DE3314963A1

DE3314963A1 - Mittels laserstrahl arbeitende schneid- und graviervorrichtung

Info

Publication number: DE3314963A1
Application number: DE19833314963
Authority: DE
Inventors: John Alan Santa Rosa Calif. Macken
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-04-26
Filing date: 1983-04-25
Publication date: 1983-10-27
Also published as: GB8300821D0; JPS58188593A; GB2118884B; JPS6224190B2; CA1194556A; GB2118884A; US4430548A; DE3314963C2

Description

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Die Erfindung betrifft eine mittels Laserstrahl arbeitende Schneid- und Graviervorrichtung, die insbesondere zum Schneiden von Papier geeignet ist.

Es ist bekannt, Lasergeräte zur Erzeugung komplizierter Papierschnitte zu verwenden. Die bekannten Schneid- und Graviervorrichtungen haben eine Schablone, die einen Papierstapel berührt, und sind so ausgebildet, daß ein er-

-^q heblicher Druck auf das Papier ausgeübt wird, damit verhindert wird, daß sich Rauch zwischen den Papierblättern niederschlägt. Aufgrund des erforderlichen Druckes sind derartige Vorrichtungen nicht ohne weiteres geeignet, mit einer üblichen Druckpresse zusammenzuarbeiten, die in der Lage ist, zu einem bestimmten Zeitpunkt ein einziges Papierblatt bei kontinuierlichem Papierdurchlauf zu handhaben

Eine weitere Vorrichtung zum Schneiden von Papier mittels eines Laserstrahls erfordert eine Modulation, wobei das

2Q Papier mit einem elektrisch modulierten Laserstrahl abgetastet wird, der ein- und ausgeschaltet wird, um eine punktweise Auflösung der gewünschten Abbildung zu erreichen. Diese Lösung wurde bisher für stationäres oder sich s-lir langsam bewegendes Papier verwendet, da die bekannten Modulationseinrichtungen unter Verwendung von CO_-Lasern es nicht ermöglichen, eine ausreichend hohe Modulationsfrequenz für eine Massenproduktion zu erreichen, wie sie in der Druckindustrie erforderlich ist. Außerdem sind Vorrichtungen mit direkter Modulation des Laserstrahls kom-

₃q pliziert und teuer.

Kontaktfrei und mit Laserstrahl arbeitende Graviervorrichtungen wurden erfolgreich zum Gravieren von Gegenständen aus Holz eingesetzt. Eine derartige Vorrichtung ist in der Qg US-PS 4 156 124 beschrieben. Bei der hieraus bekannten Vorrichtung sind ein erster und zweiter paralleler Auflage-

ORIGJNAL INSPECTED

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tisch zur gleichzeitigen synchronen Drehung angeordnet, und eine Schablone befindet sich auf dem ersten Tisch und ein Werkstück darunter auf dem zweiten Tisch. Ein über dem ° ersten Tisch angeordneter Laser erzeugt einen Laserstrahl, der die Schablone zum Werkstück durchläuft und sich, wenn sich die Tische drehen, radial nach innen bewegt. Die Schablonen dieser Vorrichtung haben unterschiedliche Formen. Obwohl diese Vorrichtung für Werkstücke aus Papier verwendet werden kann, ist sie für die Anforderungen der Druckindustrie nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit Laserstrahl arbeitende Schneid- und Graviervorrichtung zu schaffen, die zur Bearbeitung eines sich bewegenden Werkstücks geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung hat eine Laserenergiequelle, die einen Laserstrahl zu einem Abtastmechanismus leitet. Der so abgelenkte Strahl wird auf eine erste optische Einrichtung gerichtet, die ihn in einer Ebene im Raum fokussiert', wobei eine Schablone in dieser Ebene liegt, so daß der Abtastlaserstrahl stets fokussiert wird, wenn er auf die Schablone trifft. Zwischen der Schablone und einem Werkstück z.B. aus Papier ist eine zweite optische Einrichtung angeordnet, deren Brennweite so gewählt ist, daß sie das Schablonenmuster auf dem Werkstück abbildet. Die erste und zweite optische Einrichtung sind Linsen oder Spiegel. Bei beiden Ausführungen werden die Schablone und das Werkstück gleichzeitig in parallelen Ebenen in optimaler. Richtung und mit optimaler Geschwindigkeit bewegt, während die Abtastung in irgendeiner geeigneten Form, z.B.

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als überlappende Rasterabtastung in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schablone durchgeführt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 und 2 beispielsweise erläutert.

Es zeigt:

Figur 1 Eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung unter Vewendung von Linsen als optischen Einrichtungen;

Figur 2 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung 15

unter Verwendung von Spiegeln als optischen Einrichtungen.

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-β-

Bei der Vorrichtung und dem Verfahren, wie sie im folgenden beschrieben werden, wird eine Schablone verwendet, die öffnungen in den Bereichen hat, die ein Laserstrahl durchlaufen soll, um eine Abbildung auf einem Werkstück aus Papier oder dgl. zu erzeugen. Bei der speziellen Anwendung auf die Papier- oder Druckindustrie besteht kein Nachteil in der Verwendung von Schablonen. Das derzeit angewandte Schneiden von Papier erfordert Schablonen für die Vorlage. Die mechanischen Anforderungen zur Verbindung von Linien in der Schablone sind nicht anders als die zur Herstellung der Vorlage für das Papier, das ebenfalls mit einer Schablone bearbeitet werden muß.

Die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung sind außerdem, wie später beschrieben wird, ohne weiteres in der Druckindustrie anwendbar, wo sich das Papier bewegt. Figur 1 zeigt ein Lasergerät, das einen stationären Laser 10 hat, der vorzugsweise ein C0₂~Laser ist und der einen Laserstrahl 12 (der im Hinblick auf die endliche Breite des Strahls in Form von zwei Linien gezeigt ist) zu einem Abtastmechanismus 14 richtet. Der Abtastmechanismus ist in Figur 1 als Abtastspiegel gezeigt, der über einen bestimmten Winkel um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene eine schnelle Vor- und Rückwärtsbewegung ausführen kann. Vom Abtastmechanismus 14 gehen zwei Linienpaare 12a und 12b aus, von denen jedes den Weg des Laserstrahls 12 an verschiedenen Extrema der Schwenkbewegung des Abtastmechanismus 14 zeigt. Z.B. zeigt das durchgehende Linienpaar 12a den Strahl 12, wenn er von der Oberfläche des Spiegels mit dem Abtastmechanismus 14 in der in durchgehenden Linien gezeigten Stellung reflektiert wird, während das gestrichelte Linienpaar 12b den Laserstrahl 12 zeigt, wenn er von der Oberfläche des Spiegels mit dem Abtastmechanismus 14 in der in gestrichelten Linien gezeigten Stellung reflektiert wird.

Eine Linse 16 ist so angeordnet, daß sie alle Wege des Laserstrahls 12 schneidet, der von dem Spiegel in den verschiedenen Abtaststellungen reflektiert wird. Die Linse ist im Abstand "A" von dem Mechanismus 14 angeordnet und ihre Mitte liegt auf der Achse, die sich durch die Schwenkachse des Abtastmechanismus 14 erstreckt. Außerdem liegt die Linse 16 in einer Ebene senkrecht zur mittleren Abtaststellung des Laserstrahls 12. Der Laserstrahl 12 trifft die Linse 16 an verschiedenen Stellen innerhalb des Abtastzyklus, die den aufgenommenen Strahl zu einem Brennpunkt in einer Ebene im Raum bricht. An dieser Stelle im Raum wird der fokussierte Strahl auf einen Punkt ähnlicher Breite bzw. ähnlichen Durchmessers reduziert. Diese Ebene im Raum ist die Stelle, an der sich die Schablone 18 befindet, die um die Strecke "B" von der Linse 16 entfernt ist. Die Schablone 18 ist in dieser Ebene angeordnet, so daß der Abtastlaserstrahl stetb fokussiert wird, wenn er die Schablone 18 trifft.

Die Schablone 18 besteht aus Metall und reflektiert den Strahl in Bereichen, in denen sie getroffen wird, während sie den Durchgang der Laserstrahlen in ihren öffnungen ermöglicht. Die die öffnungen in der Schablone 18 durch"* aar ^nden Laserstrahlen werden zu einer zweiten Optik in Form einer Linse 20 gerichtet, die um die Strecke "C" von der Schablone 18 entfernt ist. Diese Lage entspricht einer Lage, in der alle Strahlen des abtastenden Laserstrahls einander überlagert werden, und es tritt offensichtlich keine Bewegung auf.

Die Linse 20 ist so gewählt, daß sie eine solche Brennweite hat, daß die Schablone 18 auf dem Werkstück bzw. einem Papierblatt 22 abgebildet wird. Bei dieser Vorrichtung wird das Licht, das die öffnungen der Schablone 18 durchläuft, wieder auf dem Papierblatt 22 fokussiert, das in einem Abstand "D" von der'Linse 20 entfernt ist. Bei einem Laser

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ausreichend hoher Leistung wird das Papierblatt 22 in den Bereichen verdampft, in denen der Laserstrahl auftrifft.

Bei der gezeigten Vorrichtung durchläuft das gesamte Laserlicht die Mitte der Linse 20, so daß Aberrationen minimal gehalten werden, und eine hoch qualitative Auflösung der Abbildung bewirkt wird, die auf dem Papierblatt 22 gebildet bzw. in dieses geschnitten wird. Bei der Ausführungsform der Figur 1 gelten bei stationärem Werkstück bzw. Papier und stationärer Schablone 18 bestimmte mathematische Beziehungen. Wenn man zusätzlich zu den zuvor definierten Abständen "A"-"D" die Brennweite der Linse 16 mit F₁,, die

ι ο

Brennweite der Linse 20 mit F„_o, die maximale Länge der
auf der Linse 16 abgetasteten Linie mit L₁,,die maximale Länge der auf der Schablone 18 abgetasteten Linie mit L_1R und die maximale Länge der in das Papierblatt 22 geschnittenen Linie mit L„„ bezeichnet, dann definieren bei parallelem Laserstrahl 12 die folgenden mathematischen Beziehungen die Lage der Zeile in der zuvor beschriebenen Vorrichtung wie folgt:

	B =	^F16	1
1	1		B+C
^F16	A		1
1	1		D
^P20	C

Wenn die Teile entsprechend den obigen Gleichungen angeordnet sind, dann sind die maximalen Größen der abgetasteten Linie (oder der abgetasteten Bereiche) auf der Schablone
18 und dem Papierblatt 22 durch die folgenden Gleichungen gegeben:

* m

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-11-

_T ^L18 ^D

^L22 C~

Wenn der Strahl 12 nicht parallel ist, sondern entweder etwas konvergiert oder divergiert, wenn er auf die Linse 16 trifft, dann gelten die obigen mathematischen Beziehungen noch, mit der Ausnahme, daß B φ- F._fi. Diese Gleichung muß wie folgt geändert werden:

1 = _1_ + _L
^{B F}16 ^F12

*° Wobei F₁- der Abstand von dem Punkt, wo der Laserstrahl auf die Linse 16 trifft, zu dem projizierten (reellen oder imaginären) Brennpunkt für den Strahl 12 ist, unter Vernachlässigung der Wirkung der Linse 16.

²^ Wenn bei einem einfachen Zahlenbeispiel die Linse 20 die halbe Brennlänge der Linse 16 hat, und der Strahl 12 parallel ist, da gelten die vorliegenden Dimensionen für die Vorrichtung der Figur 1: A = 2F„ _c; B = F₁,; C = F„, und D = F..^.

Ib Ib Tb ι ο

^ Bei diesen Abmessungen der Vorrichtung ist die maximale abgetastete Linienlänge auf der Schablone 18 halb so groß wie der Durchmesser der Linse 16, und die abgetastete Linie auf dem Papierblatt 22 ist halb so groß wie der Durchmesser der Linse 16. Zur Optimierung der Vorrichtung sollte der Durchmesser der Linse 20 größer als die geometrische Projektion des Strahlenbündeldurchmessers an der gewählten Stelle der Linse 20 sein. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Lichtstrahlen, die durch die Schablone 18 nahe den Rändern der Öffnungen darin verlaufen, sich unter Winkeln brechen, die ° größer als das geometrische Strahlenbündel sind. Bei größeren Linsendurchmesser wird dieses gebrochene Licht aufge-

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fangen, so daß eine gute Auflösung auf dem Papierblatt 22 erreicht wird. Praktisch sollte der Durchmesser der Linse 20 etwa 1/10 des Abstandes "D" sein, wenn der Laserstrahl 12 von einem CO₂~Laser mit einem Ausgangssignal mit einer Wellenlänge von 10,6 Mikron erzeugt werden.

Die bisherige Beschreibung erfolgte unter Bezugnahme darauf, daß der Strahl 12 eine Linie bzw. Zeile abtastet und ein Linienbild auf dem Papierblatt 22 erzeugt, wobei sich der Abtastmechanismus zwischen der in durchgehenden Linien gezeigten Stellung und der in gestrichelten Linien neben dem ■Spiegel 14 gezeigten Stellung bewegt. Beim zweidimensionalen Schneiden führt der Abtastmechanismus 14 eine Rasterabtastung mit zweidimensionalen Bewegungen durch. Die Abtastgeschwindigkeitanforderungen für die schnellen und langsamen Abtastgeschwindigkeiten der Rasterabtastungen hängen von mehreren Paktoren wie der Größe der Schablone 18 oder der Linse 16 (je nach dem, welches Teil die Apertur begrenzt), dem Durchmesser des Brennpunktes auf der Schablone 18, der Leistung des Laserstrahls 12 und der Dicke des Werkstücks bzw. Papierblatts 22 ab. Das Hauptziel ist es, eine überlappende Abtastung auf der Schablone 18 mit einer Leistungsdichte zu erreichen, die ausreicht, um das Papierblatt 22 in den offenen Bereichen der Schablone 18 einwandfrei zu verdampfen.

Wendet man die Abstände der Teile (und die Brennweiten), wie zuvor angenommen,für eine zweidimensionale Darstellung bzw. Abbildung auf dem Papierblatt 22 an, liegt die maximale Größe der erzielbaren Abtastung innerhalb eines Kreises mit einem Durchmesser von etwa dem halben Durchmesser der Linse 16. Diese Abbildungsgröße setzt voraus, daß die Schablone 18 und das Papierblatt 22 stationär bleiben, während das Schneiden bzw. Gravieren stattfindet.

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In der Drucktechnik und bei Vorrichtungen zur Handhabung von sich bewegendem Papier ist es jedoch erforderlich, die Schablone 18 und das Papierblatt 22 in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen, so daß die Abbildung von dem Abtastspiegel 14 des Abtastmechanismus in einer einzigen Ebene gebildet werden kann, und daß die zweidimensionale Abbildung durch die Bewegung der Schablone 18 und des Papierblatts 22 erreicht wird. Hierzu sind in Figur 1 die Blöcke 24 und 26 gezeigt, die jeweils mit der Schablone 18 und dem Papierblatt 22 verbunden sind, um die Schablone 18 und das Werkstück bzw. das Papierblatt 22 gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen. Der Abtastmechanismus 14 tastet in einer Richtung senkrecht zu dieser gleichzeitigen Bewegung ab.

Wenn der Abstand "C" in Figur 1 gleich dem Abstand "D" ist, dann sollte die Verschiebegeschwindigkeit der Schablone 18 gleich der Verschiebegeschwindigkeit des Papierblatts 22 (jedoch mit entgegengesetzter Richtung) sein. Wenn die Abstände "C" und "D" nicht gleich sind, dann muß man die Geschwindigkeit der Schablone 18 und des Papierblatts 22 proportional dem Verhältnis C/D einstellen, um einen Gleichlauf der Abbildung zu erreichen. Es ist möglich, einen Mechanismus vorzusehen, um die Schablone 18 und das Papierblatt 22 in der gleichen Richtung zu bewegen, indem man eine Drei-Linsen-Kombination anstelle der Linse 20 verwendet. Dies ist jedoch nicht wünschenswert, da die zusätzlichen Linsen zusätzliche Kosten verursachen, während die Auflösung der Abbildung auf dem Papierblatt 22 verschlechtert wird. Zusätzlich zu dem Vorteil, daß das sich bewegende Papierblatt 22 geschnitten oder graviert wird, schafft die Verwendung der v'orschiebeeinrichtungen 24 und 26 zur Bewegung des Papierblatts 22 und der Schablone 18 den zusätzlichen Vorteil, daß die Größe der Vorlage durch die physikalischen Parameter der Linse 16, in der das Papierblatt 22 bewegt

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werden soll, nicht begrenzt wird.

Die bisherige Beschreibung erfolgte unter Bezugnahme auf Linsen in Form optischer Vorrichtungen. Zur Verwendung in der Druck- und Papierindustrie sind jedoch große Bearbeitungsstrecken erforderlich. Bei großen Bearbeitungsstrecken sind jedoch für den zum Schneiden von Papier als optimal angesehenen Laserlinsen großen Durchmessers erforderlich. Ein solcher Laser ist ein C0„-Laser mit einem Ausgangssignal mit einer Wellenlänge von 10,6 Mikron. Linsen, die bei dieser Wellenlänge arbeiten können, haben einen großen Durchmesser und sind daher teuer. Vom praktischen Standpunkt ist es daher erforderlich, ein System unter Verwendung von Spiegeln zu schaffen, die weniger teuer sind, und die ohne weiteres zur Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge von 10,6 Mikron herstellbar sind. Figur 2 zeigt ein Lasergerät unter Anwendung des gleichen, bisher beschriebenen Prinzips, jedoch unter Verwendung von Spiegeln statt der Linsen 16 und 18 als den optischen Vorrichtungen.

Obwohl bekanntlich Spiegel für Linsen verwendbar sind, sind Systeme unter Verwendung von Spiegeln statt Linsen komplizierter, da es notwendig ist, bei der Erzeugung der Abbildung in einem Spiegelsystem die Strahlen in sich selbst zu reflektieren. Bei dem System der Figur 2 hat der Abtastmechanismus 30 einen Abtastspiegel 32, der einen Laserstrahl 34 über einen Winkel rasch ablenkt, der senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Hierbei verwendet man einen C0_-Laser mit einem Strahl, der einen Durchmesser von etwa 12,7 mm hat und eine Abtastung über einen Winkel von 15° mit einer 13escKwim3Igk"e^^^ — -

.„_sf=>r strahl. .34.. trifft .danrL imJLeineja Spiegel ^ 3J>_t der _f lach

einen Durchmesser von etwa 203,2 mm mit einer Brennweite von etwa 38,1 cm hat. Dieser Spiegel wurde in zwei Hälften geschnitten, so daß er tatsächlich halbkreisförmig ist und seine flach geschnittene Kante nahe dem Abtastmechanismus 30 liegt. Des Spiegel 38 ist so gerichtet, daß der 15°-Abtastwinkel des Laserstrahls eine Linie auf dem Spiegel 38 erzeugt, die nahe der Schnittkante liegt, und daß der gesamte abtastende Laserstrahl 34 vom Spiegel 38 aufgenommen wird. Bei dieser Ausführungsform entspricht der Spiegel 38 der Linse 16 (Figur 1) und der Abtastmechanismus 30 dem Abtastmechanismus 14.

Als weitere Übereinstimmung zwischen den beiden Ausführungsformen ist der Abstand "A", der anhand der Figur 1 erläutert wurde, durch die optische Weglänge vom Spiegel 30 zum Spiegel 36 kombiniert mit der Weglänge vom Spiegel 36 zum Spiegel 38 gegeben. Diese optische Weglänge beträgt bei der Vorrichtung der Figur 2 etwa 71,12 cm.

Der abtastende Laserstrahl 34 wird von der Oberfläche des Spiegels 38 reflektiert, der ihn auf eine Schablone 40 richtet. Die Weglänge zwischen dem Spiegel 38 und der .Sc'i-iblone 40 beträgt etwa 38,1 mm. Bei diesen Abmessungen und physikaiischen Parametern der Systemteile beträgt die Abmessung der auf der Schablone abgetasteten Linie etwa 73,15 mm senkrecht zur Zeichenebene. Wie zuvor in Verbindung mit dem System der Figur 1 erläutert liegt die Schablone 40 bei der Ausführungsform der Figur 2 in einer Ebene auf dem Brennpunkt des Spiegels 38. Das durch die Öffnungen der Schablone 4 0 durchlaufende Laserlicht, trifft auf eine zweite optische Vorrichtung, die aus zwei flachen Spiegel 42 und 44, und einem halbkugelförmigen Spiegel 46 besteht. Die flachen Spiegel 42 und 44 sind unter einem Winkel zueinander angeordnet, wobei die benachbarten Kanten der beiden Spiegel aneinander liegen. Die Spiegeloberflache des Spiegels 42 richtet den auftreffenden Laserstrahl 34 etwa rechtwinklig

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zum halbkugelförmigen Spiegel 46, der ihn dann zur Oberfläche des zweiten flachen Spiegels 44 reflektiert, der ihn nach unten auf das Werkstück bzw. Papierblatt 48 leitet. Die Vorrichtung hat eine Metallfolie 50 zur Aufnahme des Papierblatts 48, die einen Spalt 52 hat, der mit dem Bereich des Papierblattes 48 fluchtet, der abgetastet wird, damit der Rauch austreten kann, der von der Rückseite des Papiers 48 während des Betriebs austritt.

Bei dem System der Figur 2 sind beide Spiegel 42 -und 4 4 flach und haben näherungsweise Abmessungen.von 25,4 mm auf 107,95 mm, und der halbkugelförmige Spiegel 46 hat eine Länge von 107,95 mm und eine Brennweite von 21,97 cm. Die kombinierte optische Weglänge von der Schablone 4 0 zum Spiegel 42 zum gewölbten Spiegel 46 beträgt etwa 43,94 cm, bei gleichem optischen Weg von dem gewölbten Spiegel 46 zum Papierblatt 48 über den flachen Spiegel 44.

Die Spiegel 42 und 44 wirken zusammen, um eine weitere Funktion außer der Strahlumlenkung zu erreichen, da die beiden flachen Spiegel zusammenwirken, um eine geometrische Bildinversion zu erreichen, so daß die Schablone 40 und das Papierblatt 48 in der gleichen Richtung verschoben werden können, statt in entgegengesetzten Richtungen, wie dies bei dem System der Figur 1 erforderlich ist.

Bei der Vorrichtung der Figur 2 ist eine Schablonen-Verschiebungseinrichtung 54 so angeordnet, daß sie die Schablone 40 verschiebt, während eine Papierblatt-Verschiebungseinrichtung 56 vorgesehen ist, um das Papierblatt 48 während des Betriebs zu verschieben. Die relativen Bewegungsgeschwindigkeiten der beiden Einrichtungen werden in irgendeiner zweckmäßigen Weise gesteuert. Bei einem beispielsweise typisehen Anwendungsfall wird ein 200 Watt-CO₂-Laser mit einer Brennpunktsgröße von etwa 0,76 mm verwendet. In Figur 2 wird

die Schablone 40 von der Einrichtung 54 mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 mm pro See. nach rechts bewegt, wobei das Papierblatt von der Einrichtung 56 mit der gleichen Geschwindigkeit in der gleichen Richtung bewegt wird. Das Papierblatt 48 hat eine Dicke von etwa 0,1 mm. Bei den physikalischen Parametern der Abstände, Größen und Brennweiten der Spiegel, wie sie zuvor beschrieben wurden, sind die Geschwindigkeiten so gewählt, daß eine integrierte Laserenergiedichte an der Oberfläche des Papierblattes 48 von etwa 38,75 Watt See. erzeugt wird. Diese Energiegröße ist erforderlich, um das Papierblatt der angegebenen Dicke zu verdampfen. Bei einem Abtastwinkel von 15° des abtastenden Spiegels 30 beträgt die Breite der Schnittlinie auf dem Papierblatt etwa 98,55 mm, wobei der 200 Watt Laserstrahl die Verschiebegeschwindigkeit bestimmt, d.'h. die Verschiebegeschwindigkeit der Schablone 40 und des Papiers 48. Die Verwendung des halbkugelförmigen Spiegels 46 bewirkt eine minimale Aberration, da das System relativ nahe der theoretisch perfekten Abbildungslage verwendet wird, d.h., daß eine Kugel keine spherische Aberration bewirkt, wenn ein Punkt in der Kugelkrümmungsmitte auf sich selbst abgebildet wird. Bei der Ausführungsform der Figur 2 liegen die Abbildungen, die auf den flachen Spiegeln 42 und 4-1 auftreten, in einem Abstand gleich dem Krümmungsradius des halbkugelförmigen Spiegels 46, wobei die Abbildungen auf den flachen Spiegeln 42 und 44 um einige Grade getrennt. Die Auflösung dieses Teils des optischen Systems ist sehr gut.

Außerdem ist zu betonen, daß das optische System weit-aus bessere Abbildungen liefert, als aufgrund von Beugungs-Grenzberechnungen anzunehmen wäre, die eine gleichmäßige Beleuchtung der gesamten Apertur des Spiegels 46 in Figur 2 oder der Linse 20 \n Figur 1 voraussetzen. Bei dieser Konstruktion ist der Laserstrahl im Vergleich zum Durchmesser des Spiegels 46 in Figur 2 klein und trifft stets nahe der Mitte des Spiegels 46 auf. Diese Konstruktion stellt immer sicher,

ORIGINAL INSPECTED

daß alle in einer bestimmten Anzahl von Beugungsringen (was von der Zahl "F" abhängt) enthaltene Information vom Spiegel 46 vollständig aufgenommen und vollständig auf das Papierblatt 48 übertragen wird. Dies ist einer gleichmäßigen Beleuchtung des Spiegels 46 vorzuziehen, da bei gleichmäßiger Beleuchtung (bzw. einem breit abtastenden Strahl) ein erheblicher Prozentsatz des Lichts nahe dem Rand des Spiegels auffällt, und Teile von Beugungsringen selbst geringer Ordnung verloren gehen.

Dies wurde durch Beobachtungen unter Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von 10,6 Mikron festgestellt, wobei eine bessere Auflösung mit einem F1B-System erzielt wurde, als bei gleichmäßiger Beleuchtung zu erwarten gev/esen wäre.

In Abweichung von dem beschriebenen Beispiel würde ein Laser höherer Leistung bei gleicher Dicke des Papierblatt;.·; 48 höhere Bewegungsgeschwindigkeiten des Papierblatts 48 bei gleicher Laserenergiedichte an der Oberfläche ermöglichen. Auch können Kunststoffilme oder Gewebe bearbeitet werden, wenn die zum Verdampfen erforderliche Energiemenge bekannt ist. Die beschriebene Vorrichtung kann auch für dickere Materialien wie Holz oder Leder verwendet werden, deren Oberfläche statt durchgeschnitten graviert wird. Vorrichtung und Verfahren, wie sie insbesondere bezüglich der Bauteile der Ausführungsform der Figur 2 beschrieben wurden, ergeben jedoch eine wirtschaftliche und schnelle Art, Papier in der Papierindustrie zu schneiden, wenn sich das Papier bewegt.

Claims

JOHN ALAN MACKEN 25.April 1983/Car

Shadow Hill Drive
Santa Rosa, CaI./USA
187

Mittels Laserstrahl arbeitende Schneid- und

Graviervorrichtung

Mittels Laserstrahl arbeitende Schneid- und Graviervorrichtung,

gekennzeichnet durch eine Laserstrahl-Erzeugungseinrichtung (10), eine Abtastvorrichtung (14) um den Laserstrahl längs einer vorbestimmten Bahn zu richten, eine erste optische Einrichtung (16), um den Laserstrahl aufzunehmen und ihn zu fokussieren, eine Schablone (18) in der Brennebene der ersten optischen Einrichtung (16), die zur Erzeugung einer Abbildung einen Teil des Laserstrahls durchläßt, eine zweite optische Einrichtung (20), die den, die Schablone (18) durchlaufenden Laserstrahl aufnimmt und an oder nahe der Stelle liegt, wo sich alle ungebeugten Strahlen des durchlaufenden, abgelenkten Laserstrahls überlagern, und ein Werkstück (22), daß in der Brennebene der zweiten optischen Einrichtung (20) liegt, wobei der abgelenkte Laserstrahl eine Energiedichte hac, die ausreicht, um einen Teil des Werkstücks zu verdampfen und dadurch die Schablone auf dem Werkstück abzubilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und zweite optische Einrichtung (16, 20) Linsen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und zweite optische Einrichtung Spiegel sind.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine die Schablone (18) bewegende Einrichtung (24).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein das Werkstück (22) in einer zur optischen Abbildung der Schablone (18) erforderlichen Richtung bewegende Einrichtung (26).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (14) den Laserstrahl längs einer Linie über einen vorbestimmten Winkel richtet/ und daß eine Einrichtung (24), um die Schablone (18) senkrecht zu dieser Linie zu bewegen, und eine Einrichtung(26) vorhanden ist, um das Werkstück in der zur optischen Abbildung der Schablone (18) erforderlichen Richtung zu bewegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite optische Einrichtung (16, 20) Linsen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite optische Einrichtung Spiegel sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste optische Einrichtung einen flachen Spiegel (36) zur Aufnahme des abgelenkten Laserstrahls aufweist, der ihn zu einem zweiten gewölbten Spiegel (38) richtet.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite optische Einrichtung einen dritten, vierten und fünften Spiegel (4 2,44,46) aufweist, daß der dritte Spiegel (42) ein flacher Spiegel zum Reflektieren des aufgenommenen Strahls unter einem Winkel zum vierten Spiegel (46) ist, der ein Kugelspiegel ist, der den Lichtstrahl in der gleichen allgemeinen Einfallsrichtung zum fünften Spiegel (44) richtet, der ein flacher Spiegel ist, um den Strahl auf das Werkstück (48) zu leiten.

Π. Vorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet,

daß der dritte und fünfte Spiegel (42, 44) an einem Rand aneinander liegen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Abtasteinrichtung einen Abtastspiegel (32) aufweist, um den Laserstrahl längs einer Linie über einen bestimmten Winkel abzulenken, und daß Einrichtungen (54, 56) vorgesehen sind, um die Schablone (40) v.nd das Werkstück (48) gleichzeitig längs einer Linie senkrecht zur Abtastlinie zu bewegen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Bewegungen der Schablone und des Werkstücks mit Geschwindigkeiten und in Richtungen erfolgen, durch die eine sich überlappende Rasterabtastung auf der Werkstückoberfläche erreicht wird, um darauf die Schablone abzubilden.

1 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtungen (24, 26) die Schablone und das Werkstück in entgegengesetzten Richtungen mit

5 proportionalen Geschwindigkeiten bewegen.