DE29916584U1 - Swash optics for high-performance light sources - Google Patents

Swash optics for high-performance light sources

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Description

Taumeloptik für HochleistungslichtquellenWobble optics for high-performance light sources

AufgabenstellungTask

Es soll eine Optik geschaffen werden, die in der Lage ist, die Strahlung hochintensiver Lichtquellen wie z.B. Laser in vorhersehbarer Weise, entweder synchron oder asynchron die Wischbewegung einer menschlichen Hand nachahmend, über eine zu bestrahlende Oberfläche zu führen.The aim is to create an optic that is capable of guiding the radiation of high-intensity light sources such as lasers in a predictable manner, either synchronously or asynchronously imitating the wiping movement of a human hand, over a surface to be irradiated.

Stand der TechnikState of the art

Bisher wird optische Strahlung sowohl im Bereich der Materialbearbeitung wie Informationstechnik lediglich regulär über zu beaufschlagende Oberflächen, sei es in vorbestimmter, konturgebender Scan-Technik oder zeilen- bzw. kreisförmiger Scan-Technik geführt. Demgegenüber sind bisher keine technischen Lösungen verfügbar, mit denen es gelingt, Hochintensitätslichtstrahlung, vorzugsweise eines Lasers, in vorher stimmbarer Weise, synchron oder asynchron die Wischbewegung einer menschlichen Hand nachahmend, über die Oberfläche des mit Lichtleistung zu beaufschlagenden Materials zu führen.To date, optical radiation in the field of material processing and information technology has only been guided regularly over surfaces to be exposed, whether using predetermined, contour-forming scanning technology or line or circular scanning technology. In contrast, there are currently no technical solutions available that make it possible to guide high-intensity light radiation, preferably from a laser, in a pre-determined manner, synchronously or asynchronously imitating the wiping movement of a human hand, over the surface of the material to be exposed to light.

Erfindungsgemäße LösungInventive solution

Erfindungsgemäß werden in einer koaxialen Anordnung in einem ersten Ausführungsbeispiel zwei gegeneinander ausgerichtete Keilplatten derart montiert, dass die jeweils der eintretenden bzw. austretenden Strahlung zugewandte Seite orthogonal zur Strahlnchtung verläuft und dass die einander gegenüberliegenden Seiten keilförmig angeordnet sind. Durch eine mechanisch oder motorisch angesteuerte Abstandsänderung kann der durch die keilförmigen Platten eintretende Parallelversatz der einfallenden optischen Strahlung in dem durch die Durchmesser der Keilplatten vorgegebenen Rahmen frei eingestellt werden. Weiterhin sind die beiden Keilplatten frei gegeneinander drehbar und werden in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel motorisch gegeneinander periodisch oder asynchron verstellt. Hierdurch wird erreicht, dass im Rahmen des durch den Abstand der Keilplatten vorgegebenen maximales Radius der durch die Keilplatten hindurchdringende Lichtstrahl sich synchron, d.h. in Form von Lissajoufiguren bzw. asynchron über die gesamte Fläche des vorgegebenen Kreisradius bewegt. Insbesondere in Verbindung mit einem Hochintensitäts-Riesenpulslaser zur Oberflächenreinigung kann mit einer derartigen Taumeloptik die Wischbewegung der menschlichen Hand nachgeahmt werden, was überraschenderweise zu gleichmäßigeren Reinigungseffekten fuhrt,According to the invention, in a first embodiment, two wedge plates aligned against each other are mounted in a coaxial arrangement in such a way that the side facing the incoming or outgoing radiation runs orthogonally to the direction of the beam and that the opposite sides are arranged in a wedge shape. By changing the distance mechanically or motor-controlled, the parallel offset of the incident optical radiation caused by the wedge-shaped plates can be freely adjusted within the framework specified by the diameter of the wedge plates. Furthermore, the two wedge plates can be freely rotated against each other and, in the preferred embodiment, are adjusted against each other periodically or asynchronously by motor. This ensures that, within the maximum radius specified by the distance between the wedge plates, the light beam penetrating through the wedge plates moves synchronously, i.e. in the form of Lissajou figures or asynchronously, over the entire area of the specified circular radius. Especially in combination with a high-intensity giant pulse laser for surface cleaning, such a wobble optic can imitate the wiping motion of the human hand, which surprisingly leads to more uniform cleaning effects.

als dieses bei regulärer Strahlführung, sei es durch lineares oder kreisförmiges Scannen, eintreten würde.than would occur with regular beam guidance, be it through linear or circular scanning.

Die in der Anordnung nach Abb. 2-4 vorgesehenen Kreisplatten erhalten für die benutzte Wirkwellenlänge eine Schwerpunktentspiegelung, um somit sicher einen Rückreflex in den Laserresonator zu vermeiden.
Wie in Abb. 2a und 3 dargestellt, können anstelle der keilförmigen Platten auch sogenannte dicke planparallele Platten verwendet werden, die gegenüber der Achse des Systems in einem wählbaren Anstellwinkel, der gleichzeitig den Parallelversatz der Wirkstrahlung zur Eingangsachse bestimmt, vorgesehen werden. The circular plates provided in the arrangement shown in Fig. 2-4 are provided with an anti-reflection coating for the effective wavelength used in order to reliably prevent a back reflection into the laser resonator.
As shown in Fig. 2a and 3, instead of the wedge-shaped plates, so-called thick plane-parallel plates can also be used, which are arranged at a selectable angle of attack relative to the axis of the system, which simultaneously determines the parallel offset of the effective radiation to the input axis.

Erfindungsgemäß ist jedoch auch jede andere technische Lösung, wie z.B. außeraxial gefasste und rotierende Linsensysteme, die innerhalb einer vorherbestimmbaren äußeren Geometrie, vorzugsweise einer Kreisfläche, die Wischbewegung einer menschlichen Hand in entweder synchroner oder asynchroner Weise, realisieren können.However, any other technical solution, such as off-axis mounted and rotating lens systems, which can realize the wiping movement of a human hand in either a synchronous or asynchronous manner within a predeterminable external geometry, preferably a circular area, is also in accordance with the invention.

Abb. 1 zeigt das Prinzip der Taumeloptik im einfachsten Falle: Der kollimierte Laserstrahl 1 fällt vom Laser kommend in die Optik 2 und verläßt diese als parallelversetzter Strahl 3 (Abb. la). Die Optik verändert die Lage des Ausgangsstrahls zeitlich, sie scannt den Ausgangsstrahl dergestalt, daß er stets eine Parallelversetzung erfährt. In dem gezeichneten FallFig. 1 shows the principle of wobble optics in the simplest case: The collimated laser beam 1 from the laser falls into the optics 2 and leaves it as a parallel-displaced beam 3 (Fig. la). The optics change the position of the output beam over time, scanning the output beam in such a way that it always experiences a parallel displacement. In the case shown

hat sich die Lage des Ausgangsstrahls nach einer kurzen Zeit verändert, sodaß der Ausgangsstrahl 4 oberhalb seiner alten Position 3 liegt. Dabei hat der Strahlmittelpunkt in diesem einfachen Fall einen Halbkreis beschrieben. the position of the output beam has changed after a short time, so that the output beam 4 is above its old position 3. In this simple case, the beam center has described a semicircle.

Abb. 2a zeigt, daß diese einfache Kreisscanbewegung durch eine gekippte planparallele Platte 4 bewirkt wird, welche um die Achse des einfallenden Strahls 1 rotiert wird.Fig. 2a shows that this simple circular scanning movement is caused by a tilted plane-parallel plate 4 which is rotated around the axis of the incident beam 1.

Abb. 2b zeigt eine weitere mögliche Anordnung, bestehend aus zwei Prismen 4, 5, welche in der gezeichneten gegensinnigen Stellung einen Parallelversatz ders einfallenden Strahls 1 bewirken. Sie sind gemeinsam in einer Halterung 6 gehaltert. Bei Rotation dieser Halteriung beschreibt der Mittelpunkt des die Taumeloptik verlassenden Strahls 3 einen Kreis, dessen Durchmesser durch den Abstand der beiden Prismen so eingestellt ist, daß er gerade das doppelte des Durchmessers des Laserstrahls beträgt. Auf diese Weise wird eine Fläche so abgescannt, daß in ihrer Mitte keine unbestrahlte Teilfäche verbleibt, aber auch keine extreme Überhöhung der absorbierten Energie stattfindet.Fig. 2b shows another possible arrangement, consisting of two prisms 4, 5, which in the opposite position shown cause a parallel offset of the incident beam 1. They are held together in a holder 6. When this holder rotates, the center of the beam 3 leaving the wobble optics describes a circle, the diameter of which is set by the distance between the two prisms so that it is exactly twice the diameter of the laser beam. In this way, an area is scanned in such a way that no unirradiated part of the area remains in the middle, but also no extreme increase in the absorbed energy occurs.

Abbildung 3 zeigt eine weitere bevorzugte Anordnung. Der Strahl wird mittels zwei planparallelen Platten wiederum parallelversetzt. Die Stärke der Parallelversetzung ist hierFigure 3 shows another preferred arrangement. The beam is again parallel-displaced using two plane-parallel plates. The strength of the parallel displacement is

abhängig von der Verdrehung der beiden Platten zueinander. Durch gezielte Relativdrehbewegung lassen sich periodische Strahlablenkungen in Form von Lissajoufiguren erzeugen.depends on the rotation of the two plates relative to each other. Through targeted relative rotation, periodic beam deflections in the form of Lissajou figures can be generated.

Ein weiteres bevorzugtes Beispiel zeigt Abb. 4. Hier sind zwei Prismen 4, 5 einzeln dergestalt gehaltert, daß sie eine gemeinsame Rotation zuzüglich einer Relativdrehbewegung zueinander um eine gemeinsame Achse durchführen können, als auch daß der Abstand zwischen ihnen variabel ist. Diese drei Verstell-, möglichkeiten werden motorisch betätigt, wobei es freisteht, einzelne von ihnen periodisch zu betreiben.Another preferred example is shown in Fig. 4. Here, two prisms 4, 5 are individually mounted in such a way that they can perform a common rotation plus a relative rotational movement to each other around a common axis, and the distance between them is variable. These three adjustment options are motor-operated, and it is optional to operate individual ones periodically.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur flächigen Beaufschlagung von Oberflächen mit hochintensiver Lichtstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß zeitperiodisch aus der Strahlachse abgelenkt wird, so dass eine größere als der Fläche des Querschnittes des Lichtstrahles entsprechend abgerastet wird. 1. Device for the flat application of high-intensity light radiation to surfaces, characterized in that the beam is periodically deflected from the beam axis so that an area larger than the cross-section of the light beam is scanned. 2. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein Laser verwendet wird. 2. Device according to 1, characterized in that a laser is used as the light source. 3. Vorrichtung nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser einen Strahldurchmesser von mehr als 1 mm hat. 3. Device according to 1 and 2, characterized in that the laser has a beam diameter of more than 1 mm. 4. Vorrichtung nach 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Winkelauslenkung des Laserstrahls aus der Strahlachse wahlweise mit fester oder variabler Phasenbeziehung erfolgt. 4. Device according to 1-3, characterized in that the control of the angular deflection of the laser beam from the beam axis takes place optionally with a fixed or variable phase relationship. 5. Vorrichtung nach 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung bzw. der Versatz der Laserstrahlung aus der optischen Achse durch zwei zueinander geneigte im Abstand variable dicke planparallele Platten, die für die Wellenlänge der Wirkstrahlung entspiegelt sind, erfolgt. 5. Device according to 1-4, characterized in that the deflection or the offset of the laser radiation from the optical axis is carried out by two thick plane-parallel plates which are inclined to one another and have a variable distance between them and which are anti-reflective for the wavelength of the active radiation. 6. Vorrichtung nach 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlauslenkung/-versatz zur optischen Achse durch zwei einander zugeordnete Keilplatten erfolgt, dergestalt, dass die jeweils nach aussen weisende Keilplatte im wesentlichen senkrecht in jedem Falle aber in einem voreinstellbaren Winkel zur optischen Achse sich befindet und die einander zugeneigten Keilplatten im Hinblick auf ihren Abstand verschieblich angeordnet sind. 6. Device according to 1-5, characterized in that the beam deflection/offset to the optical axis is carried out by two wedge plates assigned to one another, such that the wedge plate pointing outwards in each case is essentially perpendicular to the optical axis but in any case at a presettable angle and the wedge plates inclined towards one another are arranged displaceably with regard to their distance. 7. Vorrichtung nach 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Plan- bzw. Keilplatten um die Strahlachse einzeln phasenstarr bzw. phasenvariabel rotiert werden können. 7. Device according to 1-6, characterized in that the plane or wedge plates can be rotated individually in a phase-fixed or phase-variable manner about the beam axis. 8. Vorrichtung nach 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation durch Elektromotore erfolgt. 8. Device according to 1-7, characterized in that the rotation is effected by electric motors. 9. Vorrichtung nach 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsbewegung oszillierend über ein Hubdrehgetriebe erfolgt. 9. Device according to 1-8, characterized in that the rotational movement is oscillating via a lifting rotary gear.
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