 wiedergegeben.
  • Zur Bearbeitung eines Werkstücks 2 mit einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung wird das Werkstück 2 in einer nicht dargestellten Werkstückaufnahme angeordnet. Die Werkstückaufnahme kann in Form eines in einer Horizontalebene verfahrbaren xy-Tischs ausgebildet sein.
  • Wie in der 6a gezeigt umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung zunächst eine Laserstrahlungsquelle 3 mit der ein Laserstrahl L erzeugt und entlang eines optischen Pfades 4 in Richtung des Werkstücks 2 ausgesendet wird, insbesondere in Form von Laserpulsen. Der Laserstrahlungsquelle 3 ist in Strahlrichtung eine Strahlteilungseinheit 5 nachgeordnet. Die Strahlteilungseinheit 5 ist dazu eingerichtet, den Laserstrahl L in eine Vielzahl von Teilstrahlen T aufzuteilen. Bei der Strahlteilungseinheit 5 kann es sich um ein - an sich bekanntes - diffraktives optisches Element (DOE) oder einen SLM handeln. Bereits mit der Strahlteilungseinheit 5 kann die Anzahl der Teilstrahlen T voreingestellt werden. Auch eine Grobeinstellung der in einer Ebene des Werkstücks 2 vorliegenden Abstände zwischen den Laserspots der Teilstrahlen T, lässt sich bereits mit der Strahlteilungseinheit 5 einstellen. Mit der Strahlteilungseinheit 5 lässt sich ein Laserstrahl L in Teilstrahlen T aufteilen, die auf dem Werkstück 2 ein zweidimensionales räumliches Muster von Laserspots 17 bereitstellen. Wie in der 6b zu erkennen, umfasst jeder Teilstrahl T eine Anzahl (hier drei) von Sub-Teilstrahlen Ts, die jedoch vorliegend zusammengefasst als Teilstrahlen T oder Hauptstrahlen Hs bezeichnet werden können. In der 6a ist nur der Verlauf der Hauptstrahlen Hs wiedergegeben.
  • Ausgehend von der Laserstrahlungsquelle 3 trifft also ein kollimierter Laserstrahl L auf die Strahlteilungseinheit 5 auf. Die Strahlteilungseinheit 5 teilt den Laserstrahl in ein Bündel gleicher Teilstrahlen T auf, die jeweils einen definierten Winkel zueinander aufweisen.
  • Zwischen der Laserstrahlungsquelle 3 und der Strahlteilungseinheit 5 kann ein Strahlformungselement vorgesehen sein (nicht dargestellt), mit welchem aus einem Laserstrahl L mit gaußförmiger Intensitätsverteilung, in Kombination mit der Strahlteilungseinheit 5, auf dem Werkstück eine Vielzahl von Teilstrahlen T mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung erzeugt werden kann, beispielsweise einer Top-Hat Intensitätsverteilung oder einer ringförmigen Intensitätsverteilung.
  • Die in den 6a und 6b gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung weist eine optische Funktionseinheit 7 auf, die zwischen der Strahlteilungseinheit 5 und einer reflektiven optischen Funktionseinheit 8 angeordnet ist. Dabei umfasst die optische Funktionseinheit 7 (diese kann - muss aber nicht -beispielsweise transmissiv ausgebildet sein) und eine Gruppe von hintereinander angeordneten optischen Funktionselementen 10, 12. So umfasst die (hier transmissive) optische Funktionseinheit 7 eine Fokussiereinheit 10 (diese kann beispielsweise aus hintereinander angeordneten Linsen oder Linsensystemen gebildet sein) und einen beabstandet zur Fokussiereinheit 10 angeordneten Linsenarray 11 von Linsen 12. Dabei weist der Linsenarray 11 in Bezug zur Anzahl von Mikroscannern 15 im Array 14 immer eine „Reihe“ oder „Spalte“ an Linsen 12 mehr auf.
  • Unter einer transmissiven optischen Funktionseinheit 7 ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die der transmissiven optischen Funktionseinheit zugehörigen Bauteile (die Fokussiereinheit 10 und der Linsenarray 11) von den Teilstrahlen T durchtreten werden. An der reflektiven optischen Funktionseinheit 8 hingegen, werden die Teilstrahlen T reflektiert.
  • Die dem Bündel von Teilstrahlen T zugehörigen Teilstrahlen T treten auf einem ersten Strahlweg bis zur Reflexion an der reflektiven optischen Funktionseinheit 8 durch die Fokussiereinheit 10 und den Linsenarray 11 hindurch (siehe zum Beispiel die Propagation des unteren Teilstrahls TH in 6a oder des oberen Teilstrahls T samt Sub-Teilstrahlen Ts in 6b). Nach der Reflexion der Teilstrahlen T an der reflektiven optischen Funktionseinheit 8 tritt zumindest ein Teil der dort reflektierten Teilstrahlen T auf einem zweiten Strahlweg erneut durch die optische Funktionseinheit 7, insbesondere den Linsenarray 11 und die Fokussiereinheit 10 hindurch. Im Anschluss an die Strahlteilung in der Strahlteilungseinheit 5, propagieren die Teilstrahlen T demnach als Bündel kollimierter Teilstrahlen T in Richtung der Fokussiereinheit 10. Durch die Fokussiereinheit 10 werden die Teilstrahlen T kollimiert und fokussiert.
  • Wie z.B. anhand des Verlaufs des Teilstrahls TH in 6a oder der Teilstrahlen T in 6b zu erkennen ist, tritt auf dem ersten Strahlweg ein jeder Teilstrahl T des Bündels von Teilstrahlen T durch eine dem jeweiligen Teilstrahl T zugeordnete Linse 12 des Linsenarrays 11 hindurch. Auch die Sub-Teilstrahlen Ts eines jeweiligen Teilstrahls T treten durch eine gemeinsame Linse 12 hindurch (6b). Auf dem zweiten Strahlweg tritt zumindest ein Teil der an reflektiven optischen Funktionseinheit 8 reflektierten Teilstrahlen T erneut durch eine dem jeweiligen Teilstrahl T zugeordnete Linse 12 des Linsenarrays 11 hindurch. Je nach Anzahl der auf das Werkstück 2 abzubildenden Teilstrahlen T kann ein Teil der reflektierten Teilstrahlen T von der reflektiven optischen Steuereinheit 8 in Richtung einer Strahlselektionseinheit 16 abgelenkt werden, wodurch der Teilstrahl T aus dem Strahlengang entfernt bzw. absorbiert wird. Es kann also vorgesehen sein, dass nicht sämtliche der auf dem ersten Strahlweg durch die Fokussiereinheit 10 und den Linsenarray 11 hindurchgetretenen Teilstrahlen T in Richtung des Werkstücks 2 gelangen, sondern zuvor (vorzugsweise auf dem zweiten Strahlweg) durch geeignete Mittel, aus dem Strahlengang abgelenkt bzw. entfernt werden. Die Entfernung bzw. Ablenkung eines Teilstrahls T aus dem Strahlengang kann entweder über eine eigens dazu vorgesehene Strahlselektionseinheit 16 erfolgen (diese kann einen Teilstrahl T aus dem Strahlengang ablenken, z.B. in Richtung einer Strahlfalle), oder ein Teilstrahl T wird durch die reflektive optische Funktionseinheit 8 in Richtung einer Strahlselektionseinheit 16 bzw. einer Strahlfalle gelenkt. Dadurch kann eine entsprechend der Anzahl der für die Bearbeitung an einer gegebenen Position des Master-Scanbereichs SM auf dem Werkstück 2 notwendigen Teilstrahlen T die entsprechende Anzahl nicht benötigter Teilstrahlen T aus Strahlengang der Teilstrahlen T abgelenkt oder entfernt werden.
  • Wie die 6a und 6b ferner zu erkennen geben, ist die Fokussiereinheit 10 derart angeordnet, dass eine Teilstrahlbündel-Achse AB vor dem Auftreffen der Teilstrahlen T auf der Fokussiereinheit 10 auf dem ersten Strahlweg in Bezug zu einer entlang des optischen Pfads 4 verlaufenden Symmetrieachse AF der Fokussiereinheit 10 versetzt ist. Der Versatz des Bündels von Teilstrahlen T bzw. der Teilstrahlbündel-Achse AB zur Symmetrieachse AF der Fokussiereinheit 10 bewirkt, dass die Teilstrahlbündelachse AB nach Hindurchtreten durch die Fokussiereinheit 10 unter einem Winkel zur Symmetrieachse AF der Fokussiereinheit 10 verläuft, eindrücklich dargestellt in 6b.
  • Weiterhin ist zu erkennen, dass das Bündel von Teilstrahlen T nach Hindurchtreten durch die Fokussiereinheit 10 auf dem ersten Strahlweg einen telezentrischen Strahlengang aufweist. Besonders gut zu erkennen ist dies in der Detaildarstellung der 6b. Wie dort wiedergegeben, setzen sich die Teilstrahlen T (hier ist exemplarisch ein Bündel aus drei Teilstrahlen T) dargestellt) jeweils aus einem Bündel aus einer vorgegebenen Anzahl von Sub-Teilstrahlen Ts auf (gezeigt für den obere Teilstrahl T). Unter einem telezentrischen Strahlengang ist zu verstehen, dass die Sub-Teilstrahlen Ts jeweils durch einen Hauptstrahl Hs beschrieben werden können, wobei die Hauptstrahlen Hs nach Hindurchtreten durch die Fokussiereinheit 10 parallel zu einander stehen. Die Hauptstrahlen Hs setzen sich aus Sub-Teilstrahlen Ts zusammen.
  • Die Teilstrahlen T des Bündels von Teilstrahlen T werden auf dem ersten Strahlweg in einer senkrecht zum optischen Pfad 4 bzw. zur Symmetrieachse AF der Fokussiereinheit 10 angeordneten Ebene E fokussiert, wobei die Ebene E vorzugsweise zwischen der Fokussiereinheit 10 und dem Linsenarray 11 angeordnet ist. Auch auf dem zweiten Strahlweg kann es vorteilhaft sein, die Teilstrahlen T des Bündels von Teilstrahlen T nach Hindurchtreten durch den Linsenarray 11 in der genannten Ebene E zu fokussieren.
  • Der Linsenarray 11 umfasst eine laterale (zwei-dimensionale) Anordnung von Linsen oder Linsensystemen 12, die in einer gemeinsamen Linsenebene 19 angeordnet sind, wobei die Linsenebene 19 senkrecht zum optischen Pfad 4 bzw. zur Symmetrieachse AF der Fokussiereinheit 10 angeordnet ist. Die Linsen 12 des Linsenarrays 11 sind dabei derart angeordnet, dass jeder Teilstrahl T (samt Sub-Teilstrahlen Ts) des Bündels von Teilstrahlen T jeweils eine Linse 12 durchläuft. Eine solche Anordnung ermöglicht eine Separation der Teilstrahlen in getrennte optische Kanäle. Jeder durch den Linsenarray 11 bzw. die einzelnen Linsen 12 hindurchtretende Teilstrahl T wird von der jeweiligen Linse 12 des Linsenarrays 11 kollimiert. Der Abstand zwischen der Fokussiereinheit 10 und dem Linsenarray 11 ist dahingehend ausgewählt, dass die Teilstrahlen T nach Hindurchtreten durch den Linsenarray 11 im Wesentlichen kollimiert sind. Nach Hindurchtreten der Teilstrahlen T durch den Linsenarray 11 propagieren die Teilstrahlen T in den jeweiligen optischen Kanälen auf dem ersten Strahlweg bis zum Auftreffen auf die reflektive optische Funktionseinheit 8. Insgesamt sind die Abstände und Brennweiten der optischen Bauelemente so gewählt, dass eine Strahlteilungsebene in der Strahlteilungseinheit auf die einzelnen Mikroscanner 15 abgebildet wird und ebenso die Mikroscanner 15 in eine gemeinsame Ebene abgebildet werden. Dies erfolgt durch Kombination der Fokussiereinheit 10 und den Linsenarray 11. Durch die genannte zweite Abbildung wird erreicht, dass sich die einzelnen optischen Kanäle - auch bei Änderung einer individuell eingestellten Teilstrahlrichtung - in einer Ebene kreuzen.
  • Die reflektive optische Funktionseinheit 8 ist gebildet aus einem Array 14 von reflektiven Mikroscannern 15. Der Array 14 von reflektiven Mikroscannern 15 ist vorzugsweise in einer lateralen zwei-dimensionalen Anordnung von reflektiven Mikroscannern 15 ausgebildet, wobei die Mikroscanner 15 in einer gemeinsamen Mikroscanner-Ebene 36 angeordnet sind. Die Mikroscanner-Ebene 36 verläuft senkrecht zum optischen Pfad 4 bzw. zur Symmetrieachse AF der Fokussiereinheit 10. Die reflektiven Mikroscanner 15 sind dabei derart angeordnet, dass jeweils ein Teilstrahl T (bzw. die zugehörigen Sub-Teilstrahlen Ts) von jeweils einem Mikroscanner 15 reflektiert wird. Der Einfallswinkel α eines jeden Teilstrahls T auf den jeweiligen reflektiven Mikroscanner 15 entspricht dabei ungefähr dem vorangehend erwähnten Winkel zwischen der Teilstrahlbündel-Achse AB und der Symmetrieachse AF der Fokussiereinheit 10. Entsprechend entspricht die Anzahl der reflektiven Mikroscanner 15 der Anzahl der entlang des ersten Strahlwegs verlaufenden Teilstrahlen T. Nach dem Auftreffen eines jeweiligen Teilstrahls T auf einen reflektiven Mikroscanner 15 wird der Teilstrahl T an diesem Mikroscanner 15 reflektiert.
  • Wie insbesondere in den 7 und 8 illustriert, kann mit einem jeweiligen Mikroscanner 15 einem auf dem Mikroscanner einfallenden Teilstrahl T im Vergleich zu einer simplen Reflexion nach dem Prinzip Einfallwinkel α = Ausfallwinkel β (7) ein zusätzlicher Winkelbeitrag x aufaddiert werden (8). Dies kann durch Verkippen des Mikroscanners 15 aus einer Grundstellung erfolgen. Wie in der 8 dargestellt, kann der Mikroscanner 15 dabei mit seiner Mikroscanner-Achse 36 relativ zu einer Mikroscanner-Ebene 18 verkippt werden. Die zusätzliche Winkeladdition ermöglicht letztlich einen zusätzlichen Versatz der auf dem Werkstück 2 abgebildeten Laserspots 17 und eine Positionierbarkeit bzw. Bewegbarkeit der Laserspots 17 innerhalb der jeweiligen Teilstrahl-Scanbereiche ST .
  • Mit den jeweiligen Mikroscannern 15 ist also ein Ablenkungswinkel der Teilstrahlen T flexibel einstellbar. Die Einstellung der Mikroscanner erfolgt vorzugsweise mechanisch, wobei die Einstellung der Ablenkungswinkel über eine mit dem Array 14 von Mikroscannern 15 oder den einzelnen Mikroscannern 15 verbundene Steuereinheit (nicht dargestellt) erfolgt.
  • Die erwähnte Winkeladdition führt nach dem erneuten Hindurchtreten der Teilstrahlen T durch den Linsenarray 11 auf dem zweiten Strahlweg zu einem lateralen Versatz des jeweiligen Fokuspunkts der Teilstrahlen T in der Ebene E. Folglich wirkt sich die mit den Mikroscannern 15 induzierte Winkelauslenkung auf die Position der auf das Werkstück 2 gerichteten Teilstrahlen T aus. Dabei wird die Ebene E (diese kann auch als Zwischenfokusebene bezeichnet werden) in die Bearbeitungsebene eines der Strahlpositionierungseinheit 9 zugehörigen Objektivs abgebildet.
  • Im Anschluss an die Reflexion an den Mikroscannern 15 propagieren die jeweiligen kollimierten Teilstrahlen T entlang des zweiten Strahlwegs erneut zum Linsenarray 11. Die Teilstrahlen T weisen nun - je nach Winkelauslenkung am reflektiven Array 14 von Mikroscannern 15 - eine zusätzliche Winkelauslenkung auf gegenüber einem Teilstrahl T der an einem Mikroscanner 15 in Grundstellung (gemäß 7) reflektiert wird. Das Bündel kollimierter Teilstrahlen T trifft wiederum auf den Linsenarray 11 auf. Dabei durchläuft ein im wesentlichen kollimierter Teilstrahl T genau eine Linse 12 des Linsenarrays 11. Umgekehrt wird jede Linse 12 des Linsenarrays 11 von genau einem Teilstrahl T des am Array 14 von Mikroscannern 15 reflektierten Teilstrahlbündels durchdrungen. Auf dem ersten Strahlweg (d.h. vom Strahlweg von der Fokussierlinse 10 bis zum Linsenarray 11) und dem zweiten Strahlweg (d.h. vom Strahlweg von dem Array 14 aus Mikroscannern 15 bis zum Linsenarray 11) durchdringt ein Teilstrahl T somit den Linsenarray 11 zweimal mit unterschiedlicher, insbesondere entgegengerichteter, Propagationsrichtung.
  • Wie in den 6a und 6b illustriert, tritt auf dem zweiten Strahlweg ein Teilstrahl TR (samt Sub-Teilstrahlen Ts, siehe 6b)durch eine Linse 12' des Linsenarrays 11 hindurch, die benachbart angeordnet ist zu einer Linse 12 des Linsenarrays 11, durch welche der Teilstrahl TH auf dem ersten Strahlweg hindurchtritt. Die Teilstrahlen T treten also auf dem ersten Strahlweg (dieser kann auch als Hinweg der Teilstrahlen T zur reflektiven optischen Funktionseinheit 8 bezeichnet werden) durch eine andere Linse 12 des Linsenarrays 11 hindurch als auf dem zweiten Strahlweg (dieser kann auch als Rückweg der Teilstrahlen T von der reflektiven optischen Funktionseinheit 8 bezeichnet werden). Die von einem einzelnen Teilstrahl T auf dem ersten und zweiten Strahlweg durchlaufenen Linsen 12, 12' sind bevorzugt - jedoch nicht zwingend - benachbart angeordnet. Erst dadurch wird bei sonst telezentrischer Anordnung eine Auftrennung (darunter ist hier eine Auftrennung in Raumwinkelrichtungen zu verstehen) der Kanäle im Hin- und Rückweg vom Array 14 von Mikroscannern 15 ermöglicht.
  • Wie schon erwähnt, und in den 6a und 6b dargestellt, treten die Teilstrahlen T auf dem zweiten Strahlweg als Bündel von Teilstrahlen T erneut durch die Fokussiereinheit 10 hindurch, wobei die Teilstrahlbündel-Achse AB vor dem Auftreffen der Teilstrahlen T auf die Fokussiereinheit 10 auf dem zweiten Strahlweg in Bezug zu der entlang des optischen Pfads 4 verlaufenden Symmetrieachse AF der Fokussiereinheit versetzt ist. Hervorzuheben ist an dieser Stelle, dass die Fokussiereinheit 10 die Teilstrahlen T des auf dem zweiten Strahlweg durch die Fokussiereinheit 10 hindurchtretenden Teilstrahlbündels konvergiert, d.h. die optischen Achsen der Teilstrahlen T laufen aufeinander zu (bei dem eingangs erwähnten telezentrischen Strahlverlauf treffen sich die Teilstrahlen gar an einem Raumpunkt). Die Symmetrie der Anordnung der Teilstrahlen um die gemeinsame Teilstrahlbündel-Achse AB ist allerdings im allgemeinen Fall gebrochen, da jeder Teilstrahl einen anderen Winkel aufweisen kann (aufgrund der individuellen Winkeladdition durch die reflektive optische Funktionseinheit 8). Vorzugsweise kollimiert die Fokussiereinheit 10 jeden Teilstrahl T durch die Fokussiereinheit 10 hindurchtretenden Teilstrahl.
  • Die im Ausführungsbeispiel nach 6a und 6b gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst zudem eine Strahlpositionierungseinheit 9, insbesondere in Form eines Galvanometerscanners, die dazu eingerichtet ist, eine Grobpositionierung der auf das Werkstück 2 gerichteten Teilstrahlen T relativ zu dem Werkstück 2 auszuführen, nämlich durch Positionieren eines die Teilstrahl-Scanbereiche ST einschließenden Master-Scanbereichs SM relativ zu dem Werkstück 2. An den jeweiligen über die Grobpositionierung eingestellten Positionen der Master-Scanbereiche SM (und damit der Teilstrahlen T) kann im Anschluss an die Grobpositionierung eine individuelle Feinpositionierung der Teilstrahlen T innerhalb vorgegebener Teilstrahl-Scanbereiche ST der jeweiligen Teilstrahlen T erfolgen. Mit der Strahlpositionierungseinheit 9 erfolgt also eine Zustellung aller auf das Werkstück 2 gerichteten Teilstrahlen T.
  • Mit der Strahlpositionierungseinheit 9 können die auf das Werkstück 2 gerichteten Teilstrahlen T über das Werkstück 2 bewegt werden, vorzugsweise synchron und simultan, nämlich durch Bewegen des die Teilstrahl-Scanbereiche ST einschließenden Master-Scanbereichs SM relativ zu dem Werkstück 2.
  • Die Strahlpositionierungseinheit 9 ist der optischen Steuereinheit 6 in Bezug auf die Strahlrichtung bzw. den Strahlengang nachgeordnet, der Strahlengang der Teilstrahlen T ist also dahingehend ausgebildet, dass die Teilstrahlen T erst im Anschluss an die Reflexion an der reflektiven optischen Steuereinheit 6 auf die Strahlpositionierungseinheit 9 auftreffen. Wie mehrfach erwähnt, lassen sich auch für die einzelnen auf dem Werkstück 2 abgebildeten Teilstrahlen T bzw. Laserspots 17 individuelle Scanprogramme bzw. Scanbewegungen ausführen.
  • In Bezug zu dem zweiten Strahlweg ist nachgelagert zu der Strahlpositionierungseinheit eine Fokussieroptik 13 angeordnet, mit welcher die (auf das Werkstück 2 gerichteten) Teilstrahlen T unter Ausbildung von Laserspots 17 auf dem Werkstück 2 fokussiert werden. Beispielsweise kann die Fokussieroptik 13 als Linse ausgebildet sein, bevorzugt als F-Theta-Linse, die auch als Planfeldlinse bezeichnet wird.
  • In der 9 ist eine schematische Perspektivansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dargestellt ist der Strahlverlauf bzw. Aufbau im Bereich zwischen dem Linsenarray 11 und der reflektiven optischen Funktionseinheit 8. Dargestellt ist eine Anordnung mit einer 2 x 2 Anordnung von Mikroscannern 15.
  • Wie schon im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnt, kann von einer Anordnung der Mikroscanner 15 in Form eines Arrays 14 von Mikroscannern 15, die in einer Mikroscanner-Ebene 18 parallel zum Linsenarray 11 angeordnet sind, abgewichen werden. Dies erfolgt indem eine zusätzliche Umlenkung der Teilstrahlbündel bzw. Teilstrahlen T zwischen Linsenarray 11 und Mikroscannern 15 vorgenommen wird. Die Mikroscanner 15 können sodann an unterschiedlichen Raumpositionen angeordnet werden.
  • Wie in der 9 dargestellt ist zwischen dem Linsenarray 11 und den Mikroscannern 15 eine Spiegelvorrichtung 42 angeordnet, die dahingehend angeordnet und eingerichtet ist, dass die auf dem ersten Strahlweg durch den Linsenarray 11 bzw. die Linsen 12 hindurchtretenden Teilstrahlen T jeweils in Richtung eines der Mikroscanner 15 gelenkt werden, sowie die an den Mikroscannern 15 reflektierten Teilstrahlen T auf dem zweiten Strahlweg jeweils in Richtung des Linsenarrays 11 gelenkt werden. Bezogen auf den optischen Pfad 4 werden die Teilstrahlen T beim Ausführungsbeispiel nach 9 beispielsweise radial nach außen geleitet, wodurch die Laserbearbeitungsvorrichtung (insbesondere in Richtung des optischen Pfads 4) kompakter ausgeführt werden kann, und mehr Bauraum für die Anordnung der Mikroscanner verfügbar ist.
  • Die in 9 wiedergegebene Spiegelvorrichtung 42 weist eine Mehrzahl von Spiegelflächen 43 auf, wobei eine jede Spiegelfläche 43 dazu eingerichtet ist, einen auf dem ersten Strahlweg durch den Linsenarray 11 bzw. eine Linse 12 desselbigen hindurchtretenden Teilstrahl T in Richtung eines der Mikroscanner 15 abzulenken, sowie einen an einem der Mikroscanner 15 reflektierten Teilstrahl T auf dem zweiten Strahlweg in Richtung des Linsenarrays 11 abzulenken. Die Spiegelvorrichtung 42 ist in dem in 9 dargestellten Beispiel ein Pyramidenspiegel. Eine solche Anordnung ermöglicht, die Mikroscanner 15 in unterschiedlichen Ebenen E1, E2, E3, E4 (angedeutet durch strichpunktierte Linien) anzuordnen, wobei die Ebenen E1, E2, E3, E4 jeweils in einem Winkel zur Linsenebene 19 stehen. Dadurch wird Bauraum eingespart und die Laserbearbeitungsvorrichtung kann kompakter ausgeführt werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsvariante (vgl. 10) kann die Umlenkung in verschiedenen Ebenen entlang der Strahlpropagation erfolgen, so dass ebenfalls eine Trennung der Anordnungspositionen der Mikroscanner 15 (im Vergleich zur Anordnung der Mikroscanner 15 in einer gemeinsamen Mikroscanner-Ebene 18) erfolgen kann.
  • Wie in der 10 dargestellt, umfasst die Spiegelvorrichtung 42 dazu eine Mehrzahl von Spiegeln 44, wobei eine erste Anzahl der Spiegel 44 in einer ersten Spiegelebene S1 und eine zweite Anzahl der Spiegel 44 in einer zweiten Spiegelebene S2 angeordnet sind, wobei die Spiegelebenen S1, S2 vorzugsweise senkrecht zum optischen Pfad 4 bzw. zur Symmetrieachse AF und beabstandet zu einander angeordnet sind. Im dargestellten Beispiel sind die Spiegelebenen S1, S2 parallel zur Linsenebene 19 angeordnet.
  • Dabei sind die in den Spiegelebenen S1, S2 angeordneten Spiegel 44 in einem Winkel zu den Spiegelebenen S1, S2 angeordnet. Ein jeder Spiegel 44 ist dazu eingerichtet, einen auf dem ersten Strahlweg durch den Linsenarray 11 hindurchtretenden Teilstrahl T in Richtung eines der Mikroscanner 15 zu lenken, sowie einen an einem der Mikroscanner 15 reflektierten Teilstrahl T auf dem zweiten Strahlweg in Richtung des Linsenarrays 11 zu lenken.
  • Die 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher anstelle von Mikrospiegeln bzw. MEMS-Spiegeln/MEMS-Scannern, Galvanometer-Scanner als Mikroscanner 15 eingesetzt werden. Die derart ausgeführten Mikroscanner 15 weisen zwei Spiegelelemente 45 mit separaten Scanner-Achsen auf. Ein jeder der Mikroscanner 15 ist dazu eingerichtet, einen darauf auftreffenden Teilstrahl T in zwei Koordinatenrichtungen abzulenken. Durch die Trennung der Scannerachsen auf zwei Spiegelelemente 45 kann zwar keine perfekte Telezentrie erreicht werden. Diese geringe Abweichung stellt aber auch bei heutigen Einstrahl-Scannersystemen keine große Einschränkung dar.
  • Wie in der 11 dargestellt, ist auch bei einer derartigen Ausbildung der Mikroscanner 15 eine Spiegelvorrichtung 42 in Form von mehreren Spiegeln 44 vorgesehen. Die Ablenkung der Teilstrahlen T ist für zwei exemplarische Strahlverläufe mit punktierten und durchgezogenen Linien dargestellt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Laserbearbeitungsvorrichtung kompakt ausgeführt werden, da die Größe des Linsenarrays von den Dimensionen der Mikroscanner bzw. der Mikroscanner-Anordnung weitgehend entkoppelt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bearbeitungsstelle
    2
    Werkstück
    3
    Laserstrahlungsquelle
    4
    optischer Pfad
    5
    Strahlteilungseinheit
    7
    optische Funktionseinheit
    8
    reflektive optische Funktionseinheit
    9
    Strahlpositionierungseinheit
    10
    Fokussiereinheit
    11
    Linsenarray
    12
    Linse
    13
    Fokussieroptik, F-theta Linse
    14
    Array
    15
    Mikroscanner
    16
    Strahlselektionseinheit
    17
    Laserspot
    18
    Mikroscanner-Ebene
    19
    Linsenebene
    20
    Scanbereich
    36
    Mikroscanner-Achse
    40
    Werkstückaufnahme
    42
    Spiegelvorrichtung
    43
    Spiegelfläche
    44
    Spiegel
    45
    Spiegelelemente
    L
    Laserstrahl
    T
    Teilstrahl
    TH
    Teilstrahl
    TR
    Teilstrahl
    TS
    Sub-Teilstrahl
    AB
    Teilstrahlbündel-Achse
    AF
    Symmetrieachse
    E
    Ebene
    E1
    Ebene
    E2
    Ebene
    E3
    Ebene
    E4
    Ebene
    HS
    Hauptstrahl
    ST
    Teilstrahl-Scanbereich
    SM
    Master-Scanbereich
    S1
    erste Spiegelebene
    S2
    zweite Spiegelebene
    α
    Einfallwinkel
    β
    Ausfallwinkel
    x
    zusätzlicher Winkel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 9592570 B2 [0008]

Claims (31)

  1. Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere zur Bearbeitung vorgegebener Bearbeitungsstellen (1) eines Werkstücks (2), umfassend a. eine Laserstrahlungsquelle (3), die dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (L) zu erzeugen und entlang eines optischen Pfades (4) in Richtung des Werkstücks (2) auszusenden; b. eine der Laserstrahlungsquelle (3) in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlteilungseinheit (5), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (L) in ein Bündel von Teilstrahlen (T) aufzuteilen; c. eine der Strahlteilungseinheit (5) in Strahlrichtung nachgeordnete optische Steuereinheit, umfassend eine aus einem Array (14) von reflektiven Mikroscannern (15) gebildete reflektive optische Funktionseinheit (8), wobei die optische Steuereinheit dazu eingerichtet ist, • aus dem Bündel von Teilstrahlen (T) eine beliebige Anzahl von Teilstrahlen in beliebiger räumlicher Kombination zu selektieren und auf das Werkstück (2) zu richten, • zumindest einen, vorzugsweise einen jeden, der auf das Werkstück (2) gerichteten Teilstrahlen (T) unter Einsatz eines dem jeweiligen Teilstrahl (T) zugeordneten Mikroscanners (15) des Arrays (14) von Mikroscannern (15) innerhalb eines vorgegebenen Teilstrahl-Scanbereichs (ST) des jeweiligen Teilstrahls (T) zu positionieren und/oder zu bewegen.
  2. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Strahlpositionierungseinheit (9), insbesondere in Form eines Galvanometerscanners, eines Pivot-Scanners oder eines zwei-achsigen Einspiegelscanners, die dazu eingerichtet ist, eine Grobpositionierung der auf das Werkstück (2) gerichteten Teilstrahlen (T) relativ zu dem Werkstück (2) auszuführen, nämlich durch Positionieren eines die Teilstrahl-Scanbereiche (ST) einschließenden Master-Scanbereichs (SM) relativ zu dem Werkstück (2) und/oder dazu eingerichtet ist, die auf das Werkstück (2) gerichteten Teilstrahlen (T) über das Werkstück (2) zu bewegen, vorzugsweise synchron und simultan, nämlich durch Bewegen des die Teilstrahl-Scanbereiche (ST) einschließenden Master-Scanbereichs (SM) relativ zu dem Werkstück (2).
  3. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine optische Funktionseinheit (7), die zwischen der Strahlteilungseinheit (5) und der reflektiven optischen Funktionseinheit (8) angeordnet ist, und eine Gruppe von hintereinander angeordneten optischen Funktionselementen (10, 11) umfasst.
  4. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von hintereinander angeordneten optischen Funktionselementen (10, 11) umfasst: a. eine Fokussiereinheit (10), die insbesondere aus einer oder mehreren hintereinander angeordneten Linsen, Linsensystemen, Spiegeln oder einer Kombination daraus gebildet ist, b. einen beabstandet zur Fokussiereinheit (10) angeordneten Linsenarray (11) von Linsen (12).
  5. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dahingehend ausgebildete Laserbearbeitungsvorrichtung, bei welcher die dem Bündel von Teilstrahlen (T) zugehörigen Teilstrahlen (T) auf einem ersten Strahlweg bis zur Reflexion an der reflektiven optischen Funktionseinheit (8) durch die optische Funktionseinheit (7), insbesondere die Fokussiereinheit (10) und den Linsenarray (11), hindurchtreten, sowie nach der Reflexion an der reflektiven optischen Funktionseinheit (8) zumindest ein Teil der dort reflektierten Teilstrahlen (T) auf einem zweiten Strahlweg erneut durch die optische Funktionseinheit (7), insbesondere den Linsenarray (11) und die Fokussiereinheit (10), hindurchtreten.
  6. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dahingehend ausgebildete Laserbearbeitungsvorrichtung, bei welcher auf dem ersten Strahlweg ein jeder Teilstrahl (T) des Bündels von Teilstrahlen (T) durch eine dem jeweiligen Teilstrahl (T) zugeordnete Linse (12) des Linsenarrays (11) hindurchtritt und auf dem zweiten Strahlweg zumindest ein Teil der an der reflektiven optischen Funktionseinheit (8) reflektierten Teilstrahlen (T) durch eine dem jeweiligen Teilstrahl (T) zugeordnete Linse (12) des Linsenarrays (11) hindurchtritt.
  7. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dahingehend ausgebildete Laserbearbeitungsvorrichtung, bei welcher auf dem ersten Strahlweg ein jeder Teilstrahl (T) des Bündels von Teilstrahlen (T) durch die Fokussiereinheit (10) hindurchtritt und auf dem zweiten Strahlweg zumindest ein Teil der an der reflektiven optischen Funktionseinheit (8) reflektierten Teilstrahlen (T) erneut durch die Fokussiereinheit (10) hindurchtritt.
  8. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Strahlselektionseinheit (16), insbesondere in Form eines Arrays (30) von Aperturblenden, die dazu eingerichtet ist, eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen (T), vorzugsweise auf dem zweiten Strahlweg, aus dem optischen Pfad (4) abzulenken oder zu absorbieren, so dass die abgelenkten Teilstrahlen (T) nicht auf dem Werkstück (2) auftreffen, wobei die Strahlselektionseinheit (16) in Bezug auf den Strahlengang vorzugsweise nachgeordnet zur reflektiven optischen Funktionseinheit (8) angeordnet ist.
  9. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlselektionseinheit (16) reflektiv ausgebildet ist, insbesondere als Mikrospiegel oder MEMS-Spiegel.
  10. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlselektionseinheit (16) absorptiv ausgebildet ist.
  11. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel der Mehrzahl von Teilstrahlen (T) vor und nach dem Hindurchtreten durch die Fokussiereinheit (10) auf dem ersten Strahlweg eine Teilstrahlbündel-Achse (AB) aufweist, in Bezug zu welcher die Mehrzahl von Teilstrahlen (T) vorzugsweise symmetrisch angeordnet sind.
  12. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit (10) derart angeordnet ist, dass die Teilstrahlbündel-Achse (AB) vor dem Auftreffen der Teilstrahlen (T) auf der Fokussiereinheit (10) auf dem ersten Strahlweg in Bezug zu einer entlang des optischen Pfads (4) verlaufenden Symmetrieachse (AF) der Fokussiereinheit (10) versetzt ist.
  13. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit (10) derart angeordnet ist, dass das Bündel von Teilstrahlen (T) vor und/oder nach Hindurchtreten durch die Fokussiereinheit (10) auf dem ersten Strahlweg einen telezentrischen Strahlengang aufweist.
  14. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die optische Teilstrahlbündel-Achse (AB) nach Hindurchtreten der Teilstrahlen (T) durch die Fokussiereinheit (10) auf dem ersten Strahlweg in einem Winkel zur Symmetrieachse (AF) der Fokussiereinheit (10) verläuft.
  15. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (T) des Bündels von Teilstrahlen (T) auf dem ersten Strahlweg in einer senkrecht zum optischen Pfad (4) bzw. zur Symmetrieachse (AF) der Fokussiereinheit (10) angeordneten Ebene (E) fokussiert werden, wobei die Ebene (E) vorzugsweise zwischen der Fokussiereinheit (10) und dem Linsenarray (11) angeordnet ist.
  16. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linsenarray (11) eine laterale Anordnung von Linsen (12) oder Linsensystemen umfasst, die vorzugsweise in einer gemeinsamen Linsenebene (19) angeordnet sind, wobei die Linsenebene (19) senkrecht zum optischen Pfad (4) bzw. zur Symmetrieachse (AF) der Fokussiereinheit (10) angeordnet ist.
  17. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Teilstrahl (T) von jeweils einem Mikroscanner (15) reflektiert wird.
  18. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeder Mikroscanner (15) dazu eingerichtet ist, eine Grundstellung sowie zumindest eine erste Ablenkstellung einzunehmen, wobei ein in der ersten Ablenkstellung befindlicher Mikroscanner (15) dazu eingerichtet ist, einen auf den Mikroscanner (15) auftreffenden Teilstrahl (T) in Richtung des zweiten Strahlwegs abzulenken.
  19. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeder Mikroscanner (15) dazu eingerichtet ist, eine zweite Ablenkstellung einzunehmen, wobei ein in der zweiten Ablenkstellung befindlicher Mikroscanner (15) dazu eingerichtet ist, einen auf den Mikroscanner (15) auftreffenden Teilstrahl (T) aus dem optischen Pfad (4) abzulenken.
  20. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit den jeweiligen Mikroscannern (15) für den jeweiligen auf den Mikroscanner (15) auftreffenden Teilstrahl (T) ein Ablenkungswinkel flexibel und dynamisch einstellbar ist.
  21. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Mikroscannern (15) reflektierten Teilstrahlen (T) auf dem zweiten Strahlweg erneut durch den Linsenarray (11) hindurchtreten, wobei ein jeweiliger Teilstrahl (T) auf dem zweiten Strahlweg durch eine Linse (12) des Linsenarrays (11) hindurchtritt, die benachbart angeordnet ist zu einer Linse (12) des Linsenarrays (11), durch welche der Teilstrahl (T) auf dem ersten Strahlweg hindurchtritt.
  22. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroscanner (15) Mikrospiegel oder MEMS-Spiegel/MEMS-Scanner sind, wobei ein jeder Mikroscanner (15) dazu eingerichtet ist, einen darauf auftreffenden Teilstrahl (T) in zwei Koordinatenrichtungen abzulenken.
  23. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroscanner (15) zweiachsige Einspiegelscanner sind, wobei die Einspiegelscanner vorzugsweise motorisiert sind.
  24. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroscanner (15) Galvanometerscanner sind, wobei ein jeder Galvanometerscanner zwei Spiegelelemente (45) mit separaten Scanner-Achsen umfasst, und wobei ein jeder Mikroscanner (15) dazu eingerichtet ist, einen darauf auftreffenden Teilstrahl (T) in zwei Koordinatenrichtungen abzulenken.
  25. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Linsenarray (11) und den Mikroscannern (15) angeordnete Spiegelvorrichtung (42), die dahingehend angeordnet und eingerichtet ist, die auf dem ersten Strahlweg durch den Linsenarray (11) hindurchtretenden Teilstrahlen (T) jeweils in Richtung eines der Mikroscanner (15) abzulenken, sowie die an den Mikroscannern (15) reflektierten Teilstrahlen (T) auf dem zweiten Strahlweg jeweils in Richtung des Linsenarrays (11) zu lenken.
  26. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelvorrichtung (42) eine Mehrzahl von Spiegelflächen (43) aufweist, wobei eine jede Spiegelfläche (43) dazu eingerichtet ist, einen auf dem ersten Strahlweg durch den Linsenarray (11) hindurchtretenden Teilstrahl (T) in Richtung eines der Mikroscanner (15) abzulenken, sowie einen an einem der Mikroscanner (15) reflektierten Teilstrahl (T) auf dem zweiten Strahlweg in Richtung des Linsenarrays (11) abzulenken.
  27. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelvorrichtung (42) ein Pyramidenspiegel ist.
  28. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroscanner (15) in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind, wobei die Ebenen jeweils in einem Winkel, vorzugsweise senkrecht, zur Linsenebene (19) stehen.
  29. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelvorrichtung (42) eine Mehrzahl von Spiegeln (44) umfasst, wobei eine erste Anzahl der Spiegel (44) in einer ersten Spiegelebene (S1) und eine zweite Anzahl der Spiegel (44) in einer zweiten Spiegeleben (S2) angeordnet sind, wobei die Spiegelebenen (S1, S2) vorzugsweise senkrecht zum optischen Pfad (4) bzw. zur Symmetrieachse (AF) und beabstandet zu einander angeordnet sind.
  30. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Spiegelebenen (S1, S2) angeordneten Spiegel (44) in einem Winkel zu den Spiegelebenen (S1, S2) angeordnet sind.
  31. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeder Spiegel (44) dazu eingerichtet ist, einen auf dem ersten Strahlweg durch den Linsenarray (11) hindurchtretenden Teilstrahl (T) in Richtung eines der Mikroscanner (15) abzulenken, sowie einen an einem der Mikroscanner (15) reflektierten Teilstrahl (T) auf dem zweiten Strahlweg in Richtung des Linsenarrays (11) zu abzulenken.
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