DE19752521C2 - Vorrichtung zum Einkoppeln eines Laserstrahls in einen Lichtleiter - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln eines Laserstrahls in einen Lichtleiter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Bearbeiten, beispielsweise zum Beschriften, von Werkstücken mit Hilfe eines Lasers wird der Laserstrahl in der Regel mit Hilfe eines Lichtleiters an den Bearbeitungsort am Werkstück geleitet. Am Ausgang des Lichtleiters befindet sich eine entsprechende Vorrichtung zur Bearbeitung des Werkstücks. Dies kann beispielsweise in Form eines sogenannten Galvokopfs vorliegen, der den Laserstrahl fokussiert und zur Herstellung einer Beschriftung ablenkt.

Die am Ausgang des Lichtleiters ankommende Laserleistung hängt nicht nur von der Ausgangsleistung des verwendeten Lasers, sondern auch von der Einkopplung in den Lichtleiter ab. Bislang werden hierzu in der Regel Steckhalterungen (Koluminatoren) für den Lichtleiter verwendet, die eine feste Position und Ausrichtung des Lichtleiters vorgeben.

Zudem ist das Einkoppeln des Laserstrahles in den Lichtleiter äußerst kritisch, da hier das fokussierte Licht mit seiner vollen Leistung auf die Planfläche des Lichtleiters trifft.

Ein falsches Einkoppeln, wobei der Fokuspunkt hinter der Oberfläche (im Lichtleiter) liegt, führt zu starker Erwärmung des Lichtleiters und hat seine Beschädigung zur Folge.

Liegt der Fokuspunkt jedoch außerhalb des Lichtleiters, kann die aufgebrachte Energie nicht vollständig genutzt werden, da Leistung verloren geht.

Die Lösungen verschiedener Hersteller beruhen auf einer Sammellinse mit vorgelagertem Fokuspunkt. Man nimmt hiermit den Leistungsverlust in Kauf.

Es sind bereits Vorrichtungen zum Einkoppeln eines Bearbeitungslaserstrahls in Lichtleitfasern bekannt, die Verstelleinrichtungen zum Positionieren der Faserenden aufweisen (vgl. Hering, P.: Neues über optische Fasern für gepulste Laser, in: Laser und Optoelektronik, 18, S. 48-50; EP 0 507 483 A1 sowie Dressel, M. (u. a.): Quarzglasfasern für die Übertragung von Excimerlaserpulsen hoher Leistung, in: Laser und Optoelektronik, 1990, S. 76-81). Diese Druckschriften verweisen jedoch lediglich darauf, daß zur Optimierung der Einkopplung des Laserstrahls in die Faser viel Mühe und eine aufwendige Messelektronik erforderlich ist.

Darüber hinaus ist die Verwendung einer Fotokamera im Vergleich zu einem sogenannten Beamscan-Verfahren zur Erfassung des Strahlprofils eines Laserstrahls bekannt (vgl. Hull, D. (u. a.): Laserbeam Profils-Equipment and Techniques, in: Lasers & Applications, Nov. 1985, S. 71- 76).

Vorteile der Erfindung

Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mittels der die Einkopplung eines Laserstrahls in einen Lichtleiter mit wenig Aufwand zu erreichen ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einkoppeln eines Laserstrahls in einen Lichtleiter dadurch aus, daß eine Verstelleinheit zur Positionierung und/oder Ausrichtung des Lichtleitereingangs in Bezug zum einfallenden Laserstrahl vorhanden ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine solche Justage vorzunehmen, da hierdurch die zur Bearbeitung des Werkstücks zur Verfügung stehende Laserleistung erhöht wird. Die Verluste beim Einkoppeln des Laserstrahls werden reduziert, so daß der Laser insgesamt mit niedrigerer Leistung betrieben werden kann. Hierdurch sowie durch die sich dadurch ergebende längere Lebensdauer des Lasers und des Lichtleiters werden die Betriebskosten einer derartigen Anlage deutlich reduziert.

Erfindungsgemäß wird am Ausgang des Lichtleiters eine Abbildungsvorrichtung für den Laserstrahl vorgesehen. Anhand dieser Abbildung, die sich je nach Justage des Lichtleiters verändert, kann somit die Verstelleinheit an der Einkoppelstelle bedient werden. Die Abbildungsvorrichtung kann in einer einfachen Ausführungsform als Bildschirm, das heißt im Falle eines IR-Lasers als sogenannter IR-Catcher (d. h. einen Bildschirm, der das einfallende IR-Licht sichtbar macht) ausgeführt sein. Eine derartige Abbildungsvorrichtung stellt eine besonders günstige Maßnahme dar, um die vorgenommene Justierung zu beurteilen. Es wäre jedoch auch denkbar, Detektoren an dieser Stelle vorzusehen, die unmittelbar die Laserleistung messen.

Erfindungsgemäß wird eine Kamera zur Aufnahme des Abbilds des Laserstrahls auf dem Bildschirm bzw. IR-Catcher vorgesehen. Einerseits wird hierdurch die Speicherung eines bestimmten Bildes bei einer bestimmten Laserleistung oder eingestellten Justierung möglich, so daß spätere Aufnahmen mit einem derartigen Bild verglichen werden kann.

Zum andern ermöglicht die Kamera in Verbindung mit einem Monitor die Online-Überwachung der Justierung während der Bedienung der Verstelleinheit.

Der Monitor kann unmittelbar im Bereich der Einkoppelstelle des Laserlichts aufgestellt werden, wobei eine entsprechende Verbindungsstrecke, beispielsweise mittels eines Kabels oder auch eine drahtlose Verbindungsstrecke, zur Kamera vorgesehen wird. Somit ist auch bei größeren Entfernungen zwischen der Einkoppelstelle, das heißt dem Standort des Lasers, und dem Austrittsort des Laserlichts aus dem Lichtleiter, das heißt dem Bearbeitungsort des Werkstücks, eine Online-Überwachung der Güte der Justage unmittelbar an der Einkoppelstelle möglich, an der sich die entsprechende Bedienperson zur Betätigung der Verstelleinheit befindet.

In einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung wird die Kamera unter einem Winkel in Bezug zum einfallenden Laserstrahl auf die Vorderseite des IR-Catchers gerichtet. Der Laserstrahl kann hierbei seitlich an der Kamera vorbei auf den IR-Catcher einfallen. Ein möglichst spitzer Winkel der Kamera in Bezug zum Laserstrahl verringert die durch den Blickwinkel hervorgerufenen Abweichungen der Abbildung von einer zum Laserstrahl konzentrischen Blickrichtung der Kamera.

Durch den schrägen Blickwinkel ergibt sich zum einen eine ovale Verzerrung eines an sich kreisrunden Bildes und zum anderen eine durch unterschiedliche Brennweiten, unterschiedlich scharfe Abbildungen, beispielsweise der Umfangskontur eines solchen Bildes. Diese Abweichungen können durch ein entsprechendes Vorsatzobjektiv vor der Kamera, wie sie beispielsweise aus der Mikroskopie bekannt sind, kompensiert werden.

Denkbar wäre jedoch auch eine andere Anordnung optischer Bauteile, beispielsweise halbdurchlässiger Spiegel, Prismen oder ähnlicher Komponenten.

Eine weitere Variante zur Aufnahme eines Bildes des auf den Bildschirm treffenden Laserstrahls wäre dadurch gegeben, daß der Bildschirm zumindest teilweise für die Wellenlänge des Laserlichts bzw. des durch den u. U. nicht sichtbaren auftreffenden Laserstrahl erzeugten Lichts transparent ausgebildet wird, so daß die Kamera auf der Rückseite des Bildschirms aufgestellt werden kann.

Wie bereits oben angedeutet, sind neben der Verwendung einer Kamera auch andere Detektoren zur Beurteilung der Güte des austretenden Laserlichts verwendbar.

Wesentlich für die Erfindung ist die Möglichkeit der Optimierung des Laserlichts am Austritt des Lichtleiters durch eine entsprechende Justage an der Einkoppelstelle des Laserlichts in den Lichtleiter, wobei in vorteilhaften Ausführungsformen die Güte des aus dem Lichtleiter austretenden Laserlichts online an der Einkoppelstelle für die die Verstelleinheit bedienende Person kontrollierbar ist.

Die Verstelleinheit selbst kann unterschiedlich ausgebildet werden, in Frage kommen beispielsweise Kugelkopfverstellmechanismen, Linearvorschübe usw.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird die vom Detektor am Ausgang des Lichtleiters erfaßte Größe, beispielsweise die Laserintensität oder aber auch das auf dem Bildschirm abgebildete Bild des Laserstrahls in einer Auswerteeinheit, beispielsweise einer Bildauswertung verarbeitet und in Gütekriterien für die Güte des Laserstrahls umgesetzt.

Diese Ausführungsform läßt sich noch vorteilhafter dahingehend fortbilden, daß das Ergebnis dieser selbsttätigen Auswertung für die automatische Justage verwendet wird, wobei hierbei die Verstelleinheit für die Positionierung und/oder Ausrichtung des Lichtleiters an der Einkoppelstelle ansteuerbar ausgebildet wird.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.

Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Kameraanordnung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 einen Halter für einen sogenannten IR-Catcher in der Draufsicht,

Fig. 3 einen Halter gemäß Fig. 2 im Längsschnitt und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer objektiven Anordnung in Bezug zu einem IR-Catcher.

Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 umfaßt eine Strahlaufweitung 2, die auf einer Grundplatte 3 montiert ist. Die Strahlaufweitung 2 sitzt am Ausgang eines nicht näher dargestellten Lichtleiters und weitet den Laserstrahl auf einen zur Bearbeitung eines Werkstückes benötigen Durchmesser auf.

Ein gestrichelt dargestellter Laserstrahl 4 trifft auf einen Bildschirm 5, der im Falle eines IR-Lasers ein sogenannter IR-Catcher ist. Unter dem Winkel α, der möglichst klein gehalten wird, steht ein Objektiv 6 einer Kamera 7. Der Winkel α des Objektivs in Bezug zur Achse des einfallenden Laserstrahls 4 wird vorzugsweise kleiner als 35 Grad beispielsweise mit 20 Grad gewählt.

Der Bildschirm 5 besteht aus einer Bildschirmplatte 8 (vergleiche Fig. 4) die in eine Nut 9 eines U-förmigen Bildschirmhalters 10 eingesteckt ist. Der Bildschirmhalter 10 ist über eine Schraubverbindung 11 an der Grundplatte 3 montiert.

In Fig. 4 ist durch eine Kreislinie das Bild 12 eines auftreffenden Laserstrahls 4 dargestellt, das über das schräg angeordnete Objektiv 6 und die Kamera 7 (vergleiche Fig. 1) aufgenommen wird.

Am Einkoppelort des Laserstrahls in die Lichtleitfaser (nicht näher dargestellt), wird der Lichtleiter bezüglich seiner Position und Ausrichtung vor der Lichtquelle justiert. Diese Justage kann beispielsweise mit Hilfe exzentrischer Kugelköpfe, jedoch auch mit Hilfe anderer Verstellvorrichtungen vorgenommen werden. Die Justage ist hierbei mit hoher Präzision möglich.

Heute als Lichtleiter gebräuchliche Glasfasern weisen einen kleinen Durchmesser z. B. von 4/10 mm auf. Nach Durchlauf des Laserstrahls durch die Strahlaufweitung 2 am Ende des Lichtleiters liegt in der Regel der Durchmesser des Laserstrahls bei ca. 1 mm. Zur Verbesserung der Justage an der Einkoppelstelle empfiehlt es sich daher, zusätzlich eine Vergrößerung des Abbildes des Lasers auf dem Bildschirm 5 vorzunehmen. Dies kann beispielsweise mit Hilfe des Objektivs 6, jedoch bei entsprechend hoher Auflösung der Kamera auch über eine entsprechende Bildauswerteeinheit vorgenommen werden. Auch Abbildungsfehler können anstelle oder in Kombination mit einem Spezialobjektiv der o. a. Art durch eine entsprechend programmierte Auswerteeinheit behoben werden.

Bei einer Abbildungsvorrichtung der vorgestellten Art ist beispielsweise der Kontrast des abgebildeten Lichtpunktes am Strahlumfang ein Qualitätskriterium für die Güte des Laserstrahls. Dieser Kontrast ist gegebenenfalls auch automatisch auswertbar.

Die dargestellte Vorrichtung 1 wird bevorzugt in einen geschlossenen eventuell beleuchteten Gehäuse, z. B. einem Koffer, aufgebaut, so daß eine mobile Einheit unter Einhaltung aller Sicherheitsmaßnahmen zur Verfügung steht. Im Servicefall kann so bei laufenden Produktionsprozessen justiert werden. 1 Vorrichtung
2 Strahlaufweitung
3 Grundplatte
4 Laserstrahl
5 Bildschirm
6 Objektiv
7 Kamera
8 Bildschirmplatte
9 Nut
10 Bildschirmhalter
11 Schraubvorrichtung
12 Bild

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Einkoppeln eines Laserstrahls in einen Lichtleiter, der den Laserstrahl an einen Bearbeitungsort zur Bearbeitung eines Werkstücks leitet, wobei eine Verstelleinheit zur Verstellung der Positionierung und/oder Ausrichtung des Lichtleiters im Einkoppelbereich des einfallenden Laserstrahls und am Ausgang des Lichtleiters ein Detektor zur Erfassung der Güte des austretenden Laserstrahls vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor eine Abbildungsvorrichtung mit einem Bildschirm (5) vorgesehen ist, auf dem sich der Laserstrahl (4) als Bild (12) abbildet, und daß eine Kamera (7) zur Aufnahme des Bilds (12) auf dem Bildschirm (5) und zur online-Überwachung der Verstellung der Positionierung und/oder Ausrichtung des Lichtleiters ein Monitor für das Kamerabild vorgesehen sind und eine Verbindungsstrecke vom Monitor zur Kamera (7) vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (7) oder das zugehörige Objektiv (6) unter einem Winkel (α) zum einfallenden Laserstrahl (4) auf der Vorderseite des Bildschirms (5) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildschirm (5) wenigstens teilweise transparent für den einfallenden Laserstrahl (4) oder für das vom einfallenden Laserstrahl (4) erzeugte Licht ist und die Kamera (7) hinter dem Bildschirm (5) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (6) wenigstens eine Korrekturlinse zur Korrektur der durch den Blickwinkel (α) verursachten Abbildungsabweichungen umfaßt.