DE10230960B4

DE10230960B4 - Laserbearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE10230960B4
Application number: DE10230960A
Authority: DE
Inventors: Thomas Zeller; Joachim Schulz
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2022-07-11
Also published as: US20060102603A1; EP1520198A2; WO2004008216A2; DE10230960A1; US7297898B2; WO2004008216A3

Abstract

Laserbearbeitungsmaschine zum Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls (2), mit einem Teleskop (1) zum Aufweiten und Fokussieren des Laserstrahls (2), das einen Ellipsoidspiegel (3) und einen Paraboloidspiegel (4) aufweist, wobei die Rotationssymmetrieachsen (6) des Ellipsoidspiegels (3) und des Paraboloidspiegels (4) zueinander kollinear verlaufen und der Brennpunkt des Paraboloidspiegels (4) mit einem Brennpunkt des Ellipsoidspiegels (3) zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen (10, 9) des in das Teleskop (1) einfallenden und des aus dem Teleskop (1) ausfallenden Laserstrahls (7, 8) parallel zueinander verlaufen und dass das Teleskop (1) parallel zur optischen Achse (10) des in das Teleskop (1) einfallenden Laserstrahls (7) verfahrbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsmaschine zum Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls mit einem Teleskop zum Aufweiten und Fokussieren des Laserstrahls, das einen Ellipsoidspiegel und einen Paraboloidspiegel aufweist, wobei die Rotationssymmetrieachsen des Ellipsoidspiegels und des Paraboloidspiegels zueinander kollinear verlaufen und der Brennpunkt des Paraboloidspiegels mit einem Brennpunkt des Ellipsoidspiegels zusammenfällt.
Eine derartige Laserbearbeitungsmaschine ist beispielsweise durch die EP 0 649 042 B1 bekannt geworden.
Ein Ellipsoid ist ein elliptischer Rotationskörper, der durch Rotation einer Ellipse um eine Rotationsachse, speziell um eine der Ellipsenhalbachsen, entsteht und durch zwei Brennweiten charakterisiert wird. Unter einem Ellipsoidspiegel wird im Folgenden ein Spiegel verstanden, dessen Spiegelfläche als Ellipsoidsegment ausgebildet ist. Ein Paraboloid ist ein parabolischer Rotationskörper, der durch Rotation einer Parabel um eine Rotationsachse, speziell um die Symmetrieachse der Parabel, entsteht und durch eine Brennweite charakterisiert wird. Unter einem Paraboloidspiegel wird im Folgenden ein Spiegel verstanden, dessen Spiegelfläche als Paraboloidsegment ausgebildet ist.
Bei Laserbearbeitungsmaschinen mit Scannersystemen, die z. B. zum Remote Welding eingesetzt werden, ist vor den Ablenkspiegeln (Scannerspiegeln) eine verfahrbare Optik angeordnet, über welche die Fokuslage des Laserstrahls variiert wird. Da gleichzeitig der Laserstrahl ausgeweitet wird, um einen kleinen Fokusdurchmesser zu erzielen, werden für kleine Leistungen verfahrbare Teleskope mit transmittiven Optiken und für große Leistungen verfahrbare Teleskopsysteme mit einem Ellipsoidspiegel und einem Paraboloidspiegel, die üblicherweise als Metalloptiken ausgeführt sind, eingesetzt. Beim Aufbau eines solchen Teleskopsystems hat sich allerdings die Ausrichtung der beiden Spiegel zueinander als problematisch herausgestellt. Zur Ausrichtung der beiden Spiegel sind fünf Justageachsen notwendig. Neben dem hohen Justageaufwand wird der Aufbau des Teleskopsystems dadurch erschwert, dass derzeit keine geeigneten Messverfahren und Instrumente existieren, die eine genaue Ausrichtung der Spiegel zueinander erlauben.
Aus der EP 0 649 042 B1 ist ein optischer Strahlexpander zur Aufweitung eines Laserstrahls mit zwei reflektierenden Spiegelflächen bekannt, die als zwei Paraboloidspiegel, als zwei Ellipsoidspiegel oder als ein Paraboloidspiegel und ein Ellipsoidspiegel ausgebildet sind. Im letzteren Fall fällt der Fokuspunkt des Paraboloidspiegels mit einem Fokuspunkt des Ellipsoidspiegels zusammen, und die Rotationssymmetrieachsen der beiden Spiegel verlaufen kollinear zueinander. Der parallele, einfallende Laserstrahl trifft auf den konvexen Paraboloidspiegel, der den Laserstrahl divergierend auf den konkaven Ellipsoidspiegel umlenkt, welcher den Laserstrahl auf den zweiten Fokuspunkt des Ellipsoidspiegels fokussiert. Der einfallende und der ausfallende Laserstrahl verlaufen nicht parallel zueinander, sondern ihre optischen Achsen schließen einen Winkel größer 0° ein. Nicht der fokussierte, sondern der aufgeweitete Laserstrahl wird zur weiteren Verarbeitung genutzt, und der optische Strahlexpander ist zur Änderung der Fokuslage nicht verfahrbar. Weiterhin offenbart die EP 0 649 042 B1 auch einen optischen Strahlexpander bestehend aus zwei Paraboloidspiegelflächen und zwei Planspiegeln. Der einfallende Laserstrahl wird vom ersten Planspiegel auf die konvexe Paraboloidspiegelfläche umgelenkt, dort aufgeweitet und auf die konkave Paraboloidspiegelfläche abgelenkt, dort parallelisiert und auf den zweiten Planspiegel abgelenkt, der den nunmehr aufgeweiteten ausfallenden Laserstrahl parallel zum einfallenden Laserstrahl umlenkt. Die beiden Spiegel sind in Richtung der optischen Einfall-/Ausfallachse jeweils verschiebbar, um die Vergrößerung des optischen Strahlexpanders zu verändern. Der aufgeweitete Laserstrahl wird also ohne vorherige Fokussierung zur weiteren Verarbeitung genutzt, und zur Änderung der Vergrößerung wird nicht der gesamte optische Strahlexpander, sondern nur die beiden Planspiegel werden parallel zur Einfall-/Ausfallachse verfahren.
Aus der DE 41 20 684 A1 und der US 5 306 892 A ist weiterhin eine Laserbearbeitungsanordnung mit einem Spiegelobjektiv mit veränderbarer Brennweite zur Laserstrahlfokussierung bekannt. Dazu weist das Spiegelobjektiv einen Ellipsoidspiegel und einen Paraboloidspiegel auf, wobei der Fokuspunkt des Paraboloidspiegels mit einem der beiden Fokuspunkte des Ellipsoidspiegels zusammenfällt. Die Brennweite des Spiegelobjektivs wird durch Verdrehen des Ellipsoidspiegels, d. h. durch Verändern des Abstands und des Winkels zwischen den Spiegeln, variiert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Laserbearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art die Fokuslage zu verändern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die optischen Achsen des in das Teleskop einfallenden und des aus dem Teleskop ausfallenden Laserstrahls parallel zueinander verlaufen und dass das Teleskop parallel zur optischen Achse des in das Teleskop einfallenden Laserstrahls verfahrbar ist.
Erfindungsgemäß verlaufen die optischen Achsen des in das Teleskop einfallenden und des aus dem Teleskop ausfallenden Laserstrahls parallel zueinander. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Teleskop parallel zur optischen Achse des in das Teleskop einfallenden Laserstrahls verfahren werden kann, und zwar entweder in gleicher oder entgegengesetzter Richtung des einfallenden Laserstrahls.
Durch die parallele und insbesondere kollineare Ausrichtung der beiden Spiegel können die reflektierenden Oberflächen der beiden Spiegel in einer einzigen Aufspannung (z. B. durch Diamantdrehen) bereits so genau hergestellt werden, dass eine nachträgliche Justage nicht mehr erforderlich ist. Daher sind bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung der Ellipsoidspiegel und der Paraboloidspiegel gegeneinander unverstellbar, d. h. ohne jegliche Justageeinrichtung, angeordnet. Beispielsweise können, bevor die reflektierenden Oberflächen der beiden Spiegel gefertigt werden, die Spiegelrohlinge auf ein gemeinsames Trägerelement montiert werden und dort dauerhaft fixiert bleiben.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen weist das Teleskop einen Zusatzspiegel auf, der die optische Achse des in das Teleskop einfallenden Laserstrahls parallel zur optischen Achse des aus dem Teleskop ausfallenden Laserstrahls ausrichtet. Diese Maßnahme ermöglicht die Verfahrbarkeit des Teleskops in Richtung des ein- bzw. ausfallenden Laserstrahls, ohne dass im Strahlengang des Laserlichts zusätzliche Optiken erforderlich sind. Bevorzugt ist der Zusatzspiegel im Strahlengang vor dem Paraboloidspiegel angeordnet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Teleskops mit Ellipsoid-, Paraboloid- und Zusatzspiegel in einer schematischen Darstellung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Teleskops in einer Darstellung analog zu 1;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Teleskops in einer Darstellung analog zu 1;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Teleskops in einer Darstellung analog zu 1; und
5 das erfindungsgemäße Teleskop mit einem gemeinsamen Trägerelement für den Ellipsoid- und den Paraboloidspiegel.
Das in 1 gezeigte Teleskop 1 ist vor den Scannerspiegeln einer Laserbearbeitungsmaschine angeordnet und dient sowohl zum Aufweiten des Laserstrahls 2 der Laserbearbeitungsmaschine als auch zum Variieren der Fokuslage des Laserstrahls 2.
Das Teleskop 1 umfasst einen konkaven Ellipsoidspiegel 3, einen konvexen Paraboloidspiegel 4 sowie einen planen Zusatzspiegel 5. Der Ellipsoid- und der Paraboloidspiegel 3, 4 haben eine kollineare Rotationsachse 6 und sind gegeneinander unverstellbar angeordnet. Der Ellipsoidspiegel 3 mit seinen zwei Brennpunkten ist durch die beiden Brennweiten f₁, f₂ und der Paraboloidspiegel 4 mit seinem einen Brennpunkt durch die Brennweite f₃ charakterisiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel fällt der Brennpunkt des Paraboloidspiegels 4 mit einem Brennpunkt des Ellipsoidspiegels 3 zusammen.
Der in das Teleskop 1 einfallende Laserstrahl 7 wird vom Zusatzspiegel 5 auf den Paraboloidspiegel 4 und von diesem auf den Ellipsoidspiegel 3 abgelenkt, der den aus dem Teleskop 1 ausfallenden Laserstrahl 8 bzw. dessen optische Achse 9 parallel zur optischen Achse 10 des einfallenden Laserstrahls 7 und in Richtung des einfallenden Laserstrahls 7 ablenkt. Das Teleskop 1 ist folglich – ohne Zwischenschaltung weiterer optischer Elemente – in Richtung der optischen Achse 9 bzw. 10, d. h. in Richtung des Doppelpfeils 11, verfahrbar, wodurch die Fokuslage des ausfallenden Laserstrahls 8 variiert werden kann.
Im Unterschied zum Teleskop der 1 ist bei dem in 2 gezeigten Teleskop 1 der Paraboloidspiegel 4 konkav ausgebildet und der Zusatzspiegel 5 anders ausgerichtet, um den einfallenden Laserstrahl 7 bzw. dessen optische Achse 10 parallel zur optischen Achse 9 des ausfallenden Laserstrahls 8 auszurichten.
Das Teleskop 1 der 3 unterscheidet sich vom Teleskop 1 der 1 dadurch, dass der Zusatzspiegel 5 den einfallenden Laserstrahl 7 bzw. dessen optische Achse 10 parallel zur optischen Achse 9 und in entgegengesetzter Richtung des ausfallenden Laserstrahls 8 ausrichtet.
Bei dem in 4 gezeigten Teleskop 1 ist der Zusatzspiegel 5 so angeordnet, dass die optische Achse 10 des einfallenden Laserstrahls 7 rechtwinklig zur optischen Achse 9 des ausfallenden Laserstrahls 8 gerichtet wird.
Wie in 5 gezeigt, sind der Ellipsoid- und der Paraboloidspiegel 3, 4 auf einem Trägerelement 12 gegeneinander unverstellbar fixiert, und zwar schon vor der Herstellung ihrer reflektierenden Oberflächen durch Diamantdrehen. Die Drehachse der Bearbeitungsmaschine, in der das Trägerelement 12 mit den Spiegelrohlingen eingespannt ist, verläuft bei der Herstellung der reflektierenden Oberflächen der beiden Spiegel 3, 4 kollinear zu deren Rotationsachse 6 (in 5 nicht dargestellt). Der Zusatzspiegel 5 kann separat oder ebenfalls auf dem Trägerelement 12 befestigt sein.

Claims

Laserbearbeitungsmaschine zum Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls (2), mit einem Teleskop (1) zum Aufweiten und Fokussieren des Laserstrahls (2), das einen Ellipsoidspiegel (3) und einen Paraboloidspiegel (4) aufweist, wobei die Rotationssymmetrieachsen (6) des Ellipsoidspiegels (3) und des Paraboloidspiegels (4) zueinander kollinear verlaufen und der Brennpunkt des Paraboloidspiegels (4) mit einem Brennpunkt des Ellipsoidspiegels (3) zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen (10, 9) des in das Teleskop (1) einfallenden und des aus dem Teleskop (1) ausfallenden Laserstrahls (7, 8) parallel zueinander verlaufen und dass das Teleskop (1) parallel zur optischen Achse (10) des in das Teleskop (1) einfallenden Laserstrahls (7) verfahrbar ist.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ellipsoidspiegel (3) und der Paraboloidspiegel (4) gegeneinander unverstellbar sind.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ellipsoidspiegel (3) und der Paraboloidspiegel (4) auf einem gemeinsamen Trägerelement (12) fixiert sind.
Laserbearbeitungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Teleskop (1) einen Zusatzspiegel (5) aufweist, der die optische Achse (10) des in das Teleskop (1) einfallenden Laserstrahls (7) parallel zur optischen Achse (9) des aus dem Teleskop (1) ausfallenden Laserstrahls (8) ausrichtet.