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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Lagekorrektur eines Laserstrahls gepulster Strahlquellen in Verbindung mit einer Scannereinrichtung mit wenigstens einem Polygonspiegel zur Beaufschlagung eines Werkstücks mit Laserstrahlen der gepulsten Strahlquelle und Verwendungen wenigstens eines in der Laserstrahlung einer Strahlquelle angeordneten Elements.
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Zur Lagekorrektur von Laserpulsen werden auf der Reflexion beruhende laserstrahlbeeinflussende Einrichtungen verwendet. Diese weisen aber eine geringe Präzision auf und sind somit in ihrer Lagekorrektur ungenau.
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Die Druckschrift
DE 34 06 676 A1 offenbart eine Einrichtung zur Lagekorrektur eines über eine Gelenkoptik geführten Laserstrahls. Die Gelenkoptik enthält ausgangsseitig einen positionsempfindlichen Detektor, dessen Signal einen am Eingang der Gelenkoptik angeordneten Stellspiegel zugeführt wird. Mit diesem wird ein Auswandern des Laserstrahls infolge von Fehlern in den Führungen und Lagern des Gelenkarms kompensiert.
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Der in den Schutzansprüchen 1 und 11 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lageverschiebung von Laserstrahlung zur Phasenanpassung einer festfrequenten Laserstrahlquelle hinsichtlich des Eintreffens von Laserpulsen auf einer Bearbeitungsebene zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird mit den in den Schutzansprüchen 1 und 11 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Einrichtungen zur Lagekorrektur eines Laserstrahls gepulster Strahlquellen in Verbindung mit einer Scannereinrichtung mit wenigstens einem Polygonspiegel zur Beaufschlagung eines Werkstücks mit Laserstrahlen der gepulsten Strahlquelle zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass eine Lageverschiebung der Laserstrahlung zur Phasenanpassung der festfrequenten Laserstrahlquelle hinsichtlich des Eintreffens von Laserpulsen auf einer Bearbeitungsebene des Körpers realisierbar ist.
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Dazu ist im Strahlengang der gepulsten Strahlquelle mit einer Festfrequenz wenigstens ein kippbares und für die Laserstrahlen transparenter Körper angeordnet. Der transparente Körper ist weiterhin zum Kippen mit einem Mechanismus und/oder einem Antrieb verbunden. Der Antrieb ist mit einer Steuereinrichtung so verbunden, dass zur Anpassung der festfrequenten Strahlquelle bezüglich des Auftreffortes der Laserpulse auf der Oberfläche des Werkstücks die Lage der Laserstrahlen in Ablenkrichtung mit dem transparenten Körper zur Korrektur des Auftreffortes der Laserpulse der gepulsten Strahlquelle verschoben wird.
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Vorteilhafterweise wird wenigstens ein im Strahlengang der mit einer Festfrequenz gepulsten Strahlquelle kippbare und für die Laserstrahlung transparente Körper, welcher zum Kippen mit einem Mechanismus und/oder einem Antrieb in Verbindung mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, zur Korrektur des Auftreffortes der Laserpulse der gepulsten Strahlquelle verwendet. Dazu wird zur Anpassung der festfrequenten Strahlquelle bezüglich des Auftreffortes der Laserpulse auf der Oberfläche eines Werkstücks die Lage der Laserstrahlung in Ablenkrichtung mit dem transparenten Körper verschoben.
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Bei Linien, welche mit gepulster Laserstrahlung mit einer Ablenkung mittels eines Polygonspiegels als Polygonscanner erzeugt werden, kann es vorkommen, dass die Wirkorte nicht genau zueinander stehen. Die Länge der Linien sind durch die Länge der Spiegelflächen in Drehrichtung des Polygonspiegels bestimmt, so dass die Linien Strecken von Auftreffpunkten der Laserpulse sind. Der Abstand dieser Strecken wird durch eine dem Polygonspiegel nachgeordnete Einrichtung zur Ablenkung der Laserstrahlung erreicht, wozu insbesondere ein Galvoscanner eingesetzt werden kann. Dieser wird im Abstand benachbarter Spiegelflächen geschalten. Ein Sachverhalt, wobei die durch die Auftreffpunkte der Laserpulse hervorgerufenen Wirkorte nicht genau zueinander stehen, kann insbesondere bei festfrequenten Laserstrahlquellen auftreten. An den Wirkorten kann so anstelle eines Rechtecks ein schiefwinkliges Parallelogramm entstehen. Deshalb muss nach jeder Zeile der Wirkort so angepasst werden, dass die Pulse exakt quasi phasenrichtig auftreffen und in beide Richtungen senkrecht zueinander stehen. Eine Anpassung des Polygonspiegels in Form eines Polygonrads kann nicht so schnell in der Drehgeschwindigkeit erfolgen. Zur Anpassung sind minimale Nachstellungen der Auftrefforte zwischen den Umschaltungen der Zeilen notwendig. Dieses Problem wird mit dem transparenten Körper gelöst, welcher den Laserstrahl vor dem Polygonspiegel leicht in Polygonscanrichtung ablenkt, bis die nächste Linie wieder quasi die gleiche Phase wie die vorhergehende Linie in Form der Strecke aufweist. Das bedeutet, dass der erste Puls der zu erzeugenden Linie exakt beabstandet und so parallel verschoben zum ersten Puls der vorherigen Linie auftrifft. Die Ablenkung führt quasi zu einer zusätzlichen Bewegung des Laserstrahlfokus.
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Dazu kann die Lage der Phasen der Laserstrahlen mit einer Festfrequenz und der Umdrehungsfrequenz des Antriebs des Polygonspiegels so gepasst werden, dass die Pulsmuster innerhalb der Linien quasi parallel zueinander verlaufen. Das erfolgt quasi statisch. Zusätzlich können auch die Abstände der Wirkorte in der Linie korrigiert werden, zumindest dann, wenn die Abweichungen mathematischen Funktionen entsprechen. Wenn beispielsweise die Linsenfunktion einer Fokussieroptik nicht exakt ist, und die Wirkorte in einer Linie in der Mitte einen kleineren Abstand haben als außen, könnte das in den mechanischen Grenzen ausgeglichen werden. Dabei muss nur begrenzte Beschleunigung des transparenten Körpers beachtet werden. Damit wäre ein dynamischer Ausgleich gegeben.
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Vorteilhafterweise erfolgt mittels der Einrichtung zur Lagekorrektur eines Laserstrahls gepulster Strahlquellen eine präzise steuerbare Lageverschiebung der Laserstrahlung innerhalb eines Scannersystems mit einem Polygonspiegel als Polygonscanners zur Phasenanpassung festfrequenter Laserstrahlquellen in Bezug des Eintreffens von Laserpulsen auf der Bearbeitungsebene des Werkstücks.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den folgenden Ausführungsformen angegeben.
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Der kippbare und für die Laserstrahlen transparente Körper kann in einer Ausführungsform eine planparallele Platte sein.
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Im Strahlengang der Laserstrahlen sind in einer Ausführungsform zwei transparente Körper nacheinander und beabstandet zueinander angeordnet, wobei sich zwei ebene Seitenflächen der Körper gegenüberstehen. Wenigstens einer dieser transparenten Körper ist so kippbar angeordnet, dass der Winkel zwischen den ebenen Seitenflächen der Körper veränderbar ist. Die zwei sich zunächst kompensierenden transparenten Körper führen vorteilhafterweise nur zum Strahlversatz, der Laserstrahl wird parallel weitergeführt. Bei einer Verdrehung eines Körpers wird der Laserstrahl abgelenkt.
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Im Strahlengang der Laserstrahlen sind in einer Ausführungsform zwei transparente und keilförmig ausgebildete Körper nacheinander und beabstandet zueinander angeordnet, wobei sich zwei ebene Seitenflächen der Körper gegenüberstehen. Wenigstens einer dieser transparenten Körper ist so kippbar angeordnet ist, dass der Winkel zwischen den sich gegenüberliegenden ebenen Seitenflächen der Körper veränderbar ist.
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Im Strahlengang der Laserstrahlen sind in einer Ausführungsform zwei gleich große transparente und keilförmig ausgebildete Körper nacheinander und beabstandet zueinander angeordnet. Das führt dazu, dass der Laserstrahl ohne Kippung des Körpers seine Richtung beibehält.
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Die Scannereinrichtung kann wenigstens einen Polygonspiegel und einen im Strahlengang der Laserstrahlen vorgeordneten oder nachgeordneten Galvoscanner aufweisen.
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Der transparente Körper kann im Strahlengang vor oder nach dem Polygonspiegel angeordnet sein.
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Die Steuereinrichtung ist insbesondere mit dem Mechanismus und/oder dem Antrieb des transparenten Körpers so verbunden, dass eine Lagedifferenz zwischen zwei benachbarten Strecken gebildet aus Punkten, welche mittels der Laserpulse entsprechend der Länge einer Spiegelfläche in Drehrichtung des Polygonspiegels ausgebildet sind und welche durch eine Phasenverschiebung zwischen Schwingungen der mit der Festfrequenz betriebenen gepulsten Strahlquelle und eines frequenzgesteuerten elektrischen Motors des Polygonspiegels durch den betriebenen Polygonspiegel hervorgerufen wird, mit dem transparenten Körper zur Korrektur des Auftreffortes der Laserpulse der gepulsten Strahlquelle korrigiert wird. Die benachbarten Strecken sind parallel verschoben zueinander angeordnet und befinden sich innerhalb eines Rechtecks.
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Die mit dem Antrieb des transparenten Körpers verbundene Steuereinrichtung ist in einer Ausführungsform ein Datenverarbeitungssystem. Weiterhin sind eine Sensoreinrichtung zur Winkelmessung des Polygonspiegels, die gepulste Strahlquelle und der Motor des Polygonspiegels mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden, wobei das Datenverarbeitungssystem ein die Phasenverschiebung ermittelndes und ein den Antrieb des transparenten Körpers in Echtzeit entsprechend der Phasenverschiebung steuerndes Datenverarbeitungssystem ist.
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Die Sensoreinrichtung zur Winkelmessung des Polygonspiegels kann insbesondere ein optischer Encoder sein. Bekannterweise ist das ein Messwertgeber, der als Drehgeber die aktuelle Position des Polygonspiegels erkennt und als elektrisches Signal ausgibt.
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Die Ausführungsformen können auch in wenigstens einer Kombination davon vorhanden und so verwendet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine Einrichtung zur Lagekorrektur eines Laserstrahls gepulster Strahlquellen in Verbindung mit einer Scannereinrichtung mit einem Polygonspiegel,
- 2 ein Raster mit Auftrefforten von Laserpulsen,
- 3 eine planparallele Platte als transparenter Körper im Strahlengang des Laserstrahls und
- 4 zwei transparente Körper im Strahlengang des Laserstrahls.
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Eine Einrichtung zur Lagekorrektur eines Laserstrahls 1 gepulster Strahlquellen 2 in Verbindung mit einer Scannereinrichtung mit einem Polygonspiegel 3 besteht im Wesentlichen aus einem mittels eines Antriebs 5 kippbaren transparenten Körper 4, einer Sensoreinrichtung 7 zur Winkelmessung des Polygonspiegels 3 und einem Datenverarbeitungssystem 8 als Steuereinrichtung.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Lagekorrektur eines Laserstrahls 1 gepulster Strahlquellen 2 in Verbindung mit einer Scannereinrichtung mit einem Polygonspiegel 3 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Im Strahlengang des Laserstrahls 1 der gepulsten Strahlquelle 2 mit einer Festfrequenz sind die Scannereinrichtung und das Werkstück 11 angeordnet. Die Scannereinrichtung besitzt den kippbaren transparenten Körper 4, den Polygonspiegel 3 und einen Galvoscanner 9. Der kippbare transparente Körper 4 kann sich vor dem Poygonspiegel 3 befinden. In Ausführungsformen kann der transparente Körper 4 auch nach dem Polygonspiegel 3 oder nach dem Galvoscanner 9 angeordnet sein. Der Polygonspiegel 3 kann insbesondere ein Doppelpolygonspiegel 3 sein, wobei schräg angeordnete Spiegelflächen der Polygonspiegel 3 zueinander weisen. Der Doppelpolygonspiegel 3 ist mit einem frequenzgesteuerten Motor 6 verbunden. Dieser Motor 6 des Polygonspiegels 3, ein Antrieb 5 des kippbaren transparenten Körpers 4 und ein Antrieb 10 des Galvoscanners 9 sind zu deren Steuerung mit dem Datenverarbeitungssystem 8 verbunden. Dabei werden die gepulsten Laserstrahlen 1 mittels einem Spiegel des Polygonspiegels 3 linienförmig über das Werkstück 11 geführt, so dass eine Strecke mit den Punkten realisiert wird. Der Anfangspunkt und der Endpunkt der Strecke wird durch die Länge einer Spiegelfläche des Polygonspiegels 3 in dessen Drehrichtung bestimmt. Mittels des angetriebenen Galvoscanners 9 wird der Laserstrahl 1 auf die nächste Zeile bewegt. Damit wird das Werkstück 11 mittels der Scannereinrichtung in mehreren Zeilen linienförmig angeordneter Laserpulse beaufschlagt.
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Zur Anpassung der festfrequenten gepulsten Strahlquelle 2 bezüglich des Auftreffortes der Laserpulse auf der Oberfläche des Werkstücks 11 wird die Lage der Laserstrahlen 1 in Ablenkrichtung mit dem transparenten Körper 4 zur Korrektur des Auftreffortes der Laserpulse der gepulsten Strahlquelle 2 verschoben. Dazu ist das Datenverarbeitungssystem 8 mit dem Antrieb 5 des transparenten Körpers 4 so verbunden, dass eine Lagedifferenz zwischen zwei benachbarten Strecken aus Laserpulsen entsprechend der Länge einer Spiegelfläche in Drehrichtung des Polygonspiegels 3, welche durch eine Phasenverschiebung zwischen Schwingungen der mit der Festfrequenz betriebenen gepulsten Strahlquelle 2 und des frequenzgesteuerten Motors 6 des Polygonspiegels 3 durch den betriebenen Polygonspiegel 3 hervorgerufen wird, mit dem transparenten Körper 4 zur Korrektur des Auftreffortes der Laserpulse der gepulsten Strahlquelle 2 korrigiert wird.
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Die 2 zeigt ein Raster mit Auftrefforten von Laserpulsen in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die benachbarten Anfangspunkte der Strecken sind parallel verschoben, so dass die Strecken parallel zueinander angeordnet sind und sich innerhalb eines Rechtecks befinden.
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Die Sensoreinrichtung 7 zur Winkelmessung des Polygonspiegels 3, die gepulste Strahlquelle 2 und der frequenzgesteuerte Motor 6 des Polygonspiegels 3 sind dazu mit dem Datenverarbeitungssystem 8 verbunden, welches ein die Phasenverschiebung ermittelndes und ein den Antrieb 5 des transparenten Körpers 4 in Echtzeit entsprechend der Phasenverschiebung steuerndes Datenverarbeitungssystem 8 ist. Die Sensoreinrichtung 7 zur Winkelmessung des Polygonspiegels 3 kann ein optischer Encoder sein.
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Die Periodenlängen der Schwingungen der mit der Festfrequenz betriebenen gepulsten Strahlquelle 2 und des frequenzgesteuerten Motors 6 des Polygonspiegels 3 können insbesondere gleich oder ganzzahlige Vielfache voneinander sein.
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Die 3 zeigt eine planparallele Platte 12 als transparenter Körper 4 im Strahlengang des Laserstrahls 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
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In einer Ausführungsform kann der kippbare und für die Laserstrahlen 1 transparente Körper 4 eine planparallele Platte 12 sein. In dieser Ausführungsform mit der planparalleln Platte 12 ist im Strahlengang der Laserstrahlen 1 eine die Laserstrahlen 1 fokussierende Einrichtung vorgeordnet.
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Die 4 zeigt zwei transparente Körper 4 im Strahlengang des Laserstrahls 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Im Strahlengang der Laserstrahlen 1 können sich in einer Ausführungsform zwei keilförmig ausgebildete und transparente Körper 4a, 4b nacheinander und beabstandet zueinander befinden, wobei sich zwei ebene Seitenflächen 13a, 13b der Körper 4a, 4b gegenüberstehen. Ein Keil ist bekannterweise ein Körper 4a, 4b, bei dem zwei Seitenflächen 13, 14 unter einem spitzen Winkel zusammenaufen. Eine Seitenfläche 13a, 13b ist so schräg gegenüber der gegenüberliegenden Seitenfläche 14a, 14b angeordnet. Ist keine Korrektur des Auftreffortes des Laserstrahls 1 notwendig, sind die der schräg angeordneten Seitenflächen 13a, 13b gegenüberliegenden Seitenflächen 14a, 14b der Körper 4a, 4b rechtwinklig zum Laserstrahl 1 angeordnet. Wenigstens einer dieser transparenten Körper 4a, 4b ist so kippbar angeordnet, dass der Winkel zwischen den ebenen Seitenflächen 13a, 13b der Körper 4a, 4b veränderbar ist. Sind beide Körper 4a, 4b gleich groß, behält der Laserstrahl 1 in Nulllage seine Richtung bei. Der Laserstrahl 1 ist lediglich parallel verschoben, das sich leicht ausgleichen lässt.
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Mit solchen Einrichtungen können so unter anderem gleichmäßig beabstandete und regelmäßige Bohrungsraster mit senkrecht aufeinander stehenden Rasterlinien erzeugt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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