DE2214883A1

DE2214883A1 - Gerät und Verfahren zum optischen Bearbeiten von Werkstoffen

Info

Publication number: DE2214883A1
Application number: DE19722214883
Authority: DE
Inventors: lan James Harwell Village Berkshire; Hill Michael Kennington Oxford; Ward Brooke Armitage Goring-on-Thames Oxfordshire; Spalding (Großbritannien)
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1971-03-26
Filing date: 1972-03-27
Publication date: 1972-10-12
Also published as: FR2130698B1; FR2130698A1; NL7204108A

Description

PATENTANWALT Telefon: (0271)32409

Postscheckkonten:

Köln 106931, Essen 20362

Bankkonten: Abs.: Patentanwalt Dipl-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Deutsche Bank AG., Postfach 462 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

12 019 Pü/uchm

2 5. MRL1972

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles.II Street,

London, S.Wd, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Wr. 7982/71 vom 26. März 1971 "beansprucht.

Gerät und Verfahren zum optischen Bearbeiten

von Werkstoffen

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Geräte zum optischen Ver- und Bearbeiten von Werkstoffen und besonders, aber nicht ausschließlich, auf Geräte zur Herstellung eines Musters von Perforationen oder Schweißungen in plattenförmigen Werkstoffen.

In ihrer weitesten Anwendung wird bei der Erfindung jede beliebige Lichtquelle verwendet in Verbindung mit einem Medium, um den zu bearbeitenden Werkstoff im Bedarfsfalle empfindlich für das benutzte Licht zu machen. Im besonderen ist das Gerät zur

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"ÖfttätNAL INSiECTED

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Verwendung mit einer Laser-Lichtquelle vorgesehen. Der Begriff "Licht" soll so verstanden werden, daß er eine elektromagnetische Strahlung, die Wellenlängen innerhalb der ultravioletten und Infraroten Bereiche des Spektrums aufweist, abdeckt, wie auch sichtbares Licht.

Das erfindungsgemäße Gerät zum optischen Ver- oder Bearbeiten von Werkstoffen umfaßt eine Einrichtung zur Anordnung eines Körpers derart, daß ein Teil des zu bearbeitenden Körpers in einer gegebenen Ebene liegt, ferner eine Hehrzahl von abbildenden Elementen zum Erzeugen einer Mehrzahl von Bildern einer stationären Lichtquelle in der genannten Ebene, wobei die Intensität der Lichtquelle dazu ausreicht, um auf den genannten Teil des Körpers einzuwirken, sowie eine Einrichtung zur Bewegung des Körpers, um verschiedene ¹^¹ eiIe des Körpers zur Bearbeitung bereitzustellen.

Die Einrichtung zum Bev/egen des Körpers kann so angeordnet sein, daß die Bilder ein gewünschtes Muster auf dem Körper auftragen.

Die abbildenden Elemente können eine Reine von Spiegeln oder Linsen aufweisen, oder sie können durch die einzelnen Randgebiete /fringes/ eines Hologramms /hologram/ gebildet werden. Vorzugsweise ist eine Einrichtung zum Bewegen der abbildenden Elemente vorgesehen, um zu bewirken, daß die Bilder ein gewünschtes Muster auf dem Körper anbringen.

In dem Fall, wo die abbildenden Elemente eine Reine von Spiegeln oder Linsen sind, kann die Reihe körperlich bewegt werden, um zu bewirken, da.; die Bilder das Muster aufzeichnen, und zusätzlich können aie einzelnen abbildenden Elemente relativ zueinander beweglich angeordnet sein. In dem Fall, wo die abbildenden Elemente die Händer /fringes/ eines Hologramms /hologram/

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sind, ist ea natürlich aas Hologramm, das beweglich sein solle

Außerdem ist eine Einrichtung zur Modulation des Lichtstrahles vorgesehen, der von der Lichtquelle ausgesendet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausfünrungsform der Erfindung ist ein Gerät zum optischen Bearbeiten einer Platxe vorgesehen, welches eine Einrichtung aufweist, um eine zu bearbeitende Platte derart anzuordnen, daß wenigstens ein Teil der Platte in einer gegebenen Ebene liegt, ferner eine Mehrzahl von abbildenden Elementen zum Erzeugen einer Hehrzahl von Bildern einer stationären lichtquelle in der genannten Ebene, wobei die Intensität der Lichtquelle ausreicht, um auf die Platte einzuwirken, eine Einrichtung, die bewirkt, daß die Bilder ein gewünschtes Muster auf der Platte anbringen, sowie eine Einrichtung zum Bewegen der Platte, um verschiedene Teile der Platte zum Bearbeiten bereitzustellen.

Die Platte kann die Forra eines kontinuierlichen Bandes bzw. Gewebes aus einem Werkstoff aufweisen und die Einrichtung zum Bewegen der Platte kann ein System von "Walzen zum ϊ-ransport des Bandes bzw. Gewebes durch die Vorrichtung von einer Abwickelspule zu einer Aufwickelspule aufweisen.

Beispiele fur Bearbeitun;sverfahren, bei denen das erfindun.^sgemäße Gerät eingesetzt werden kann, sind beispielsweise das lokalisierte Schmelzen eines Körpers, das Punktverschweißen einar Platte mit einer anderen oder die Herstellung eines Küsters von Perforationen in einer Platte. Weitere Verfahren sind die Herstellung von Abdeckblenden /masks/ bei fotolithografischen Verfahren oder die lokalisierte Änderung der Färbfähigkeit von otoffen. In jedem Falle soll eine Lichtquelle mit einer angemessenen Spektralverteilung, Intensität und räumliehen Verteilun_ verwendet werden. Zum Schweißen oder Perforieren von Platten ist eine Laserquelle geeignet. Hingegen eignet sieh für

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fotolithografische Verfahren ein ultraviolettes oder sichtbares Licht.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlich erläutert, und zwar zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes,

Pig. -2 ein Verfahren zum Einführen von Änderungen in

das Muster, das auf einer Platte durch das Gerät nach Fig. 1 hergestellt wird,

Fig. 3 die Art und Weise, wie ein zweites Muster auf ein erstes Muster aufgedrückt wird,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes,

Fig. 5 einen Längsschnitt eines Teiles des Gerätes nach Fig. 4, während

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes veranschaulicht .

Nach Fig. 1 fällt ein Lichtstrahl 1 von einem nicht dargestellten Kohlendioxid-Laser mit einer typischen Leistung von 100-1000 Watt auf einen Mehrflächen-Spiegel 2, der rotiert, um so den Lichtstrahl 1 über eine Anordnung bzw. Heine 3 von baminelspiegeln /focussing mirrors/ 4 zu streuen, die wiederum den Strahl 1 auf ein Werkstück b bündeln., Die Intensität des gebündelten Strahles 8 ist ausreichend, um das Material zu verdampfen, aus dem das Werkstück ρ hergestellt ist, und so eine Reihe von Perforationen in dem Werkstück 5 herzustellen. Die Spiegel 4 können eine sphärische, ringförmige, zylindrische oder nichtsphärische Form aufweisen, was von der Form der Perforationen' abhängig ist, die hergestellt werden sollen»

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Das Werkstück 5 weist die Form eines Bandes aus plattenförmigen Material auf, das durch das Gerät mittels eines Systems von Walzen transportiert wird, von denen lediglich zwei, die nacheinander mit den Bezugsziffern 6 und 7 bezeichnet sind, dargestellt sind. Die Walze 6 ist so angeordnet, daß, wenn das Werkstück 5 über dieselbe gleitet, das Werkstück 5 in der Brennebene der Spiegel 4 angeordnet ist. Um die achsenentfernten optischen Ablenkungen bzw. Aberrationen des gebündelten Strahles 8 zu verringern, sollte die Walze 6, die das Werkstück 5 in der Brennebene der Spiegel 4 einstellt, einen so geringen Durchmesser aufweisen, wie er ausführbar ist,.so daß Spiegel mit kleinen Brennweiten bei nahezu normalem Einfall /incidence/ verwendet werden können. Die Walze 7 dient lediglich als Spannvorrichtung»

Die Transportvorrichtung für das Band 5 kann dasselbe durch die Brennebene der Spiegel 4 entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich synchron mit jedem Lauf des Strahles über das Werkstück 5 befördern.

Die Perforationen in dem Werkstück 5 können enger markiert werden durch das Einfügen einer Unterbrechervorrichtung in den Verlauf des Strahles 1, bevor dieser den rotierenden Mehrflächen-Spiegel 2 erreicht, und durch die Synchronisierung des Unterbrechers mit der Rotation des Spiegels 2, so daß der Strahl 1 £oif den Mehrflächenspiegel 2 nur dann auf trifft, wenn eine der Flächen sich in einer Stellung befindet, um den Strahl 1 zentral auf einen der Spiegel 4 zu reflektieren. Die Unterbrechervorrichtung kann mechanischer oder elektrooptischer Art sein. Alternativ kann die Laserquelle des Strahles 1 in pulsierender v/eise betätigt werdeno

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— D —

Kompliziertere Küster von Perforationen können durch die

Bewegung der Spiegel 4 erzeugt werden, wodurch erreicht wird, daß das von denselben reflektierte Licht Muster auf das Werkstück 5 aufträgt. Obgleich kein Antriebsmechanismus in Fig. 1 wegen seiner konventionellen Art dargestellt ist, ist die Reihe der Spiegel 4 beweglich in den Richtungen, die durch die Pfeile angegeben sind. Das Ausmaß der Drehbewegung wird durch die Tatsache begrenzt, daß der Strahl im Brennpunkt auf das Werkstück gehalten werden muß. Eine weitere Abänderung, die im Bedarfsfall eingeführt werden kann, besteht darin, die Spiegel individuell beweglich als auch zusammen beweglich zu machen.

Das Muster von Perforationen, das in dem Werkstück 5 hergestellt wird, kann auch durch die Modulation der Intensität des Strahles 1 geändert werden, um so das Vorkommen oder die Größe der Löcher zu variieren. Eine Vorrichtung zum Variieren des Vorkommens oder der Größe der Löcher ist in Fig. 2 dargestellt. Ein Muster-Kodiergerät 20 /pattern coder/ erzeugt ein Steuersignal, das kennzeichnend für die gewünschte Änderung in dem Vorkommen oder den Größen der Perforationen ist, die auf dem Werkstück hergestellt werden sollen, das in Pig. 2 nicht dargestellt ist. Das Steuersignal wird einer Antriebseinheit 21 übermittelt, die einen Modulator 22 und ein Synchronisierungsgerät betätigt, das wiederum die Rotationsgeschwindigkeit eines elektrischen Motors 24 steuert, der den Mehrflächen-Spiegel 2 antreibt. Der Modulator 22 kann in dem Hohlraum /cavity/ des Lasere 25 angeordnet sein, der die Meferquelle des Strahles 1 bildet, oder in dem Strahl 1 zwischen dem Laser 25 und dem Mehrflächen-Spiegel

Fig. 3 veranschaulicht, wie ein größeres Skalenmuster auf ein kleineres Skalenmuster aufgebracht werden kann. Eine Abdeckblende 31 /mask/, die aus einem hochreflektierenden Material

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hergestellt ist, so"daß sie nicht ungebührlich erwärmt wird, ist über dem Werkstück 5 angeordnet und bewegt sich zusammen mit diesem. Die Abdeckblende kann in der Transportwalze für das Werkstückmaterial enthalten sein, sie kann eine getrennte gesciilossene Schleife /loop/ bilden, die die Spiegel 2 und 4 enthält, oder sie kann in einem "SchicfetJaerstellungsverfahren" /batch production process/ Verwendung finden, bei welchem eine länge des Werkstückes 5 bearbeitet wird und dann die Abdeckblende 31 über einer anderen Länge des Werkstückes 5 angeordnet wird usw.

Bei der besonderen Anordnung nach Pig. 3 wird das Werkstück 5 nicht über Walzen gefördert, die in der Brennebene der Spiegel 4 angeordnet sind, sondern die Abdeckschablone 31 ist flach und weist Führungen 32 auf, die das "Werkstück 5 und die Abdeckblende 31 zueinander ausgerichtet halten und außerdem ermöglichen, daß das Werkstück genau in der Brennebene der Spiegel 4 angeordnet ist.

Die lineare Anordnung 3 der Spiegel 4 kann auch durch eine gekrümmte Anordnung von Spiegeln ersetzt werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Verschiebung bzw. Versetzung des Strahles 1, wenn dieser über die Spiegel 4 streicht, reduziert werden kann, so daß die danait verbundenen achsenentfernten optischen Aberrationen vermindert werden können.

Ferner können Linsen anstatt von Spiegeln als Abbildungs-Elemente verwendet v/erden, wie dies in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Bei dem in den Pig. 4 unc 5 dargestellten Gerät ist die Anordnung der Spiegel 4 dureä zwei orthogonale Reihen 4C,40^l zylindrischer Linsen ersetzt. Aufgrund der Tatsache, daß die Brennpunkte aer Linsen der Reihen 40,40* über eine merkbare Fläche eher als in einer Linie verteilt sind, wird das Werkstück

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mittels Walzen 42 und 42' über eine Führung transportiert, anstatt daß der Strahl auf der Oberfläche einer einzigen Walze abgebildet wird, wie dies bei dem vorstehend beschriebenen Gerät der Fall ist. Der otrahl 1 wird durch einen Laser 43 erzeugt und wird von einem Spiegel 44 auf einen Strahlen-Dehner 45 /beam expander/ reflektiert, der bewirkt, daß der Strahl auf alle Linsen in den Reihen 40,40' gleichzeitig auffällt. Zur Herstellung gesonderter Perforationen in dem Werkstück 5 wird der Laser 43 in pulsierender Weise betätigt, aber es könnte auch stattdessen ein Unterbrecher in dem Strahl 1 verwendet werden. Der Laser 43 wird durch eine Antriebseinheit 46 betrieben, die außerdem ein Synchronisiergerät 47 antreibt, das einen Motor steuert, der die Auf nahm ewü. ze 42' /take-up roller/ antreibt. Die Antriebseinheit 46 wird durch eine Steuereinheit 49 gesteuert.

Wie bereits bei den vorstehenden Ausführungen des Gerätes beschrieben, kann eine Einrichtung zum Bewegen der Linsen der Anordnungen 40,40' vorgesehen sein, damit die Bilder /images/ die Huster auf dem Werkstück 5 auftragen.

Fig. 6 zeigt sehr schematisch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes, bei welchem die Spiegel oder Linsen durch ein reflektierendes Hologramm 61 /reflective hologram/ ersetzt sind, das in Wirklichkeit in dem Laser-Hohlraum /laser cavity/ eingeschlossen ist, der zwischen zwei voll reflektierenden Hohlspiegeln 62 und 62' angeordnet ist. In diesem Falle werden aas Küster und die Form der Perforationen in dem Werkstück durch die Information /information/ bestimmt, die in dem Hologramm 61 /hologram/ enthalten ist. Noch einmal wird das Werkstück diskontinuierlich dem Licht voxi dem Laser ausgesetzt. Wenn die Energiedichte genügend hoch ist, damit die Bestrahlung kurz genug sein kann, um das Muster deutlich auf dem

Werkstück 5 zu markieren, dann kann das Werkstück 5 kontinuierlich auf einem Fördergerät transportiert werden, wenn nicht die Bewegung des Werkstückes diskontinuierlich sein muß zwischen gesonderten Bestrahlungen.

Obgleich die Ausführungen des beschriebenen Gerätes eine Laserquelle zur Herstellung von Perforationen in einem Werkstück verwenden, können weniger energiereiche Lieferquellen benutzt werden, wenn das Werkstück lediglich örtlich geschmolzen werden soll oder dasselbe in einer anderen Weise bearbeitet werden soll, beispielsweise durch ein fotolithografisches Verfahren.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

2214333

- ίο -

zi.i-i.iZ. all

72 019 Pü/Schm

Patentansprüche

V^1 ./jerät zum optischen Bearbeiten von Merkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (6) vorgesehen ist, um einen Körper (5) so anzuordnen, daü ein Teil des zu bearbeitenden Körpers in einez* gegebenen Ebene liegt, ferner eine I-iehrzahl von abbildenden Elementen (4,40,4ü',61) zum Erzeugen einer Mehrzahl von Bildern einer stationären Lichtquelle (25_t43) in der genannten Ebene, wobei die Intensität der Lichtquelle ausreichend ist, um auf den genannten Teil des Körpers (5) einzuwirken, sowie eine Einrichtung (6,7) zum Bewegen des Körpers, um die verschiedenen Teile des Körpers zur Bearbeitung bereitzustellen.

2. Gerät zum optischen Bearbeiten von Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (6) vorgesehen ist, um eine zu bearbeitende Platte (5) so anzuordnen, daß ein Teil der Platte (5) in einer gegebenen Ebene liegt, ferner eine Mehrzahl von abbildenden Elementen (4,40,4O¹,61) zum Erzeugen einer Mehrzahl von Bildern einer stationären Lichtquelle (25,43) in der genannten Ebene, wobei die Intensität der Lichtquelle dazu ausreicht, auf die Platte (5) einzuwirken, eine Einrichtung (2), die bewirkt, daß die Bilder ein gewünschtes Muster auf der Platte (5) markieren, sowie eine Einrichtung (6,7) zum Bewegen der Platte (5), um verschiedene Teile der Platte (5) zur Bearbeitung bereitzustellen.

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~j>. Gerät nacli Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daib die abbildenden Elemente (40,4ο¹) Linsen sind, die in wenigstens einer Reihe angeordnet sind.

4. G'erät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daiS die abbildenden Elemente Spiegel (4) sind, die in einer
Reihe angeordnet sind.

5. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abbildenden Elemente die Ränder eines Hologramms (61) /fringes of a hologram/ sind.

6. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Bewegen der abbildenden Elemente (4,40,40',61) vorgesehen ist, damit die Bilder ein gewünschtes Muster auf dem Körper anbringen.

7. Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, ca3 die einzelnen abbildenden Elemente (4,40,40') einer Reihe gegeneinander beweglich sind.

8. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte ein kontinuierliches Band .bzw. Gewebe (5) ist und daß eine Einrichtung (6,7) vorgesehen ist zum Transport des Bandes bzw. Gewebes (5) durch das Gerät.

9. Gerät nacr* einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dais eine Einrichtung (20,21,22,23,24) zur Ixdulation äe-s Lichtstrahles (1) von der stationären Lichtquelle (25) vorgesehen ist.

1C. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dai3 die Lieferquelle (25) des Lichtstrahles (1) ein Laser ist.

11. Verfahren zum Verwenden des Gerätes nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeiennet, äaa ein größeres Skalenmuster einem kleineren Skalennuster von Perforationen in einer Platte aufgedrückt wird.

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