DE102022116040A1

DE102022116040A1 - Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Positionierung mehrerer Laserstrahlen auf einer Zielebene

Info

Publication number: DE102022116040A1
Application number: DE102022116040.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Vedder; Oskar Hofmann; Georg König
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2022-06-28
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2023-12-28
Also published as: WO2024002747A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur dynamischen Positionierung mehrerer Laserstrahlen auf einer Zielebene weist wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung auf, mit der die Laserstrahlen auf die Zielebene gerichtet und über jeweils einen Bereich der Zielebene geführt werden können. Die dynamische Ablenkeinrichtung weist dabei eine Anordnung aus mehreren ein- und/oder zweiachsigen Mikroscannern auf, die jeweils unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Die Anzahl der Mikroscanner ist so gewählt und die Laserstrahlen werden in der Anordnung so geführt, dass jeder Laserstrahl über einen anderen Mikroscanner auf die Zielebene gerichtet wird. Die Vorrichtung ermöglicht die hochdynamische und voneinander unabhängige Positionierung mehrerer Laserstrahlen, insbesondere von Einzelstrahlen eines Vielstrahl-Laser-Systems, mit hoher Positioniergenauigkeit in der Zielebene, lässt sich raumsparend und kostengünstig realisieren und ist leicht skalierbar.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dynamischen Positionierung mehrerer Laserstrahlen auf einer Zielebene, die wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung aufweist, mit der die Laserstrahlen auf die Zielebene gerichtet und über jeweils einen Bereich der Zielebene geführt werden können. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren, das mit der Vorrichtung umsetzbar ist.
In der Lasermaterialbearbeitung liegt die verfügbare Laserleistung der verwendeten Laserstrahlquelle oft über der Leistung, die für die Bearbeitung mit einem Laserstrahl effektiv genutzt werden kann. Eine Möglichkeit zur effizienten Nutzung der verfügbaren Laserleistung liegt in der Aufteilung des ursprünglichen Laserstrahls in zwei oder mehrere Teilstrahlen mit entsprechend geringeren Einzelleistungen. Dabei muss jedoch für jeden Teilstrahl die korrekte Positionierung auf der Zielebene, insbesondere auf einem zu bearbeitenden Werkstück, sichergestellt werden. Eine einmalige feste Positionierung der einzelnen Teilstrahlen zueinander und eine Bewegung des Werkstücks relativ zu dieser Vielstrahl-Matrix ist für einen ausreichenden Prozess-Durchsatz meist zu langsam. Es wird daher eine Möglichkeit zur hochdynamischen Positionierung der Vielstrahl-Matrix auf dem Werkstück benötigt, ohne dass die Positioniergenauigkeit der Einzelstrahlen darunter leidet. Die Erzeugung von nicht-periodischen Strukturen im Werkstück, nicht-plane Bearbeitungsoberflächen, die Bearbeitung von Randbereichen oder die dynamische, ortangepasste Erzielung spezifischer Temperaturprofile kann zudem eine Anpassung der Vielstrahl-Matrix während der Bearbeitung erfordern. Diese Anpassung kann sich auf die Anzahl der Teilstrahlen, auf die Anordnung der Teilstrahlen relativ zueinander, auf die Bewegungsvektoren der Einzelstrahlen im Verhältnis zueinander und/oder auf die Form der einzelnen Teilstrahlen beziehen.
Stand der Technik
Moderne Laser-Positioniersysteme mit über Galvanometer drehbaren Spiegeln und einer Fokussieroptik ermöglichen die hochdynamische Positionierung von Laserstrahlen mit Scan-Geschwindigkeiten ≥ 10 m/s bei üblichen Brennweiten von bis zu 200 mm. Diese Systeme können auch in Kombination mit Vielstrahl-Matrizen verwendet werden, ermöglichen dann aber nur die Positionierung bzw. Führung der Vielstrahl-Matrix als Ganzes. Die mehreren Laserstrahlen werden dabei über in der Regel zwei hintereinander angeordnete rotier- oder kippbare Spiegel einer dynamischen Ablenkeinrichtung auf die Zielebene gerichtet und über die Zielebene geführt. Diese Systeme führen allerdings, je nach Ablenkwinkel, zu einer Verzerrung der Vielstrahl-Matrix und somit zu Positionierfehlern der Einzelstrahlen in der Zielebene. Diese Positionierfehler reduzieren die erreichbare Präzision des Bearbeitungsprozesses und/oder den Durchsatz, da bei einer vorgegebenen Präzision der nutzbare Ablenkwinkel des Laser-Positioniersystems stark limitiert ist.
Aus O. Hofmann et al., „Highly dynamic positioning of individual laser beams in a multi-beam system for laser surface processing", Procedia CIRP 2020; 94:812-816, wird eine optische Kompensation der Verzerrung von Vielstrahl-Matrizen bei der Nutzung von modernen Laser-Positioniersystemen für vier Teilstrahlen vorgeschlagen, die zwischen der Einrichtung zur Erzeugung der Vielstrahl-Matrix und der dynamischen Ablenkeinrichtung eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um eine Kombination aus rotierbaren planparallelen Platten und Fokus-Shiftern. Weitere Anpassungen der Vielstrahl-Matrix sind mit diesem Ansatz jedoch nicht möglich. Auch eine Erweiterung dieses Ansatzes für mehr als vier Teilstrahlen ist allein schon aus Platzgründen nicht realistisch.
Alternativ könnte für jeden Einzelstrahl auch ein komplett eigenes Positioniersystem eingesetzt werden. Dies ermöglicht die exakte und unabhängige Positionierung der Einzelstrahlen, führt jedoch auch zu deutlich höheren Kosten und erhöhtem Platzbedarf und ist zudem nicht sinnvoll für eine hohe Anzahl von Teilstrahlen skalierbar.
Weiterhin sind Systeme für die dynamische Licht- und Laserstrahlformung bekannt, die die Erzeugung von nahezu beliebigen Leistungsdichteverteilungen in einer vorgegebenen Zielebene ermöglichen. Die beiden Schlüssel-Technologien in diesem Bereich sind sogenannte Digital-Micromirror-Devices (DMD) und Flüssigkristall-Systeme (liquid crystal (LC) bzw. liquid crystal on silicon (LCOS)), wie sie beispielsweise in Texas Instruments, Laser Power Handling for DMD's: DLPA027, available from: www.ti.com/lit/wp/dlpa027/dlpa027.pdf, und in G. Zhu et al., „Thermal and optical performance characteristics of a spatial light modulator with high average power picosecond laser exposure applied to materials processing applications“, Procedia CIRP 2018; 74, 594 bis 597 beschrieben sind.
DMDs bestehen aus einer Matrix von etwa 10 µm großen Mikrospiegeln, die hochdynamisch in eine von zwei möglichen Positionen gekippt werden können. DMDs werden in der Regel so eingesetzt, dass das Licht einer Lichtquelle in einer Kippposition auf das Ziel (z.B. eine Leinwand) geworfen wird und in der anderen Kippposition in eine Strahlfalle fällt. Jeder Mikrospiegel entspricht dabei einem Pixel der Bild- bzw. Videoprojektion und kann unabhängig ein- und ausgeschaltet werden. Zur Änderung der (scheinbaren) Helligkeit eines Pixels können die Mikrospiegel mit Frequenzen weit über der Flimmer-Verschmelzungsfrequenz des Auges resonant verkippt werden, um die mittlere Helligkeit eines Pixels anzupassen. Prozesse in der Lasermaterialbearbeitung laufen jedoch auf deutlich kürzeren Zeitskalen ab. Die direkte Laserstrahlformung mit DMDs ist möglich, erlaubt daher aber nur binäre Intensitätsstufen für jedes Pixel. Da diese Systeme vor allem für die Videoprojektion entwickelt wurden, sind sie in der Regel nur für Laserleistungen <150 W oder deutlich niedriger geeignet.
Flüssigkristall-Systeme nutzen die doppelbrechende Eigenschaft der Flüssigkristalle zur lokalen und kontinuierlichen Anpassung der Amplitude und/oder Phase von Licht. Über eine Anpassung der Amplitude kann ein Laserstrahl direkt geformt und/oder in eine Multistrahl-Matrix aufgeteilt werden. Dieser Vorgang ist jedoch verlustbehaftet. Jede lokale Verringerung der Amplitude führt zum Verlust der damit verbundenen Lichtleistung. Weiter verbreitet ist daher die nahezu verlustfreie Anpassung der Phase des Lichts. Durch eine geschickte Anpassung der Phase kann in einer hinter dem Flüssigkristall-System liegenden Ebene die Leistungsdichteverteilung nahezu beliebig angepasst werden. Mittels sogenannter diffraktiver Phasenverteilungen lassen sich auch Vielstrahl-Matrizes mit nahezu beliebigen Strahl-Positionen realisieren. Bei der diffraktiven Strahlteilung treten jedoch auch fast immer unerwünschte Artefakte in Form von unerwünschten Beugungsordnungen auf, die nicht vollständig unterdrückt werden können. Bei der statischen Strahlteilung können diese z.B. mit einer Maske herausgefiltert werden, bei der dynamischen Strahlteilung ist dies jedoch nicht immer möglich. Flüssigkristall-Systeme sind bisher zudem auf Wiederholungsraten von maximal 120 Hz begrenzt. Zusätzlich ist die Bestimmung der benötigten Phase für eine gewünschte Zielverteilung nicht trivial und muss bei einer dynamischen Anpassung der Leistungsdichteverteilung bzw. Vielstrahl-Matrix für jede Zwischenverteilung bzw. Zwischenposition erfolgen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur unabhängigen dynamischen Positionierung mehrerer Laserstrahlen, insbesondere von Einzelstrahlen eines Vielstrahl-Lasersystems, auf einer Zielebene anzugeben, mit denen eine unabhängige hochdynamische Positionierung bei hoher Positioniergenauigkeit, Erhaltung der Strahlqualität und mit geringem Platzbedarf ermöglicht wird.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur unabhängigen dynamischen Positionierung mehrerer Laserstrahlen auf einer Zielebene weist wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung auf, mit der die Laserstrahlen auf die Zielebene gerichtet und über jeweils einen Bereich der Zielebene geführt werden können, und vorzugsweise auch eine Einrichtung zur Erzeugung der Laserstrahlen. Bei den mehreren Laserstrahlen kann es sich beispielsweise um die Teilstrahlen eines Vielstrahl-Lasersystems handeln, bei dem ein statisches optisches System den oder die Laserstrahlen eines oder mehrerer Laserstrahlquellen in die gewünschte Anzahl von Teilstrahlen aufteilt. Die Zielebene kann beispielsweise eine Werkstückoberfläche eines mittels Laserstrahlung zu bearbeitenden Werkstücks sein. Die Laserstrahlen können selbstverständlich auch durch mehrere getrennte Laserstrahlquellen, beispielsweise Laserdioden, erzeugt und ohne weitere Strahlaufteilung bei der vorgeschlagenen Vorrichtung genutzt werden. Die vorgeschlagene Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die dynamische Ablenkeinrichtung eine Anordnung aus mehreren vorzugsweise zweiachsigen Mikroscannern aufweist, die jeweils unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Die Anzahl der Mikroscanner ist dabei so gewählt und die Laserstrahlen in der Anordnung sind so geführt, dass jeder Laserstrahl über einen anderen Mikroscanner auf die Zielebene gerichtet wird.
Unter einem Mikroscanner ist dabei in bekannter Weise ein mikro-opto-elektro-mechanisches System (MOEMS) aus der Klasse der Mikrospiegelaktoren zu verstehen. Die scannende Bewegung eines Einzelspiegels in vorzugsweise zwei Achsen erfolgt dabei rotatorisch, wobei der Spiegel in den zwei Achsen, die vorzugsweise senkrecht zueinander stehen, kontinuierlich in einem Winkelbereich kippbar ist. Die lateralen Abmessungen der Spiegel der einzelnen Mikroscanner liegen im Millimeterbereich. Vorzugsweise weisen die Spiegel der Mikroscanner bei der vorgeschlagenen Vorrichtung laterale Abmessungen (Länge x Breite) von wenigstens 0,5 mm x 0,5 mm auf und vorzugsweise maximale laterale Abmessungen von 10 mm x 10 mm. Bei kreisrunden Spiegeln sind dabei Länge und Breite gleich und entsprechen dem Durchmesser des Spiegels. Derartige Mikroscanner können hochdynamisch um die beiden Kippachsen kontinuierlich um ≥ 20° gekippt werden. Auch Mikroscanner mit kleineren Kippwinkeln können eingesetzt werden. Bei resonanter Betriebsweise können dabei Kippfrequenzen von bis zu 50 kHz erreicht werden. Auch eine quasistatische Betriebsweise zumindest einer Achse der Mikroscanner ist je nach gewünschter Anwendung möglich.
Durch die getrennte Ansteuerbarkeit der bei der vorgeschlagenen Vorrichtung eingesetzten Mikroscanner kann jeder Laser- oder Teilstrahl unabhängig von den anderen auf der Zielebene positioniert werden. Die Mikroscanner weisen geringe Abmessungen auf, so dass sich die vorgeschlagene Ablenkeinrichtung raumsparend realisieren lässt. Die Mikroscanner sind dabei vorzugsweise in einer array- oder matrixförmigen Anordnung aus mehreren Zeilen und Spalten in einer Ebene oder auch in mehreren Stufen angeordnet. In einer bevorzugten Ausgestaltung betragen die Mittenabstände der Spiegel der einzelnen Mikroscanner dabei in jeder Zeile und Spalte maximal dem Doppelten der Ausdehnung der Spiegel in dieser Zeile oder Spalte. Aufgrund des daraus resultierenden geringen Abstandes der einzelnen Laserstrahlen bzw. Teilstrahlen nach Durchgang durch die dynamische Ablenkeinrichtung können diese bei Bedarf mit einer gemeinsamen Fokussieroptik, also bspw. einer einzelnen, allen Teilstrahlen gemeinsamen Linse, in die Zielebene fokussiert werden.
Aufgrund der voneinander unabhängigen Positionierbarkeit lassen sich mit der Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren beliebige prozessangepasste Leistungsdichte-Verteilungen in der Zielebene erzeugen. Dies betrifft vor allem zusammenhängende Verteilungen beliebiger Form, die durch teilweises Überlappen der einzelnen Laserstrahlen bzw. Teilstrahlen in der Zielebene erzeugt werden. Diese Leistungsdichte-Verteilungen lassen sich aufgrund der hohen Dynamik der Mikroscanner während der Bearbeitung sehr schnell ändern bzw. anpassen, wie dies beispielsweise bei Änderungen der Vorschubrichtung, der Vorschubgeschwindigkeit, der lokalen Form eines zu bearbeitenden Werkstücks oder des Einfallswinkels der Laserstrahlen auf dem Werkstück erforderlich ist. Durch eine derartige hochdynamische Anpassung der Leistungsdichte-Verteilung in der Zielebene können konstante Bearbeitungsergebnisse über den gesamten Bearbeitungsbereich bei der Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks erzielt werden.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren, bei dem eine derartige dynamische Ablenkeinrichtung zur dynamischen Positionierung der Laserstrahlen auf der Zielebene genutzt wird, lassen sich unterschiedliche Betriebsmodi realisieren, die natürlich auch beliebig kombiniert werden können. So können die Laserstrahlen in Form einer Vielstrahl-Matrix mit festen Strahlabständen in der Zielebene positioniert und dynamisch über die Zielebene geführt werden. Dabei werden die Mikroscanner so angesteuert, dass die Laserstrahlen in der Zielebene ein Muster oder eine Leistungsdichte-Verteilung bilden, das oder die ohne Veränderung über wenigstens einen Bereich der Zielebene geführt wird. Die Laserstrahlen können dabei beispielsweise eine Matrix aus Spalten und Zeilen von Laserstrahlen bilden, in der benachbarte Laserstrahlen jeder Zeile und benachbarte Laserstrahlen jeder Spalte einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Verzerrungen der Vielstrahl-Matrix, z.B. durch die Fokussieroptik oder verkippte bzw. gekrümmte Zielebenen können dabei über die Mikroscanner unmittelbar ausgeglichen werden. Je nach Anwendung kann auch eine dynamische und vollständig unabhängige Positionierung und Bewegung der Teilstrahlen in der Zielebene verwirklicht werden. So lassen sich die Teilstrahlen nutzen, um unabhängig voneinander eine vorgegebene Geometrie gemeinsam zu bearbeiten: Jeder Teilstrahl bearbeitet dabei ein Teilstück der Gesamtgeometrie. Weiterhin ermöglicht das Verfahren eine gezielte Erzeugung, Anpassung und Positionierung von Leistungsdichte-Verteilungen in der Zielebene durch Aneinanderreihung und/oder Überlapp der Teilstrahlen.
Vorzugsweise ist die Einrichtung zur Erzeugung der Laserstrahlen - als optionaler Bestandteil der vorgeschlagenen Vorrichtung - so ausgebildet, dass sie wenigstens vier Laserstrahlen emittiert, die über die dynamische Ablenkeinrichtung auf die Zielebene gerichtet werden. Die Vorrichtung lässt sich dabei beliebig skalieren, d.h. die Anzahl der erzeugten und abgelenkten Laserstrahlen lässt sich durch entsprechende Ausgestaltung der Einrichtung zur Erzeugung der Laserstrahlen und Vergrößerung des Arrays aus Mikroscannern problemlos vergrößern.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung, bei der die einzelnen Laserstrahlen Teilstrahlen darstellen, die aus einer Laserstrahlquelle mit einer geeigneten Strahlaufteilungseinrichtung erzeugt werden, befindet sich zwischen der Strahlaufteilungseinrichtung und der dynamischen Ablenkeinrichtung vorzugsweise eine optische Einrichtung zur Parallelisierung - und bei Bedarf auch zur Kollimierung - der Laserstrahlen, damit diese unter dem gleichen Winkel auf das Array von Mikroscannern auftreffen. Typischerweise erzeugen diffraktive Strahlaufteilungseinrichtungen zunächst keine parallelen Teilstrahlen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Spiegel der Mikroscanner eine ovale Form auf, wobei die Mikroscanner dann so orientiert sind, dass die lange Achse der ovalen Form bei einer Nullstellung der Mikroscanner (also in nicht ausgelenktem Zustand der Spiegel) in der Einfallsebene der jeweiligen Laserstrahlen liegt. Dadurch lassen sich die Mikroscanner senkrecht zur Einfallsebene näher beieinander platzieren als dies bei kreisrunden oder quadratischen Spiegeln der Fall wäre. Anstelle der ovalen Form kann in gleicher Weise auch eine entsprechend rechteckige Form - mit spitzen oder mit abgerundeten Kanten - mit einer größeren Länge als Breite genutzt werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren ermöglichen die hochdynamische, unabhängige und skalierbare Positionierung mehrerer Laserstrahlen bzw. Teilstrahlen eines Vielstrahl-Systems. Die Vorrichtung ist im Vergleich zu Lösungen mit mehreren getrennten Laserpositionier-Systemen kosteneffizient, da Mikroscanner bereits jetzt günstiger sind als Galvanometer-basierte 2D-Ablenkeinrichtungen. Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren können zudem in vielen Fällen nur mit einer einzelnen Fokussieroptik, also einer für alle Laserstrahlen bzw. Teilstrahlen gemeinsamen optischen Linse oder Linsenkombination, betrieben werden. Weiterhin existiert ein analytischer und häufig sogar linearer Zusammenhang zwischen den Auslenkwinkeln des jeweiligen Mikrospiegels und der Strahlposition in der Zielebene. Somit können die benötigten Auslenkwinkel direkt aus den gewünschten Strahlpositionen berechnet werden. Eine zeitaufwändige Optimierung für alle möglichen Kombinationen aus individuellen Strahlpositionen wie bei diffraktiven Ansätzen ist also bei der vorliegenden Erfindung nicht nötig. Die vorgeschlagene Vorrichtung erlaubt gegenüber bekannten Flüssig-Kristallsystemen deutlich geringere Schaltzeiten.
Durch die gezielte Beleuchtung der einzelnen Mikroscanner-Spiegel wird zudem eine Erwärmung bzw. Beschädigung der Elektronik unter oder zwischen den Spiegeln vermieden. Zusätzlich können die Mikroscanner-Spiegel mit modernen Reflexionsbeschichtungen versehen werden, um die nutzbare Laserleistung weiter zu erhöhen. Demgegenüber bestehen die einzelnen Spiegel bei DMDs aus poliertem Metall, in der Regel Aluminium, und erreichen damit nur Reflexionsgrade von etwa 90%, was die nutzbare Laserleistung erheblich reduziert. Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren ermöglichen daher auch die dynamische Laserstrahlformung bei Laserleistungen, die die Zerstörschwelle von Strahlformungselementen wie DMDs oder Flüssigkristall-Systemen deutlich übersteigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;
2 ein Beispiel für die Erzeugung mehrerer Laserstrahlen bei der vorgeschlagenen Vorrichtung über einen Strahlteiler;
3 ein Beispiel für die Erzeugung mehrerer Laserstrahlen bei der vorgeschlagenen Vorrichtung über eine Maske; und
4 drei Beispiele für die Positionierung und Bewegung der Laserstrahlen bei dem vorgeschlagenen Verfahren in einer Zielebene.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Ein Beispiel für den prinzipiellen Aufbau der vorgeschlagenen Vorrichtung ist in 1 dargestellt. Die Vorrichtung weist eine (optionale) Einrichtung 1 zur Erzeugung mehrerer Laserstrahlen 2, eine dynamische Ablenkeinrichtung 3 zur dynamischen zweidimensionalen Ablenkung der Laserstrahlen und - bei Bedarf - eine Fokussieroptik 4 auf. Mit der dynamischen Ablenkeinrichtung 3 werden die Laserstrahlen 2 auf die Zielebene 5 gerichtet und über diese Zielebene geführt, die im vorliegenden Beispiel die Oberfläche des dargestellten Substrates 6, beispielsweise eines zu bearbeitenden Werkstücks darstellt. Die Fokussieroptik dient der gegebenenfalls notwendigen Fokussierung der Laserstahlen auf die Zielebene.
Die Erzeugung mehrerer Laserstrahlen kann bei der vorliegenden Vorrichtung entweder durch Einsatz mehrerer Laser, beispielsweise Halbleiterlaser, oder auch durch Einsatz nur eines (oder auch mehrerer) Lasers erfolgen, dessen (oder deren) Laserstrahl über eine Strahlaufteilungseinrichtung auf mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird. 2 zeigt hierzu ein Beispiel, bei der die Einrichtung 1 zur Erzeugung mehrerer Laserstrahlen durch einen in dieser Darstellung nicht dargestellten Laser und einen sich anschließenden Strahlteiler 7 gebildet wird, der den Laserstrahl 13 des Lasers in die gewünschte Anzahl von Teilstrahlen 2 aufteilt. Bei diesem Strahlteiler 7 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um ein statisches optisches System, beispielweise ein diffraktives optisches Element wie in 2 oder eine Maske wie in 3. Alternativ ist auch ein dynamisch anpassbarer Strahlteiler (z.B. LCOS) möglich, durch den z.B. mit deutlich geringerer Dynamik wie die Ablenkeinrichtung einzelne Strahlen ein- und ausgeschaltet werden können. Im Falle des diffraktiven optischen Elementes der 2 verlaufen die erzeugten Teilstrahlen 2 nicht parallel und werden über eine optische Einrichtung 8 geeignet parallel ausgerichtet und auf die dynamische Ablenkeinrichtung 3 gerichtet. Diese dynamische Ablenkeinrichtung 3 wird bei der vorgeschlagenen Vorrichtung durch eine Mikroscanner-Matrix 9 gebildet, wie dies in den 2 und 3 angedeutet ist. Dabei trifft jeder Teilstrahl 2 vorzugsweise mittig auf einen der Mikroscanner 10 bzw. auf dessen zweidimensional kontinuierlich kippbaren Spiegel. Die einzelnen Mikroscanner sind dabei unabhängig voneinander ansteuerbar. Nach der Mikroscanner-Matrix 9 können weitere optische Elemente, beispielsweise zur Fokussierung der Vielstrahl-Matrix in die Zielebene 5, angeordnet sein. In den 2 und 3 ist hierzu eine gemeinsame Fokussieroptik 4 angedeutet.
Bei Nutzung einer Maske 11 zur Strahlaufteilung, wie dies in 3 schematisch dargestellt ist, kann in der Regel auf eine Einrichtung zur Parallelisierung der einzelnen Teilstrahlen 2 verzichtet werden, da diese bereits parallel zueinander verlaufen. Der Laserstrahl 13 aus der Laserstrahlquelle wird hierzu vor dem Auftreffen auf die Maske 11 geeignet aufgeweitet und entsprechend kollimiert, wie dies in 3 mit der Strahlform des Laserstrahls 13 angedeutet ist.
Mit Hilfe der einzelnen Mikroscanner 10 kann bei der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren jeder Teilstrahl 2 unabhängig von den anderen Teilstrahlen 2 in der Zielebene 5 hochdynamisch positioniert und bewegt werden. Die Anzahl der erzeugten Teilstrahlen 2 ist dabei nicht auf die in den Figuren dargestellte Anzahl begrenzt. 2 und 3 zeigen dabei in der Blattebene 3 bzw. 4 Teilstrahlen an, erzeugen jedoch im Falle einer quadratischen Matrix tatsächlich jeweils neun bzw. sechzehn Teilstrahlen im Raum. Diese Zahl kann bei entsprechender Erzeugung einer größeren Anzahl an Teilstrahlen durch Vergrößerung der Anzahl der Mikroscanner 10 in der Mikroscanner-Matrix 9 beliebig skaliert werden. Auch die Erzeugung von Teilstrahlen für eine nichtquadratische Matrix ist selbstverständlich möglich.
Die Vorrichtung kann in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden, die aber auch beliebig kombiniert werden können. 4 zeigt hierzu stark schematisiert drei Betriebsmodi, bei denen die auf der Zielebene 5 erzeugten Laserspots 12 und deren beispielhafte Bewegungsrichtung angedeutet sind. In der ersten Darstellung dieser Figur erfolgt eine dynamische Positionierung einer Vielstrahl-Matrix aus vier Teilstrahlen mit festen Strahlabständen in der Zielebene. Verzerrungen der Vielstrahl-Matrix, z.B. durch die Fokussieroptik oder verkippte bzw. gekrümmte Werkstückoberflächen können dabei auch während der mit den Pfeilen angedeuteten Bewegung dieser Vielstrahl-Matrix in der Zielebene ausgeglichen werden.
In der mittleren Darstellung der Figur ist ein Betriebsmodus dargestellt, bei dem die einzelnen Teilstrahlen bzw. Laserspots 12 dynamisch und vollständig unabhängig voneinander positioniert und in der Zielebene bewegt werden. Die Bewegung ist dabei wiederum durch die Pfeile beispielhaft angedeutet. Damit kann mit den Teilstrahlen unabhängig voneinander eine vorgegebene Geometrie gemeinsam bearbeitet werden, wobei jeder Teilstrahl zur Bearbeitung eines Teilstücks der Gesamtgeometrie genutzt wird.
Auch eine gezielte Erzeugung, Anpassung und Positionierung von Leistungsdichteverteilungen in der Zielebene kann durch Aneinanderreihung und/oder Überlapp der Teilstrahlen bzw. deren Laserspots 12 in der Zielebene 5 erfolgen, wie dies in der rechten Darstellung der Figur schematisch angedeutet ist. Die dort durch Aneinanderreihung bzw. teilweisen Überlapp der Laserspots 12 einer Vielzahl von Laserstrahlen erzeugte Leistungsdichteverteilung, bspw. zur Erzielung spezifischer Temperaturprofile, kann dann beispielsweise in der mit dem Pfeil angedeuteten Richtung über die Zielebene bewegt und gegebenenfalls auch während der Bewegung modifiziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Einrichtung zur Erzeugung mehrerer Laserstrahlen
2: Laser- bzw. Teilstrahlen
3: dynamische Ablenkeinrichtung
4: Fokussieroptik
5: Zielebene
6: Substrat
7: Strahlteiler
8: optische Einrichtung zur Parallelisierung
9: Mikroscanner-Matrix
10: Mikroscanner
11: Maske
12: Laserspot
13: Laserstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

O. Hofmann et al., „Highly dynamic positioning of individual laser beams in a multi-beam system for laser surface processing“, Procedia CIRP 2020; 94:812-816 [0004]

Claims

Vorrichtung zur dynamischen Positionierung mehrerer Laserstrahlen (2) auf einer Zielebene (5), die wenigstens eine dynamische Ablenkeinrichtung (3) aufweist, mit der die Laserstrahlen (2) auf die Zielebene (5) gerichtet und über jeweils einen Bereich der Zielebene (5) geführt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Ablenkeinrichtung (3) eine Anordnung (9) aus mehreren ein- und/oder zweiachsigen Mikroscannern (10) aufweist, die jeweils unabhängig voneinander ansteuerbar sind, wobei die Anzahl der Mikroscanner (10) so gewählt und die Laserstrahlen (2) in der Anordnung so geführt sind, dass jeder Laserstrahl (2) über einen anderen Mikroscanner (10) auf die Zielebene (5) gerichtet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroscanner (10) Spiegel mit lateralen Abmessungen von wenigstens 0,5 mm x 0,5 mm aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung (1) zur Erzeugung der Laserstrahlen (2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) zur Erzeugung der Laserstrahlen so ausgebildet ist, dass sie wenigstens vier Laserstrahlen (2) emittiert, die über die dynamische Ablenkeinrichtung (3) auf die Zielebene (5) gerichtet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroscanner (10) in einer array- oder matrixförmigen Anordnung aus mehreren Zeilen und Spalten so angeordnet sind, dass Mittenabstände der Spiegel der einzelnen Mikroscanner in jeder Zeile und Spalte maximal dem Doppelten der Ausdehnung der Spiegel in dieser Zeile oder Spalte betragen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroscanner (10) Spiegel mit einer ovalen oder rechteckigen Spiegelform aufweisen und so angeordnet sind, dass in einer Nullstellung der Mikroscanner (10) eine lange Achse der ovalen oder rechteckigen Spiegelform in einer Einfallsebene des auf den jeweiligen Mikroscanner (10) einfallenden Laserstrahls (2) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 6 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) zur Erzeugung der Laserstrahlen aus mehreren nebeneinander angeordneten Laserstrahlquellen gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 6 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) zur Erzeugung der Laserstrahlen eine oder mehrere Laserstrahlquellen und eine oder mehrere Strahlaufteilungseinrichtungen (7, 11) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 8 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einrichtung (1) zur Erzeugung der Laserstrahlen und der dynamischen Ablenkeinrichtung (3) eine optische Einrichtung (8) zur Parallelisierung der Laserstrahlen (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dynamischen Ablenkeinrichtung (3) und der Zielebene (5) eine allen Laserstrahlen (2) gemeinsame Fokussieroptik (4) angeordnet ist.
Verfahren zur dynamischen Positionierung mehrerer Laserstrahlen (2) auf einer Zielebene (5), bei dem die Laserstrahlen (2) mit einer dynamischen Ablenkeinrichtung (3) auf die Zielebene (5) gerichtet werden, die eine Anordnung (9) aus mehreren ein- und/oder zweiachsigen Mikroscannern (10) aufweist, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind, wobei die Anzahl der Mikroscanner (10) so gewählt wird und die Laserstrahlen (2) so über die dynamische Ablenkeinrichtung geführt werden, dass jeder Laserstrahl (2) über einen anderen Mikroscanner (10) auf die Zielebene (5) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroscanner (10) so angesteuert werden, dass die Laserstrahlen (2) in der Zielebene (5) ein Muster oder eine Leistungsdichteverteilung bilden, das oder die ohne Veränderung über wenigstens einen Bereich der Zielebene (5) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (2) in der Zielebene (5) eine Matrix aus Spalten und Zeilen von Laserstrahlen bilden, in der benachbarte Laserstrahlen jeder Zeile und benachbarte Laserstrahlen jeder Spalte den gleichen Abstand zueinander aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroscanner (10) so angesteuert werden, dass die Laserstrahlen (2) vollkommen unabhängig voneinander über die Zielebene (5) geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroscanner (10) so angesteuert werden, dass die Laserstrahlen (2) in der Zielebene (5) ein Muster oder eine Leistungsdichteverteilung bilden, das oder die sich während der Führung der Laserstrahlen (2) über die Zielebene nach einer Vorgabe verändert.