DE212012000262U1 - Laser scanning device (laser scanning system) with a resonance scanner - Google Patents

Laser scanning device (laser scanning system) with a resonance scanner Download PDF

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Abstract

Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) mit einer Strahlquelle (1), einem Resonanzscanner (2) mit einem Spiegel und einer Fokussierungslinse (3), die hintereinander angeordnet sind, wobei der Resonanzscanner (2) Laserstrahlen von der Strahlquelle (1) in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserabtastsystems mit einer hohen Geschwindigkeit ablenkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungslinse (3) in einem Abstand zum Spiegel des Resonanzscanners (2) angeordnet ist, wobei der Abstand gleich der Brennweite der Fokussierungslinse (3) ist, dass hinter der Fokussierungslinse (3) ein Abtastbereichsbegrenzer (4) angeordnet ist, dessen Abstand zur Brennebene der Fokussierungslinse (3) 0 bis 5% der Brennweite ist und dass der Abtastbereichsbegrenzer (4) Zentralstrahlen durchlässt und Laserrandstrahlen begrenzt, welche der Spiegel des Resonanzscanners (2) in Querrichtung um mehr als 95% des maximalen Abtastwinkels ablenkt.Laser scanning device (laser scanning system) with a beam source (1), a resonance scanner (2) with a mirror and a focusing lens (3), which are arranged one behind the other, the resonance scanner (2) laser beams from the beam source (1) in a plane perpendicular to the optical Axis of the laser scanning system deflects at a high speed, characterized in that the focusing lens (3) is arranged at a distance from the mirror of the resonance scanner (2), the distance being equal to the focal length of the focusing lens (3) that behind the focusing lens (3 ) a scanning range limiter (4) is arranged whose distance to the focal plane of the focusing lens (3) is 0 to 5% of the focal length and that the scanning range limiter (4) lets through central rays and limits laser edge rays, which the mirror of the resonance scanner (2) in the transverse direction by more deflects than 95% of the maximum scanning angle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) mit einer Strahlquelle, einem Resonanzscanner mit einem Spiegel und einer Fokussierungslinse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a laser scanning device (laser scanning system) with a beam source, a resonance scanner with a mirror and a focusing lens according to the preamble of claim 1.

Aus dem Patent US 7817319 ist ein Lasersystem mit einer Laserquelle und einem Resonanzscanner bekannt. Die Funktionsweise des Resonanzscanners beruht darauf, dass die Strahlabweichung in Richtung senkrecht zur optischen Achse in der Abtastebene sinusförmig ist. Beim Abtasten entlang einer quasilinearen Strecke der Sinuskurve laufen die Laserimpulse zum Objekt, ohne sich zu überlappen. Beim Reversieren des Abtastvorgangs ändert sich die Strahlabweichungsgeschwindigkeit bis zu einem kompletten Stopp. Dabei steigt der Überlappungsgrad der Laserimpulse an. Jede zu behandelnde Flächeneinheit erhält mehr Impulse, was für manche Anwendungen unzulässig ist. Somit verursacht das sinusförmige Abtasten ohne spezielle Vorrichtungen eine unzulässige Unregelmäßigkeit (Inhomogenität) der Bestrahlung der zu bearbeitenden Probe.From the patent US 7817319 is a laser system with a laser source and a resonance scanner known. The operation of the resonance scanner is based on the fact that the beam deviation in the direction perpendicular to the optical axis in the scanning plane is sinusoidal. When scanning along a quasi-linear path of the sinusoid, the laser pulses travel to the object without overlapping. Reversing the scan changes the beam offset speed to a complete stop. The degree of overlap of the laser pulses increases. Each surface unit to be treated receives more impulses, which is inadmissible for some applications. Thus, sinusoidal scanning without special devices causes unacceptable irregularity (inhomogeneity) of the irradiation of the sample to be processed.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Laserabtastsystem mit einem Resonanzscanner herzustellen, um eine gleichmäßige Verteilung von Laserenergie auf eine zu bearbeitende Oberfläche zu bekommen.It is an object of the invention to produce a laser scanning system with a resonance scanner to obtain a uniform distribution of laser energy on a surface to be machined.

Die Aufgabe der Erfindung ist dadurch gelöst, dass die Fokussierungslinse in einem Abstand zum Spiegel des Resonanzscanners angeordnet ist, wobei der Abstand gleich der Brennweite der Fokussierungslinse ist, dass hinter der Fokussierungslinse ein Abtastbereichsbegrenzer angeordnet ist, dessen Abstand zur Brennebene der Fokussierungslinse 0 bis 5% der Brennweite ist und dass der Abtastbereichsbegrenzer Zentralstrahlen durchlässt und Laserrandstrahlen begrenzt, welche der Spiegel des Resonanzscanners in Querrichtung um mehr als 95% des maximalen Abtastwinkels ablenkt.The object of the invention is achieved in that the focussing lens is arranged at a distance from the mirror of the resonance scanner, the distance being equal to the focal length of the focussing lens, that a scanning range limiter is arranged behind the focussing lens whose distance from the focal plane of the focussing lens is 0 to 5%. is the focal length and that the scan area limiter passes center beams and limits laser edge beams which deflect the mirror of the resonant scanner in the transverse direction by more than 95% of the maximum scan angle.

Die erfindungsgemäße Laserabtastvorrichtung (das Laserabtastsystem) geht von einer Strahlquelle, einem Resonanzscanner mit einem Spiegel und einer Fokussierungslinse aus, die nacheinander angeordnet sind. Der Resonanzscanner lenkt die Laserstrahlen der Strahlquelle in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserabtastsystems mit hoher Geschwindigkeit ab. Nach der Erfindung ist die Fokussierungslinse beabstandet angeordnet. Der Abstand ist gleich ihrer Brennweite zum Spiegel des Resonanzscanners. Hinter der Linse ist ein Abtastbereichsbegrenzer angeordnet. Sein Abstand zur Brennebene der Fokussierungslinse ist 0 bis 5% der Brennweite. Ein Abtastbereichsbegrenzer lässt Zentralstrahlen durch und begrenzt Laserrandstrahlen, welche der Spiegel des Resonanzscanners in Querrichtung um mehr als 95% des maximalen Abtastwinkels ablenkt. Der Abstand der Fokussierungslinse ist gleich seiner Brennweite zum Spiegel des Resonanzscanners.The laser scanning apparatus (the laser scanning system) according to the invention starts from a beam source, a resonance scanner with a mirror and a focusing lens, which are arranged one after the other. The resonance scanner deflects the laser beams of the beam source at a high speed in a plane perpendicular to the optical axis of the laser scanning system. According to the invention, the focusing lens is arranged at a distance. The distance is equal to its focal length to the mirror of the resonance scanner. Behind the lens, a Abtastbereichsbegrenzer is arranged. Its distance to the focal plane of the focusing lens is 0 to 5% of the focal length. A scan area limiter passes through central beams and limits laser edge beams, which deflect the mirror of the resonant scanner in the transverse direction by more than 95% of the maximum scan angle. The distance of the focusing lens is equal to its focal length to the mirror of the resonance scanner.

Bei einer solchen Anordnung verbreiten sich die durch den Resonanzscanner um verschiedene Winkel abgelenkten Laserbündel parallel hinter der Sammellinse. Jeder Laserstrahl sammelt sich in der hinteren Brennebene der Fokussierungslinse zu einem Spot (Fleck). Somit ist die Größe des Laserstrahlungsflecks (Strahlungsspots) im rückseitigen Brennbereich der Linse minimal und die durch den Resonanzscanner um verschiedene Winkel abgelenkten Strahlen sind parallel. Der Abtastbereichsbegrenzer lässt 95% der Zentralstrahlen entlang der optischen Achse durch und schirmt die Randstrahlen ab. Die Randstrahlen bilden am Objekt Impulse mit einem großen Überlappungsgrad. Ist der Abtastbereichsbegrenzer in der rückseitigen Brennebene angeordnet, so wird nur ein Teil der Strahlen die Brennebene überschneiden. Ist der Begrenzer in einem kleinen – bis zu 5% der Brennweite – Abstand zur hinteren Brennebene angeordnet, so sind manche Randstrahlen völlig und manche näher zur optischen Achse liegenden Randstrahlen teilweise überlappt. Immerhin reicht es, um eine gleichmäßige Strahlungsverteilung am Objekt zu bekommen. Das liegt daran, dass die Randstrahlen sich überlappende Impulse erzeugen und nicht auf die zu bearbeitende Oberfläche treffen.In such an arrangement, the laser beams deflected by the resonance scanner at different angles propagate in parallel behind the converging lens. Each laser beam collects in the back focal plane of the focusing lens to a spot (spot). Thus, the size of the laser beam spot (radiation spot) in the back focal region of the lens is minimal and the beams deflected by the resonant scanner at different angles are parallel. The sample area limiter passes 95% of the central rays along the optical axis and shields the marginal rays. The marginal rays form pulses at the object with a large degree of overlap. If the Abtastbereichsbegrenzer arranged in the rear focal plane, only a portion of the rays will intersect the focal plane. If the limiter is arranged in a small distance - up to 5% of the focal length - from the rear focal plane, then some marginal rays are completely and some marginal rays closer to the optical axis are partially overlapped. After all, it is enough to get a uniform radiation distribution on the object. This is because the marginal rays generate overlapping pulses and do not strike the surface to be processed.

Der Abtastbereichsbegrenzer besteht aus einem undurchsichtigen Material. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht die Ausbildung des Abtastbereichsbegrenzers aus einem undurchsichtigen Material vor.The scan area limiter is made of an opaque material. An embodiment of the invention provides for the formation of the Abtastbereichsbegrenzers from an opaque material.

Der Abtastbereichsbegrenzer ist aus Keramik ausgebildet. Keramik ist ein der laserbeständigsten Stoffe. Der keramische Abtastbereichsbegrenzer ist ein betriebssicheres Element mit einer langen Standzeit.The Abtastbereichsbegrenzer is formed of ceramic. Ceramics are one of the most laser resistant materials. The ceramic scanning range limiter is a reliable element with a long service life.

Das System enthält eine zweite Fokussierungslinse, ein zweiseitiges Abtastungssystem und ein Objektiv. Die zweite Fokussierungslinse ist konfokal mit der ersten Fokussierungslinse angeordnet. Die erste und die zweite Fokussierungslinse bilden zusammen eine teleskopierbare Strahlaufweitungsvorrichtung. Um eine präzise gesteuerte Materialbearbeitung zu erreichen, schließt das Lasersystem die teleskopierbare Strahlaufweitungsvorrichtung, ein zweiseitiges Abtastungssystem und ein Einstellobjektiv ein. Die teleskopierbare Strahlaufweitungsvorrichtung ist in diesem Fall durch zwei Fokussierungslinsen und einen eingesetzten Abtastbereichsbegrenzer gebildet.The system includes a second focusing lens, a two-sided scanning system and a lens. The second focusing lens is confocally arranged with the first focusing lens. The first and second focusing lenses together form a telescoping beam expanding device. To achieve precisely controlled material processing, the laser system includes the telescoping beam expander, a two-sided scanning system, and an adjustment lens. The telescopic beam broadening device in this case is formed by two focusing lenses and an inserted scanning area limiter.

Der technische Effekt der erfindungsgemäßen technischen Lösung ist die Herstellung von einem Laserabtastsystem mit einem Resonanzscanner, um eine gleichmäßige Energieverteilung über eine zu bearbeitende Oberfläche zu bekommen. The technical effect of the technical solution according to the invention is the production of a laser scanning system with a resonance scanner in order to obtain a uniform energy distribution over a surface to be processed.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen eines Laserabtastsystems näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings of exemplary embodiments of a laser scanning system. Show it:

1 ein Schema des Laserabtastsystems, 1 a schematic of the laser scanning system,

2 eine zeitabhängige Impulslage der durch den Resonanzscanner abgelenkten Laserstrahlimpulse, 2 a time-dependent pulse position of the laser beam pulses deflected by the resonance scanner,

3 eine Aufnahme einer Oberfläche, die anhand eines Lasersystems mit einem Resonanzscanner ohne Abtastbereichsbegrenzer bearbeitet wurde und 3 a photograph of a surface which has been processed by means of a laser system with a resonance scanner without Abtastbereichsbegrenzer and

4 eine zeitabhängige Impulslage der Laserstrahlimpulse beim Betrieb des Resonanzscanners mit einem eingesetzten Abtastbereichsbegrenzer. 4 a time-dependent pulse position of the laser beam pulses during operation of the resonance scanner with an inserted Abtastbereichsbegrenzer.

Die 1 zeigt eine Laserabtastvorrichtung (ein Laserabtastsystem) mit einer Impuls-Laserstrahlquelle 1, einen Resonanzscanner 2 mit einem Spiegel, eine Fokussierungslinse 3 und einen Abtastbereichsbegrenzer 4. Die Fokussierungslinse 3 ist so angeordnet, dass der Spiegel des Resonanzscanners 2 in der vorderen Brennebene der Fokussierungslinse 3 liegt. Der Abtastbereichsbegrenzer 4 befindet sich neben der hinteren Brennebene der Fokussierungslinse 3. Der Abstand zur hinteren Brennebene beträgt 3% der Brennweite. Eine weitere Fokussierungslinse 5 ist konfokal mit der Fokussierungslinse 3 angeordnet. Die Fokussierungslinsen 3 und 5 bilden zusammen eine teleskopierbare Strahlaufweitungsvorrichtung. Das System weist auch ein zweiseitiges Abtastungssystem 6 und ein Objektiv 7 auf. Ist das Lasersystem aktiviert, treffen die Laserstrahlen der Strahlquelle 1 auf den Spiegel des Resonanzscanners 2. Der Spiegel lenkt die Strahlen in Richtung der Figurebene ab. Der Resonanzscanner 2 lenkt die Strahlen senkrecht zur optischen Achse ab. Ein paralleles Laserstrahlenbündel trifft auf den Spiegel des Resonanzscanners 2. Die parallelen Laserstrahlbündel werden in der hinteren Brennebene der Fokussierungslinse 3 zu Einzelflecken fokussiert. Der Abtastbereichsbegrenzer 4 befindet sich neben dem Brennpunkt der Fokussierungslinse 3 und lässt dabei 95% des Mittelteils des bestrahlten Bereichs offen, so dass die Bündel in der Nähe der Abtastgrenze abgeschirmt werden. Solche Bündel erzeugen sich mehrfach überlappende Impulse auf dem Objekt 8. Die Strahlen passieren die Fokussierungs-linse 5. Das System der zweiseitigen Abtastung 6 lenkt den Strahl nach der erforderlichen Laufbahn ab. Das Objektiv 7 fokussiert die Strahlen auf das Probestück 8. Der Pfeil zeigt die Ablenkung der Strahlen durch einen zweiseitigen Abtaster an.The 1 shows a laser scanning apparatus (a laser scanning system) with a pulse laser beam source 1 , a resonance scanner 2 with a mirror, a focusing lens 3 and a sample area limiter 4 , The focusing lens 3 is arranged so that the mirror of the resonance scanner 2 in the front focal plane of the focusing lens 3 lies. The sample area limiter 4 located near the rear focal plane of the focusing lens 3 , The distance to the rear focal plane is 3% of the focal length. Another focusing lens 5 is confocal with the focusing lens 3 arranged. The focusing lenses 3 and 5 together form a telescopic beam broadening device. The system also has a two-sided scanning system 6 and a lens 7 on. When the laser system is activated, the laser beams hit the beam source 1 on the mirror of the resonance scanner 2 , The mirror deflects the rays in the direction of the figure plane. The resonance scanner 2 deflects the rays perpendicular to the optical axis. A parallel laser beam strikes the mirror of the resonance scanner 2 , The parallel laser beams are in the back focal plane of the focusing lens 3 focused on single spots. The sample area limiter 4 is located near the focal point of the focusing lens 3 leaving 95% of the center portion of the irradiated area exposed so that the bundles are shielded near the sample boundary. Such bundles generate multiple overlapping pulses on the object 8th , The rays pass through the focusing lens 5 , The system of two-sided scanning 6 deflects the beam after the required career. The objective 7 focuses the rays on the specimen 8th , The arrow indicates the deflection of the beams by a two-sided scanner.

Die 2 schildert die Abhängigkeit der Lage der abgelenkten Laserstrahlenimpulse von der Zeit. Diese Laserstrahlenimpulse sind durch den Resonanzscanner 2 auf der zu bearbeitenden Oberfläche ohne Abtastbereichsbegrenzer 4 abgelenkt. Die senkrechte Achse steht für Impulslagen. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Impulse sich in der Nähe der Abtastbereichsgrenze überlappen. Bei einem gleichmäßigen Vorrücken des Strahls über die Oberfläche des Probestücks entstehen an den Grenzen des Abtastbereichs des Strahls des Resonanzscanners 2 zahlreiche Impulsüberlappungen.The 2 describes the dependence of the position of the deflected laser beam pulses on time. These laser beam pulses are through the resonance scanner 2 on the surface to be processed without scanning area limiter 4 distracted. The vertical axis stands for pulse positions. It can be seen from the figure that the pulses overlap near the scan area boundary. With a uniform advancement of the beam over the surface of the specimen arise at the boundaries of the scanning range of the beam of the resonance scanner 2 numerous pulse overlaps.

In 3 sind die Versuchsergebnisse einer Bearbeitung der Materialoberfläche unter Anwendung von einem Resonanzscanner 2 zu entnehmen. Es ist ersichtlich, dass eine große Menge der Laserenergie auf das Material an der Bearbeitungsgrenze trifft. Die Laserenergie verteilt sich über die zu bearbeitende Oberfläche ungleichmäßig.In 3 are the experimental results of machining the material surface using a resonance scanner 2 refer to. It can be seen that a large amount of the laser energy hits the material at the processing limit. The laser energy is distributed unevenly over the surface to be processed.

4 zeigt die Abhängigkeit der Lage der Laserstrahlenimpulse von der Zeit mit einem eingebauten Abtastbereichsbegrenzer 4, der 95% der Zentralimpulse durchlässt. Bei einer solchen kleinen Begrenzung wird eine viel gleichmäßigere Verteilung der Impulse und dementsprechend der Laserenergie über die zu bearbeitende Oberfläche erreicht. 4 shows the dependence of the position of the laser beam pulses on time with a built-in sampling area limiter 4 passing 95% of the central pulses. With such a small limitation, a much more uniform distribution of the pulses and, correspondingly, the laser energy over the surface to be processed is achieved.

Die erfindungsgemäße technische Lösung beschränkt sich nicht auf ein System auf Basis von einem Impulslaser. Sie kann auch für Systeme mit einem kontinuierlich strahlenden Laser angewendet werden. Der Abtastbereichsbegrenzer 4 kann keilförmig oder in Form einer Linse aus einem durchsichtigen Material ausgebildet sein.The technical solution according to the invention is not limited to a system based on a pulsed laser. It can also be applied to systems with a continuously radiating laser. The sample area limiter 4 may be wedge-shaped or formed in the form of a lens of a transparent material.

Die erfindungsgemäße Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) mit einem Resonanzscanner 4 ann bei unterschiedlichen Fertigungsabläufen angewendet werden.The laser scanning device according to the invention (laser scanning system) with a resonance scanner 4 can be applied to different production processes.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7817319 [0002] US 7817319 [0002]

Claims (4)

Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) mit einer Strahlquelle (1), einem Resonanzscanner (2) mit einem Spiegel und einer Fokussierungslinse (3), die hintereinander angeordnet sind, wobei der Resonanzscanner (2) Laserstrahlen von der Strahlquelle (1) in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserabtastsystems mit einer hohen Geschwindigkeit ablenkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungslinse (3) in einem Abstand zum Spiegel des Resonanzscanners (2) angeordnet ist, wobei der Abstand gleich der Brennweite der Fokussierungslinse (3) ist, dass hinter der Fokussierungslinse (3) ein Abtastbereichsbegrenzer (4) angeordnet ist, dessen Abstand zur Brennebene der Fokussierungslinse (3) 0 bis 5% der Brennweite ist und dass der Abtastbereichsbegrenzer (4) Zentralstrahlen durchlässt und Laserrandstrahlen begrenzt, welche der Spiegel des Resonanzscanners (2) in Querrichtung um mehr als 95% des maximalen Abtastwinkels ablenkt.Laser scanning device (laser scanning system) with a beam source ( 1 ), a resonance scanner ( 2 ) with a mirror and a focusing lens ( 3 ), which are arranged one behind the other, wherein the resonance scanner ( 2 ) Laser beams from the beam source ( 1 ) deflects in a plane perpendicular to the optical axis of the laser scanning system at a high speed, characterized in that the focusing lens ( 3 ) at a distance to the mirror of the resonance scanner ( 2 ), the distance being equal to the focal length of the focusing lens ( 3 ) is that behind the focusing lens ( 3 ) a sample area limiter ( 4 ) is arranged whose distance from the focal plane of the focusing lens ( 3 ) Is 0 to 5% of the focal length and that the sampling area limiter ( 4 ) Lets through central rays and limits laser edge rays, which are the mirrors of the resonance scanner ( 2 ) in the transverse direction by more than 95% of the maximum scanning angle. Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastbereichsbegrenzer (4) aus einem undurchsichtigen Material ausgebildet ist.Laser scanning apparatus (laser scanning system) according to claim 1, characterized in that the scanning area limiter ( 4 ) is formed of an opaque material. Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastbereichsbegrenzer (4) aus Keramik ausgebildet ist.Laser scanning apparatus (laser scanning system) according to claim 2, characterized in that the scanning area limiter ( 4 ) is formed of ceramic. Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine zweite Fokussierungslinse, ein zweiseitiges Abtastungssystem und ein Objektiv aufweist, dass die zweite Fokussierungslinse konfokal mit der ersten Fokussierungslinse (3) angeordnet ist und dass die erste und die zweite Fokussierungslinse eine teleskopierbare Strahlaufweitungsvorrichtung bilden.Laser scanning apparatus (laser scanning system) according to claims 1 to 3, characterized in that the system comprises a second focusing lens, a two-sided scanning system and a lens, that the second focusing lens confocally with the first focusing lens ( 3 ) and that the first and second focusing lenses form a telescoping beam expanding device.
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