DE20320269U1

DE20320269U1 - Optisches System zur variablen Fokussierung eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE20320269U1
Application number: DE20320269U
Authority: DE
Original assignee: Raylase GmbH
Current assignee: Raylase GmbH
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2013-03-29

Abstract

Optisches System zur variablen Fokussierung eines Lichtstrahls, der eine veränderliche Brennweite hat, mit einer Linsenvorrichtung, die wenigstens eine Linse (32) umfaßt, die in dem Weg des Lichtstrahls (20) angeordnet ist und deren Position entlang des Weges des Lichtstrahls (20) translatorisch veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse auf einem Schwenkarm (34) angeordnet ist, welcher um eine Schwenkachse (36) verschwenkbar ist, um eine Bewegung der Linse (32) mit einer translatorischen Komponente entlang des Weges des Lichtstrahls (20) zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur variablen Fokussierung eines Lichtstrahls, der eine veränderliche Brennweite hat. Das optische System umfaßt eine Linsenvorrichtung mit wenigstens einer Linse, die in dem Weg des Lichtstrahls angeordnet ist und deren Position entlang des Weges des Lichtstrahls translatorisch veränderbar ist, um die Brennweite des Lichtstrahls einzustellen.
Die Erfindung ist insbesondere einsetzbar in Laserscannersystemen und noch spezieller in Flachfeld- und 3D-Scannersystemen, welche ein Laserstrahl mit Hilfe von Ablenkspiegeln auf einen Gegenstand richten, der abgetastet oder bearbeitet werden soll.
Ein Laserscanner zum Abtasten, Beschriften, Markieren, Schneider oder anderweitigen Bearbeiten der Oberfläche eines Werkstücks weist in der Regel eine XY-Ablenkeinheit auf, die zwei entlang ihrer Längsachse drehbare Spiegel umfaßt, welche von Servomotoren oder sogenannten Galvanometerscanner, angetrieben werden. Die Spiegel werden als X- und Y-Spiegel bezeichnet, weil sie ein Laserstrahl in einer X- bzw. Y-Richtung ablenken können. Ein Laserstrahl, der in die Ablenkeinheit eintritt, wird zunächst auf den verstellbaren X-Spiegel gerichtet, der den Laserstrahl auf dem ebenfalls verstellbaren Y-Spiegel ablenkt, der seinerseits den Laserstrahl in Richtung der Zieloberfläche lenkt. Durch Drehen des X- und des Y-Spiegels kann der Laserstrahl über die Werkstückoberfläche gescannt werden.
Eine solche XY-Ablenkeinheit des Standes der Technik ist in 1 gezeigt, in der ein Laser- strahl mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Ablenkeinheit umfaßt zwei drehbare Spiegel 12 und 14, die von Servomotoren 11, 13 genau positioniert werden können und deren Drehachse zueinander im rechten Winkel stehen. Durch die Drehung der Spiegel 12, 14 kann der austretenden Lichtstrahl 10 in zwei Richtung abgelenkt werden, die in 1 mit X und Y bezeichnet sind.
Durch die Ablenkung des Laserstrahl verändert sich dessen Wegstrecke von der Laserstrahlquelle (nicht gezeigt) zu der Zieloberfläche. Dadurch verändert sich die Brennweite des Laserstrahls. Um sicherzustellen, daß der Laserstrahl auf der Zieloberfläche immer richtig fokussiert ist, wird die Veränderung der Brennweite im Stand der Technik durch einen variablen Kollimator kompensiert. Eine XY-Ablenkeinheit mit variablem Kollimator ist schematisch in 2 gezeigt.
Bei dem in 2 gezeigten optischen System geht ein Laserstrahl 20 zunächst durch einen variablen Kollimator, der allgemein mit 22 bezeichnet ist, und wird dann über ein feststehendes Objektiv 24 auf die X- und Y-Ablenkspiegel 12, 14 geführt. Die X- und Y-Ablenkspiegel 11, 13 lenken den Laserstrahl 20 in der X- und der Y-Richtung ab und richten ihn auf ein Werkstück, das in 2 schematisch als Zieloberfläche 26 dargestellt ist.
Der in 2 gezeigte Kollimator 22 umfaßt eine Linse 28 und ein Schienensystem, das in 2 schematisch durch zwei Schienen 30 dargestellt ist, zur Erzeugung einer Translationsbewegung der Linse 28 entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 20. Der variable Kollimator 22 erzeugt eine zur Bewegung der Ablenkspiegel 12, 14 synchronisierte translatorische Bewegung der Linse 28, um die Fokussierung des Laserstrahls 20 auf der Zielfläche 26 sicherzustellen bzw. zu erhalten.
Die im Stand der Technik bekannten Schienensysteme zur Erzeugung dieser Translationsbewegung der Linse 28 sind relativ aufwendig. Sie umfassen eine Vielzahl mechanischer Kom- ponenten zur Umsetzung der Drehung einer Antriebswelle (nicht gezeigt) des variablen Kollimator in eine translatorische Bewegung der Linse 28. Die vielen Systeme umfassen unter anderem Schlitten und vorgespannte Kugellager sowie insgesamt eine relativ komplizierte Mechanik, welche die Gesamtanordnung aufwendig, teuer und schwer einzustellen macht. Aufgrund der relativ vielen, komplizierten mechanischen Bauteile ist die Lebensdauer solcher variablen Kollimatoren begrenzt. Da die translatorische Bewegung hoch genau mit der Bewegung der Ablenkspiegel synchronisiert und abgestimmt werden muß, können schon geringere Störungen oder Beschädigungen des Systems dazu führen, daß der Scanner insgesamt keinen brauchbaren Strahl mehr erzeugt. Schließlich haben die bekannten Systeme des Standes der Technik aufgrund der Vielzahl der mechanischen Bauteile ein relativ großes Gewicht und sind dadurch inhärent träge.
Solche bekannten Systeme wurden zum Beispiel von dem Unternehmen General Scanning Inc., heute GSI Lumonics Inc., U.S.A. hergestellt und vertrieben und sind z. B. beschrieben in SPIE Vol. 1454, Beam Defelction and Scanning Technologies, 1991.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein optisches System zur variablen Fokussierung eines Lichtstrahls anzugeben, das in 3D-Scannern eingesetzt werden kann und weniger kompliziert und aufwendig als die Systeme des Standes der Technik sind.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches System mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Die Erfindung schlägt ein optisches System zur variablen Fokussierung eines Lichtstrahls vor, das eine Linsenvorrichtung mit wenigstens einer Linse aufweist, die in dem Weg des Lichtstrahls angeordnet ist und deren Position entlang des Weges des Lichtstrahls translatorisch veränderbar ist. Erfindungsgemäß ist die Linse auf einer Schwenkvorrichtung angeordnet, die eine Bewegung der Linse mit einer translatorischen Komponente entlang des Weges des Lichtstrahls erzeugt.
In der einfachsten Ausführungsform der Erfindung weist die Schwenkvorrichtung einen Schwenkarm auf, dessen eines Ende mit der Linsenvorrichtung verbunden ist und dessen anderes Ende mit einer Schwenkachse verbunden ist. Durch Schwenken des Schwenkarms durchläuft die auf dem Ende des Schwenkarms angeordnete Linse eine Kippbewegung, mit einer rotatorischen und einer translatorischen Komponente. Insbesondere bei relativ geringen Auslenkung des Schwenkarms ist die rotatorische Komponente dieser Bewegung vernachlässigbar. Die translatorische Bewegung ist ausreichend, um die Fokuseinstellung des Lichtstrahls in bestimmten Grenzen sicherzustellen.
Bei dem erfindungsgemäßen System wird in Kauf genommen, daß durch das Verkippen der Linse nicht in allen Bereichen der Zieloberfläche ein perfekter runder Lichtfleck erzeugt wird. Versuche in der Praxis haben gezeigt, daß die durch den Schwenkarm erzeugte Translationsbewegung der Linse eine ausreichende Anpassung der Fokussierung des Lichtstrahls, abhängig von der Bewegung der Ablenkspiegel, auf der Zieloberfläche erreicht.
Dabei ist zu beachten, daß auch bei dem variablen Kollimator gemäß dem Stand der Technik, der eine rein translatorische Bewegung der Linse erzeugt, sich in der Praxis eine Verzerrung des von dem Laserstrahl auf der Zieloberfläche erzeugten Lichtflecks von einem Kreis zu einem ovalen Lichtfleck an den Rändern des Zielfeldes ergibt. Auch die Größe und Fokussierung des Lichtfelds ist abhängig von der zurückgelegten Wegstrecke zwischen Objektiv und Zieloberfläche und damit von der Position auf der Zieloberfläche.
Die Erfindung realisiert somit mit Hilfe einer wesentlich einfacheren Mechanik eine variable Fokussierung des Lichtstrahls, deren Qualität mit den Lösungen des Standes der Technik ver- gleichbar ist.
Erfindungsgemäß weist die Linsenvorrichtung eine konkave Linse bzw. eine Kollimationslinse auf. Die Schwenkachse ist vorteilhaft durch einen Servomotor, oder galvanometrischen Motor, angetrieben.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Schwenkvorrichtung zwei über einen Verbindungsträger gekoppelte Schwenkarme aufweisen, wobei die Linsenvorrichtung an dem Verbindungsträger angebracht ist. Bei dieser Anordnung wird ein Kippen der Linse verhindert. Die erzeugte Bewegung umfaßt eine translatorische Komponente entlang des Weges des Lichtstrahls sowie eine hierzu senkrechte Komponente, die eine Hubbewegung erzeugt. Das System gemäß dieser alternativen Ausführungsform ist mechanisch komplizierter als die Verwendung nur eines einzelnen Schwenkarms, gleichwohl noch immer weniger aufwendig als die bekannten Systeme des Standes der Technik. Dadurch, daß ein Kippen der Linse vermieden wird, kann die Qualität des Lichtflecks auf der Zieloberfläche verbessert werden.
Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer XY-Ablenkeinheit gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung einer XY-Ablenkeinheit mit einem variablen Kollimator gemäß dem Stand der Technik;
3 eine schematische Darstellung eines optischen Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines optischen Systems gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung des optischen Systems gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des optischen Systems gemäß der Erfindung. Dieses optische System kann in Kombination mit einer Ablenkeinrichtung, wie sie in 1 gezeigt ist, eingesetzt werden. Insbesondere wird das erfindungsgemäße optische System in Flachfeld- und 3D-Scannern zur Kompensation der Veränderung der Brennweite des Laserstrahls aufgrund der Bewegung der Ablenkspiegel eingesetzt.
Das in 3 gezeigte optische System umfaßt eine Linse 32, die an einem Schwenkarm 34 angebracht ist. Der Schwenkarm ist über eine Schwenkachse 36 mit einem Antrieb 38 gekoppelt, der eine Schwenkbewegung (Pfeil S) des Schwenkarms 4 erzeugt. Ein Objektiv ist wie in 2 mit 24 bezeichnet. Der durch das optische System gehende Laserstrahl ist in 3 mit 20 bezeichnet. Die auf dem Schwenkarm 34 angebrachte Linse ist in zwei Stellungen A und B dargestellt.
In Stellung A ist die Längsachse 40 der Linse 32 senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung angeordnet. In dieser Stellung A ist die Fokussierung des Lichtstrahls 20 im Randbereich des Zielfeldes optimal, während der Lichtfleck im inneren Bereich dieses Feldes geringfügig verzerrt sein kann.
In der Stellung B, die in 3 gestrichelt gezeichnet ist, ist die Fokussierung des Laserstrahls 20 in der Mitte des Zielfeldes besser, wobei durch das Verkippen der Linse 32 der Lichtfleck gleichwohl geringfügig verzerrt sein kann.
Für einige Anwendungen wird sich die Linse 32 nur um einen geringen Drehwinkel und somit um nur eine geringe translatorische Strecke, beispielsweise 1 bis 3 mm, in Richtung der Lichtstrahlausbreitung bewegen, so daß die Verkippung der Linse 32 im wesentlichen vernachlässigt werden kann. Gleichwohl kann diese Verschiebung der Linse schon genügen, um die Brennweite des Strahls abhängig von der Bewegung der Ablenkspiegel 12, 14, anzupassen. In jedem Fall muß sichergestellt sein, daß der Laserstrahl 20 aufgeweitet wird und nicht aus seiner Bahn abgelenkt wird, daß er auf das Objektiv 24 auftrifft.
4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des optischen Systems gemäß der Erfindung. Bei der Ausführungsform der 4 ist die Linse 32 auf einer Schwenkvorrichtung gelagert, die zwei Schwenkarme 42, 44 sowie einen Verbindungsträger 46 umfaßt. Der Schwenkarm 42 ist über eine Antriebsachse 48 mit einem Antriebsmotor 50, beispielsweise einen galvanometrischen Motor, verbunden. Die Schwenkarme 42 und 44 sind mit den Verbindungsträgern 46 über Kugellager 52, 54 gekoppelt. Die gesamte Schwenkvorrichtung ist an einem Scannergehäuse oder dergleichen über den Antriebsmotor 50 sowie ein weiteres Kugellager 56 montiert, um relativ zu diesem die Linse 32 im Ausbreitungsweg des Lichtstrahls (in 4 nicht gezeigt) zu bewegen.
Die Anordnung der 4 erzeugt eine Bewegung in Z-Richtung, die der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls entspricht, sowie eine Bewegungskomponente in Y-Richtung, senkrecht hierzu. Eine Verkippung der Linse 32 relativ zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls wird vermieden. Mit der im Vergleich zu 3 etwas komplizierteren Anordnung erreicht man eine Verbesserung der Lichtfleckqualität auf der Zieloberfläche, wobei das in 4 gezeigte System noch immer deutlich einfacher ist als die variablen Kollimatoren gemäß dem Stand der Technik.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems mit einer Schwenkvorrichtung, die eine rein translatorische Bewegung der Linse 32, in Z-Richtung, erzeugt. Die in 5 gezeigte Schwenkvorrichtung umfaßt zwei Schwenkarme 58, 60 und einen Verbindungsträger 62, welche über Kugellager 64, 66 gekoppelt sind. Das andere Ende des Schwenkarms 58 ist über eine Schwenkachse 68 mit einem Antriebsmotor 70 verbunden, wobei die gesamte Schwenkvorrichtung an dem Gehäuse eines Scanners oder dergleichen über diesen Antriebsmotor 70 und ein weiteres Kugellager 72 montiert ist. Das in 5 gezeigte System ist noch immer einfacher als die Systeme des Standes der Technik, weil es auf unkomplizierte Weise die rotatorische Bewegung des Antriebsmotors 70 in eine rein translatorische Bewegung, in Z-Richtung, der Linse 32 übersetzt. Dies hat jedoch den Preis eines etwas komplizierteren Systems als das System der 3 und auch das System der 4, insbesondere was dessen Anbringung und Lagerung in einem Scannergehäuse betrifft.
Die Erfindung erreicht in all ihren Ausführungsformen ein optisches System zur variablen Fokussierung eines Lichtstrahls, das wenigstens eine lineare Komponente der Linsenbewegung zur Anpassung der Brennweite des Lichtstrahls erzeugt, wobei das System mit wenigen Komponenten unkompliziert aufgebaut ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Optisches System zur variablen Fokussierung eines Lichtstrahls, der eine veränderliche Brennweite hat, mit einer Linsenvorrichtung, die wenigstens eine Linse (32) umfaßt, die in dem Weg des Lichtstrahls (20) angeordnet ist und deren Position entlang des Weges des Lichtstrahls (20) translatorisch veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse auf einem Schwenkarm (34) angeordnet ist, welcher um eine Schwenkachse (36) verschwenkbar ist, um eine Bewegung der Linse (32) mit einer translatorischen Komponente entlang des Weges des Lichtstrahls (20) zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenvorrichtung eine konkave Linse (32) umfaßt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenvorrichtung eine Kollimationslinse (32) umfaßt.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse (36) durch einen galvanometrischen Motor (38) angetrieben ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei über einen Verbindungsträger (46; 62) gekoppelte Schwenkarme (42, 44; 58, 60) vorgesehen sind, wobei die Linsenvorrichtung (32) an dem Verbindungsträger (46; 62) angebracht ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (80) über wenigstens einen Ablenkspiegel (12, 14) geführt ist, wobei der Ablenkspiegel (12, 14) die Brennweite des Lichtstrahls (20) verändert.