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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit einem drehbar gelagerten Polygonspiegel zur Umlenkung eines Laserstrahls, sowie mit einer im Strahlengang nachgelagerten Fokussiereinheit mit Fokussierungsmitteln zum Fokussieren des von dem Polygonspiegel auf die Fokussiereinheit umgelenkten Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück.
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Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
US 4,099,830 bekannt geworden. Die dort beschriebene Vorrichtung zur Bearbeitung von Kunststoffbahnen weist einen um zwei Achsen drehbar gelagerten Polygonspiegel auf, bei dem der Laserstrahl über eine Fokussiereinheit als Linienfokus auf das Werkstück projiziert wird. Zur Erzeugung des Linienfokus wird der Laserstrahl unter Verwendung einer Zylinderlinse in zwei zur Ausbreitungsrichtung senkrecht verlaufenden Richtungen auf unterschiedliche Weise abgelenkt bzw. abgebildet. Eine im Strahlengang nach dem Polygonspiegel angeordnete Linse dient einerseits der Fokussierung des Laserstrahls in der ersten Richtung und andererseits der Kollimierung des Laserstrahls in der zweiten Richtung. Bei Anwendungen, bei denen mehr als ein Linienfokus gleichzeitig zur Bearbeitung verwendet werden soll, kann vor dem Polygonspiegel ein optisches Element zur Strahlteilung vorgesehen werden. Durch den Einsatz mehrerer Teilstrahlen können mehrere Bearbeitungsprozesse parallel erfolgen und so die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden.
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Betrachtet man die durch diese Art der Strahlteilung zur Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit gebildeten Teilstrahlen als Gruppe, so kann über die Variation der Drehzahl des Polygonspiegels zwar der Abstand mehrerer Gruppen zueinander eingestellt werden, die Teilstrahlen innerhalb der Gruppe stehen dabei aber in einem konstanten Abstandsverhältnis. Eine flexible Wahl aller Strichabstände ist somit nicht realisierbar.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung bereitzustellen, welche sowohl eine hohe Prozessgeschwindigkeit als auch einen hohen Grad an Flexibilität für unterschiedliche Bearbeitungsanwendungen ermöglicht.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung der eingangs genannten Art, bei der die Fokussiereinheit mindestens einen Strahlteiler zur Teilung des umgelenkten Laserstrahls in mindestens zwei Teilstrahlen zur Erzeugung von mindestens zwei Fokuspunkten auf dem Werkstück aufweist, wobei der Strahlteiler zur Erzeugung eines variablen Abstands der Fokuspunkte auf dem Werkstück ausgebildet ist und zu diesem Zweck typischer Weise mindestens eine bewegliche optische Komponente aufweist.
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Bei der oben beschriebenen Vorrichtung ist die Beabstandung der Teilstrahlen voneinander und damit der Abstand zwischen den Fokuspunkten applikationsspezifisch abstimmbar und kann auch während eines Bearbeitungsprozesses angepasst werden. Vorteilhafterweise ist der Strahlteiler dabei derart ansteuerbar, dass die Beabstandung neben der applikationsspezifischen Voreinstellung auch abhängig von der Drehzahl des Polygonspiegels (und somit der Beabstandung der Gruppen von Teilstrahlen) anpassbar ist. Der Strahlteiler kann zusätzlich derart ausgebildet sein, dass auch die Strahlungsintensität pro Teilstrahl bzw. die Aufteilung der Leistung des Laserstrahls auf die jeweiligen Teilstrahlen einstellbar ist, wie weiter unten näher ausgeführt wird.
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In einer ersten Ausführungsform ist der Strahlteiler selbst als Fokussierungsmittel ausgebildet. In diesem Fall muss hinsichtlich der Funktion „Strahlteilung und Fokussierung” in der Fokussiereinheit bzw. zwischen der Fokussiereinheit und dem Polygonspiegel kein weiteres optisches Element vorgesehen werden. Bevorzugt werden die Fokussierungsmittel in diesem Fall reflektierend ausgebildet und weisen für jeden zu bildenden Teilstrahl mindestens einen entsprechenden Spiegelabschnitt bzw. ein entsprechendes Spiegelsegment auf.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Strahlteiler als ein den Fokussierungsmitteln in Strahlausbreitungsrichtung vorgelagertes optisches Element ausgebildet. Das im Strahlweg vorgelagerte optische Element kann hierbei Teil der Fokussiereinheit sein, oder alternativ im Strahlweg zwischen dem Polygonspiegel und der Fokussiereinheit angeordnet sein. Auch in diesem Fall ist das optische Element zur Strahlteilung bevorzugt reflektierend ausgebildet. Besonders bevorzugt wird in diesem Fall ein in der Vorrichtung vorgesehener Umlenkspiegel so ausgebildet, dass dieser eine Strahlteilung ermöglicht. Somit kann auf eine zusätzliche optische Komponente verzichtet und ein ohnehin schon in der Vorrichtung vorgesehenes optisches Element mit einer Zusatzfunktion als Strahlteiler ausgestattet werden.
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In einer Ausführungsform weist der Strahlteiler mindestens einen beweglichen Spiegelabschnitt auf. Der bzw. die beweglichen Spiegelabschnitte können zur Einstellung des Abstands der Fokuspunkte bzw. der Ausrichtung der Teilstrahlen zueinander einzeln in Strahlausbreitungsrichtung verschiebbar ausgebildet sein. Die Relativbewegung der Spiegelabschnitte zueinander wird bevorzugt über einen feststehenden und (zumindest) einen beweglichen Spiegelabschnitt umgesetzt.
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Bei einer Weiterbildung ist der mindestens eine Spiegelabschnitt schwenkbar und/oder verschiebbar ausgebildet. Hierzu sind dem Fachmann bekannte Antriebskomponenten, wie bspw. Piezo-Aktuatoren, Linearantriebe, Drehantriebe oder dergleichen, einsetzbar.
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Bei der Verwendung eines den Fokussierungsmitteln vorgelagerten optischen Elements zur Strahlteilung, z. B. eines im kollimierten Strahlengang angeordneten Umlenkspiegels, kann das optische Element in den Teilstrahlen entsprechende (insbesondere plane) Spiegelabschnitte unterteilt werden. Diese sind bevorzugt schwenkbar um eine (der Scan-Richtung entsprechende) Achse senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung gelagert, wobei der von den Spiegelflächen bzw. Spiegelabschnitten eingeschlossene Winkel ein Maß für die Beabstandung der Teilstrahlen ist.
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Insbesondere bei der Verwendung eines Strahlteilers, der als ein den Fokussierungsmitteln vorgelagertes optisches Element ausgebildet ist, ist bevorzugt nur einer der Spiegelabschnitte verschwenkbar ausgebildet. Dieser bildet seinen Teilstrahl auf einen Randbereich der Mittel zur Fokussierung des Laserstrahls ab, während der übrige Bereich – zumindest soweit dies durch den Schwenkwinkel realisierbar ist – von dem über den schwenkbaren Spiegelabschnitt umgelenkten Teilstrahl überstrichen werden kann. Somit ist die Einstellung einer maximal vorzusehenden Beabstandung der Teilstrahlen über die Bewegung nur eines Spiegelabschnitts mit den hieraus resultierenden Vereinfachungen im Aufbau, der Ansteuerung und der Kontrolle des Strahlteilers erzielbar. Hierbei können neben dem Verschwenken der Spiegelabschnitte zusätzlich oder alternativ Mechanismen zur Verschiebung der Spiegelabschnitte in Strahlausbreitungsrichtung vorgesehen werden.
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Bei geeigneter Ausrichtung des Strahlteilers zum Laserstrahl kann durch Verschiebung des mindestens einen beweglichen Spiegelabschnitts parallel zur optischen Achse des einfallenden Laserstrahls, d. h. in Strahlausbreitungsrichtung, der Abstand zwischen den Teilstrahlen und damit der Abstand zwischen den Fokuspunkten eingestellt werden.
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Durch die Wahl der Größe der Oberfläche der einzelnen Spiegelabschnitte bzw. des Strahlungsanteils des Laserstrahls, der auf einen jeweiligen Spiegelabschnitt auftrifft, sind zusätzlich die Leistungsanteile der Laserstrahlung pro Teilstrahl einstellbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Strahlteiler mindestens zwei bewegliche Spiegelabschnitte auf, von denen einer den Laserstrahl wahlweise in einer ersten Stellung zum ersten Fokuspunkt und in einer zweiten Stellung zum zweiten Fokuspunkt umlenkt. In diesem Fall übersteigt die Anzahl der Spiegelabschnitte die Anzahl der zu bildenden Teilstrahlen, so dass mindestens einer der Spiegelabschnitte wahlweise einem der zwei (oder mehr) Teilstrahlen und damit einem der zwei (oder mehr) Fokuspunkte zugeordnet werden kann. Der Spiegelabschnitt bzw. das Spiegelsegment, welches wahlweise dem einen oder dem anderen Teilstrahl zugeordnet wird, kann z. B. zwischen einem ortsfesten Spiegelabschnitt und einem weiteren beweglichen Spiegelabschnitt angeordnet sein. In diesem Fall kann der Spiegelabschnitt wahlweise entweder ortsfest verbleiben oder wird mit dem weiteren Spiegelabschnitt insbesondere synchron angesteuert und bewegt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Strahlteiler senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bzw. senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls (sowie senkrecht zur Scan-Richtung) verschiebbar. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die auf die Spiegelabschnitte fallenden Strahlungsanteile zu variieren, indem alle Spiegelabschnitte synchron verschoben werden, so dass deren relative Lage bezüglich des Laserstrahls und damit der auf einen jeweiligen Spiegelabschnitt auftreffende Strahlungsanteil variiert werden kann. Gegenüber der oben beschriebenen Verwendung von mehr Spiegelsegmenten als Teilstrahlen, die zu einem vergleichbaren Ergebnis führen würde, ist sowohl der konstruktive Aufbau als auch die Ansteuerung bei einer solchen Lösung weniger komplex, da zu diesem Zweck eine herkömmliche Linearverschiebeeinheit ausreichend ist.
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Insbesondere bei der Realisierung des Strahlteilers als Fokussierungsmittel kann es zudem sinnvoll sein, bei der Bearbeitung gekrümmter Flächen zusätzlich zur Verschiebung auch ein Verschwenken zumindest eines Spiegelabschnitts um eine Achse senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung vorzunehmen. Hierdurch ist neben dem Abstand der Teilstrahlen auch deren Fokuslage beeinflussbar.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Strahlteiler eine Grundstellung auf, bei der die mindestens zwei Fokuspunkte zusammenfallen. in der Grundstellung wird der gesamte auf den Strahlteiler auftreffende Laserstrahl in einen einzigen Fokuspunkt. fokussiert. Bei der Verwendung eines Umlenkspiegels als Strahlteiler können hierbei alle Spiegelabschnitte in einer gemeinsamen Umlenkebene angeordnet sein, bei der Verwendung eines fokussierenden Spiegels als Strahlteiler können benachbarte Spiegelabschnitte in der Grundstellung aneinander anschließen und die zugehörigen Spiegelflächen stetig ineinander übergehen. Durch das Vorsehen einer solchen Grundstellung wird die Flexibilität bei der Bearbeitung erhöht, da auch Bearbeitungen möglich sind, bei denen die gesamte Strahlungsleistung des Laserstrahls in einem einzigen Fokuspunkt gebündelt ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist der variable Abstand zwischen den Fokuspunkten in Abhängigkeit von einer Verschiebegeschwindigkeit des Werkstücks einstellbar. Dies ist insbesondere günstig, um auch bei einer Variation, insbesondere beim Hoch- oder Herunterregeln, der Verschiebegeschwindigkeit des typischer Weise bandförmigen Werkstücks den Strichabstand variieren oder konstant halten zu können. Auf diese Weise kann unabhängig von der Vorschub- bzw. Verschiebegeschwindigkeit ein gutes Bearbeitungsergebnis erreicht und der Ausschuss reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich zur Einstellung des Abstandes in Abhängigkeit von der Verschiebegeschwindigkeit kann eine Variation der Abstände der Fokuspunkte bzw. der in Scan-Richtung erzeugten Striche in Abhängigkeit von unterschiedlichen Qualitäten und Dicken des zu bearbeitenden Werkstücks zur Effizienzverbesserung bzw. zur Verbesserung der Produktqualität sinnvoll sein.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung wiedergegebener Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Die Figuren der Zeichnung zeigen den erfindungsgemäßen Gegenstand stark schematisiert und sind nicht maßstäblich zu verstehen. Die einzelnen Bestandteile es erfindungsgemäßen Gegenstands sind so dargestellt, dass ihr Aufbau gut gezeigt werden kann.
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Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit einer Fokussiereinheit,
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2 eine Detailansicht der Fokussiereinheit von 1 in einer Ausführungsform mit einem Umlenkspiegel als variablem Strahlteiler, und
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3 eine Seitenansicht einer Fokussiereinheit mit einem Fokussierspiegel als variablem Strahlteiler.
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung 1 für eine so genannte Laser-Scribing-Anlage mit einem drehbar gelagerten Polygonspiegel 3, der einen von einer (nicht gezeigten) Laserquelle erzeugten Laserstrahl 2 auf eine Fokussiereinheit 4 umlenkt. Der Polygonspiegel 3 weist einen Antrieb 3a in Form eines Servomotors auf, um den Polygonspiegel 3 mit einer gewünschten Dreh-Geschwindigkeit anzutreiben.
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Die Fokussiereinheit 4 umfasst einen ersten planen Umlenkspiegel 6', der den Laserstrahl 2 um 90° auf einen zweiten planen Umlenkspiegel 6 umlenkt. Über den zweiten Umlenkspiegel 6 wird der Laserstrahl 2 auf Mittel zur Fokussierung des Laserstrahls 2 in Form eines Fokussierspiegels 5 umgelenkt. Die Strahlteilung erfolgt hier gemäß eines in 2 näher beschriebenen Strahlteilungsprinzips über den zweiten Umlenkspiegel 6. An dieser Stelle sei angemerkt, dass als Strahlteiler dieser Art auch alternativ der erste Umlenkspiegel 6' eingesetzt werden kann bzw. bei mehrfach gewünschter Strahlteilung beide Umlenkspiegel 6, 6' eingesetzt werden können. Die auf den Fokussierspiegel 5 auftreffenden Teilstrahlen 7, 8 werden in zwei horizontal beabstandete Fokuspunkte 9, 10 auf einem Werkstück 11 fokussiert, bei dem es sich im vorliegenden Beispiel um ein bandförmiges Blech handelt, welches mit einer Geschwindigkeit V in Vorschubrichtung (vgl. den Pfeil in 1) bewegbar ist.
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Der in 1 gezeigte Aufbau mit zwei Umlenkspiegeln 6, 6' und einem ebenfalls umlenkenden Fokussierspiegel 5 resultiert in einer kompakten Bauweise der Fokussiereinheit 4.
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In 2 und 3 werden zwei Strahlteilungsprinzipien anhand eines Ausschnitts der Fokussiereinheit 4, der die Strahlführung und Formung über den zweiten Umlenkspiegel 6 und den Fokussierspiegel 5 wiedergibt, näher erläutert.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der plane Umlenkspiegel 6 zur Strahlteilung verwendet. Zu diesem Zweck ist der Umlenkspiegel 6 in zwei benachbarte, plane Spiegelabschnitte 6a, 6b unterteilt, und zwar in einen ersten, feststehenden Spiegelabschnitt 6a und einen zweiten, beweglichen Spiegelabschnitt 6b, der um eine Achse 13 drehbar gelagert ist. Die Achse 13 verläuft senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung und parallel zu einer Scan-Richtung der Fokuspunkte 9, 10 auf dem Werkstück 11, welche durch die Umlenkung des Laserstrahls 2 an einer jeweiligen Spiegelfacette des Polygonspiegels 3 festgelegt wird. Der auf den feststehenden Spiegelabschnitt 6a auftreffende Anteil des Laserstrahls 2 wird als Teilstrahl 7 auf einen unteren Abschnitt des gekrümmten Fokussierspiegels 5 umgelenkt, während der auf den drehbar gelagerten Spiegelabschnitt 6b auftreffende Teilstrahl 8 auf einen oberen Abschnitt des Fokussierspiegels 5 umgelenkt wird. In Abhängigkeit von der Winkelstellung des beweglichen Spiegelabschnitts 6b ergibt sich eine Beabstandung der an dem Fokussierspiegel 5 umgelenkten Teilstrahlen 7, 8 und somit ein Abstand a der Fokuspunkte 9, 10 auf dem Werkstück 11.
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Die Spiegelflächen der Spiegelabschnitte 6a, 6b schließen einen Winkel α bezüglich der Drehachse 13 ein. Bei einem Winkel von α = 180° befindet sich der als Strahlteiler genutzte Umlenkspiegel 6 in einer Grundstellung, bei der die Spiegelabschnitte 6a, 6b eine plane Fläche ausbilden, so dass die den Spiegelabschnitten 6a, 6b zugeordneten Teilstrahlen 7, 8 aneinander angrenzen und damit die Fokuspunkte 9, 10 in einem einzigen Fokuspunkt zusammenfallen. Beim Verschwenken des beweglichen Spiegelabschnitts 6b aus dieser Winkelstellung entfernt sich der zweite Teilstrahl 8 mit zunehmendem Winkel α vom ersten, ortsfesten Teilstrahl 7, so dass der Abstand α zwischen den Fokuspunkten 9, 10 zunimmt.
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Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Strahlteilung über den Fokussierspiegel 5. Hierzu ist der Fokussierspiegel 5 in drei Spiegelabschnitte 5a, 5b, 5c unterteilt. Der erste Spiegelabschnitt 5a ist feststehend, während der zweite und dritte Spiegelabschnitt 5b, 5c beweglich, im vorliegenden Fall verschiebbar ausgeführt sind. Die Bewegung des zweiten und dritten Spiegelabschnitts 5b, 5c erfolgt mittels eines (nicht gezeigten) Antriebs parallel zur optischen Achse 2a des über den Umlenkspiegel 6 auf den Fokussierspiegel 5 umgelenkten Laserstrahls 2. Ausgehend von einer (nicht gezeigten) Grundposition, bei der die Spiegelabschnitte 5a, 5b, 5c eine gemeinsame Spiegelfläche mit sich stetig verändernder Krümmung bilden, so dass keine Teilstrahlen gebildet werden, können der zweite und dritte Spiegelabschnitt 5b, 5c unabhängig voneinander in Laserstrahlrichtung 2a verschoben werden, um drei (nicht gezeigte) Teilstrahlen zu bilden.
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Im vorliegenden Beispiel werden der zweite und dritte Spiegelabschnitt 5b, 5c aber synchron bewegt, so dass diese einen gemeinsamen Teilstrahl 8 und damit einen gemeinsamen Fokuspunkt 10 auf dem Werkstück 11 bilden. Der Abstand a der beiden Fokuspunkte 9, 10 auf dem Werkstück 11 entspricht in diesem Fall dem Verschiebeweg des zweiten und dritten Spiegelabschnitts 5b, 5c aus der Grundstellung. Es versteht sich, dass zur Veränderung des Anteils der auf den jeweiligen Fokuspunkt 9, 10 auftreffenden Laserleistung der zweite Spiegelabschnitt 5b alternativ in seiner Grundstellung belassen und lediglich der dritte Spiegelabschnitt 5c verschoben werden kann. in diesem Fall dient der zweite Spiegelabschnitt 5b der Erzeugung des ersten Teilstrahls 7 und erhöht so die am ersten Fokuspunkt 9 auf das Werkstück 11 auftreffende Laserleistung.
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Es versteht sich, dass zur Einstellung einer gewünschten Verteilung der Laserleistung auf die beiden Fokuspunkte 9, 10 alternativ oder zusätzlich auch der gesamte als Strahlteiler dienende Fokussierspiegel 5 von 3 bzw. der Umlenkspiegel 6 von 2 mittels einer (nicht gezeigten) Linearverschiebeeinrichtung quer zur optischen Achse 2a des Laserstrahls 2 verschoben werden können, um den auf einen jeweiligen Spiegelabschnitt 5a bis 5c, 6a, 6b auftreffenden Anteil der Strahlungsintensität der Laserstrahlung zu variieren.
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Die zur Bewegung der Spiegelabschnitte 5a bis 5c, 6a, 6b verwendeten Bewegungseinrichtungen können mit Hilfe einer Steuerungseinrichtung 12 (vgl. 1) angesteuert werden, die als programmierbare Einheit (z. B. als Computer) ausgebildet sein kann. Die Ansteuerung kann insbesondere in Abhängigkeit von der Verschiebegeschwindigkeit V des Werkstücks 11 erfolgen, d. h. der Abstand a zwischen den Fokuspunkten 9, 10 kann in Abhängigkeit von der Verschiebegeschwindigkeit V eingestellt werden. Es versteht sich, dass die Steuerungseinrichtung 12 auch zur Einstellung der Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels 3 über den Servo-Motor 3a dienen kann. Die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels 3 beeinflusst den Abstand zwischen aufeinander folgenden Gruppen von Linien, die jeweils durch das Scannen der Fokuspunkte 9, 10 über das Werkstück 11 in einer Scan-Richtung quer zur Verschieberichtung bei der Umlenkung an einer jeweiligen Spiegelfacette des Polygonspiegels 3 erzeugt werden. Auch die Einstellung der Verschiebegeschwindigkeit V des Werkstücks 11 kann durch eine in der Vorrichtung 1 vorgesehene Steuerungseinrichtung 12 erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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