DE3802673A1 - Laserstrahl-injektionssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Lasersysteme, die bei der Fer­ tigung verwendet werden, und insbesondere auf ein Laser­ system, das die Aufteilung eines einzelnen Lasers auf viele Arbeitsstationen ermöglicht.

Hochleistungs-Gas- und Festkörperlaser haben heute eine große Akzeptanz bei der Fertigung gewonnen, indem Kosten ge­ senkt und die Produktqualität verbessert wird. Der Gebrauch derartiger Laser als eines Prozentsatzes der Zeit, zu der sie zur Benutzung verfügbar sind, ist jedoch klein. Dies liegt daran, daß üblicherweise derartige Anwendungsfälle so einge­ richtet sind, daß ein Laser pro Arbeitsstation verwendet wird. Infolgedessen haben derartige Anwendungsfälle ein großes Ver­ hältnis von Rüst- zu Prozeßzeit und große Kapitalkosten pro Arbeitsstation.

Eine Aufgabe derartiger Laser-Arbeitsstationen besteht darin, für Flexibilität zu sorgen, indem der durch einen einzigen Leistungslaser erzeugte Strahl, um beispielsweise eine Schwei­ ßung herbeizuführen, an mehreren räumlich unterschiedlichen Stellen verfügbar sein soll, und dadurch die Laserausnutzung verbessert wird. Eine bekannte Technik zur Herbeiführung einer derartigen Flexibilität besteht darin, den Leistungslaser­ strahl durch ein Ende einer optischen Faser bzw. eines Licht­ leiters zu richten, so daß das andere Ende der Faser zwischen mehreren unterschiedlichen Stellen auf einem Werkstück bewegt werden kann. Eine Einrichtung für die Ausführung einer der­ artigen Technik ist in der US-PS 45 64 736 beschrieben. Eine zweite bekannte Technik zur Herbeiführung einer derartigen Flexibilität besteht darin, einen Leistungslaserstrahl unter verschiedenen Punkten auf einem Werkstück und/oder zwischen Arbeitsstationen durch Spiegel und Brechungselemente abzu­ lenken. Typisch ist die Gesamtstrecke, die der Strahl eines im Handel erhältlichen Stablasers wandern kann, bevor er sich auf eine unbrauchbare Größe erweitert, recht klein (beispiels­ weise kleiner als 2 m). Somit ist die Gesamtzahl der Arbeits­ stationen, unter denen der Laserstrahl abgeleitet werden kann, stark eingeschränkt durch die Gesamtstrecke, die der Strahl wandern kann. Infolgedessen ist die Verbesserung der Laser­ ausnutzung, die durch Ablenken des Laserstrahls in dieser Weise erreicht werden kann, begrenzt. Eine dritte bekannte Technik, um die Flexibilität der Laserausnutzung zu vergrö­ ßern, besteht darin, den Leistungslaserstrahl in viele Ab­ schnitte aufzuspalten, die jeweils auf eine unterschiedliche Arbeitsstelle abgeleitet werden. Ein wesentlicher Nachteil dieser Technik ist die verminderte, durch die Strahlaufspal­ tung herbeigeführte Laserleistung, die jeder Arbeitsstelle zugeführt wird.

Während die vorstehend beschriebenen Techniken die Laser­ ausnutzung verbessern sollen, sind die Kapitalkosten der Systemeinrichtung, die zum Implementieren derartiger Tech­ niken erforderlich sind, erheblich. Im Zusammenhang mit der Leistungslaserausnutzung ist es deshalb wichtig, die erheb­ lichen Investitionen in derartigen Einrichtungen vor Beschä­ digungen zu schützen, die durch Fehlausrichtung oder Streuung des Laserleistungsstrahls hervorgerufen wird. Eine derartige Fehlausrichtung oder Streuung kann beispielsweise einfach durch einen Fehler einer Strahlablenkkomponente des Systems hervor­ gerufen werden, beispielsweise durch einen Spiegel oder ein Brechungselement, der splittert oder in seiner Befestigung rutscht. Der Komponentenfehler muß sofort festgestellt und es muß etwas unternommen werden, um eine Beschädigung, die anderenfalls auftreten könnte, zu vermeiden oder zu minimieren.

Bezüglich der Komponentenfehler in derartigen Systemen ist eine zweite Überlegung von gleicher Wichtigkeit eine sichere Arbeitsumgebung für Personal, das das Lasersystem bedient. Es ist höchst unerwünscht, daß der Leistungslaserstrahl fehl­ gerichtet oder gestreut wird aufgrund eines Komponentenfehlers, wo Personal in der Nähe verletzt oder beeinträchtigt werden kann. Eine Lösung für das Personalsicherheitsproblem besteht darin, das gesamte System in einer Umhüllung der Klasse I zu halten, wie es durch den ANSI Standard Z 136.1 festgelegt ist, die eine bekannte Umhüllungsklassifikation ist. Ein Nachteil dieser Lösung ist die dadurch entstehende Unzugänglichkeit der Systemkomponenten für das Personal. Ein zweiter Nachteil sind die zusätzlichen Kosten, die durch die Konstruktion der Um­ hüllung der Klasse I entstehen. Ferner sei darauf hingewie­ sen, daß diese Lösung nichts tut, um eine Gerätebeschädigung bei einem Komponentenfehler zu minimieren.

Ein anderes System zum Verbessern der Laserausnutzung, das in der Deutschen Patentanmeldung P 37 44 372.0 angegeben ist, ermöglicht, daß die volle Leistung eines einzelnen Leistungs­ lasers in mehrere optische Fasern (Lichtleitfasern) einge­ leitet bzw. injiziert wird für eine Übertragung nach ent­ fernten Arbeitsstationsplätzen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Ver­ bessern der Laserausnutzung zu schaffen, die ferner zum Mini­ mieren der Beschädigung ihrer Komponenten und einer Beein­ trächtigung von Arbeitspersonal bei einem Komponentenfehler geeignet ist.

Gemäß der Erfindung wird eine Einrichtung geschaffen zum Injizieren eines gepulsten Laserstrahls in mehrere optische Fasern. Die Einrichtung enthält eine Linse zum Fokussieren des Laserstrahls, Mittel zur Halterung einer Gruppe von einer oder mehreren optischen Fasern, wobei deren Spitzen nahe dem Linsenbrennpunkt angeordnet sind, reflektierende Mittel zum Reflektieren des Laserstrahls und Positionierungsmittel zum Orientieren der reflektierenden Mittel in vorbestimmte Posi­ tionen, die jeweils wirksam sind, um den Laserstrahl durch die Linsen auf unterschiedliche gewählte Faserspitzen zu re­ flektieren, um in die Fasern bzw. Lichtleiter injiziert zu werden. Die Einrichtung enthält ferner Steuermittel zum Steuern der Positionierungsmittel, wobei die Steuermittel Mittel auf­ weisen zum Generieren eines Freigabesignals, das mit dem Laser­ strahl synchronisiert ist und periodische Fensterabschnitte aufweist, die jeweils dem gepulsten Laserstrahl in einem Aus- Zustand entsprechen. Die Steuermittel enthalten ferner Verar­ beitungsmittel zum Generieren eines Adreßsignals nach dem Be­ ginn eines laufenden Freigabesignal -Fensterabschnitts, wobei das Adreßsignal bewirkt, daß die Positionierungsmittel die re­ flektierenden Mittel in die entsprechende vorbestimmte Posi­ tion bringen. Um die Betriebssicherheit zu verbessern, sind die Verarbeitungsmittel in der Lage, ein Laser-Abschaltsig­ nal zu generieren, wenn sie keine Anzeige empfangen, bevor der laufende Fensterabschnitt schließt, daß die Positionie­ rungseinrichtung die reflektierenden Mittel erfolgreich in die vorbestimmte Position gebracht hat.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die reflektie­ renden Mittel erste und zweite Spiegel für ein entsprechen­ des Abtasten des Laserstrahls entlang ersten und zweiten Ko­ ordinatenachsenrichtungen auf, und die Positionierungsein­ richtung enthält erste und zweite Galvanometer zum entspre­ chenden Orientieren der ersten und zweiten Spiegel. Das dar­ gestellte Ausführungsbeispiel enthält ferner vier Linsen und vier entsprechende Gruppen von Lichtleitern. Die Verarbei­ tungsmittel enthalten einen digitalen Computer, um zwei di­ gitale Adreßsignale für die zwei Spiegel zu generieren, und die Steuereinrichtung kann diese digitalen Signale in analoge Signale umwandeln, um die Galvanometer anzusteuern. Die ersten und zweiten Spiegel sind in einer ersten Umhüllung unterge­ bracht, die den Laserstrahl ein- und austreten lassen kann. Die Linsen, die Faserhalterungseinrichtung und die erste Um­ mantelung sind in einer zweiten, im wesentlichen lichtdich­ ten Umhüllung untergebracht, so daß das Licht innerhalb der ersten oder zweiten Umhüllung nur von dem Laserstrahl kommt. Um die Betriebssicherheit weiter zu verbessern, ist ein erstes lichtempfindliches Element, wie beispielsweise eine Fotodiode, angeordnet, um für eine Anzeige einer Vergrößerung des Licht­ pegels innerhalb der ersten Umhüllung über einen Schwellwert hinaus zu sorgen, der einer richtigen Reflektion durch die Spiegel entspricht. Der überschrittene Schwellwert ist eine Anzeige für eine Spiegelfehlfunktion, und die Anzeige des lichtempfindlichen Elements wird verwendet, um den Laser ab­ zuschalten. Ein zweites lichtempfindliches Element spricht auf den Lichtpegel an einer Rückwand innerhalb der zweiten Umhüllung und jenseits der Faserspitzen an, so daß eine feh­ lerhafte Faserinjektion eine Vergrößerung des Lichtpegels nahe der Rückwand zur Folge haben würde. Das zweite licht­ empfindliche Element liefert eine Anzeige, wenn der Licht­ pegel der Rückwand einen Schwellwert überschreitet, der einer richtigen Faserinjektion entspricht, und diese Anzeige wird dazu verwendet, den Laser abzuschalten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine isometrische Darstellung eines Laserstrahl- Injektionssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Laserstrahlen­ ganges, wie er durch die Spiegel des Injektionssytems gemäß Fig. 1 ausgebildet wird.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Laserstrahls, wie er in einen Lichtleiter eingeführt wird.

Fig. 4 ist eine isometrische Darstellung des Einleitsystems gemäß Fig. 1 mit einem zusätzlichen Sicherheitsmerkmal, das in Fig. 1 nicht dargestellt ist.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm von einer Steuerschaltung, die bei der Arbeit des in Fig. 1 dargestellten Injektions­ systems verwendet wird.

Fig. 6 zeigt in mehreren Kurvenbildern die zeitliche Ände­ rung von verschiedenen Signalen, die im Betrieb des Injektionssystems generiert werden.

Fig. 7 ist eine Fließbilddarstellung von einem Programm, das durch den in Fig. 5 dargestellten Computer ausge­ führt wird.

Fig. 8 stellt eine zusätzliche Steuerschaltung dar, die bei der Ausführung der Erfindung verwendet wird.

Fig. 1 zeigt ein Laserstrahl-Richtsystem 100 gemäß einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung, um einen Leistungslaserstrahl 102 auf einen gewählten von mehreren optischen Fasern bzw. Lichtleitern 104 zu injizieren. Das System 100 enthält einen Spiegel 106, der einen auftreffenden Abschnitt 108 des Laser­ strahls auf einen zweiten Spiegel 110 richtet. Der Strahl wird von dem Spiegel 110 abgelenkt, der ihn auf eine von vier Fokus­ sierungslinsen 112 richtet, um den Strahl auf die Spitze von einem der Lichterleiter 104 zu fokussieren. Jede Linse 112 ist vorzugsweise eine im Handel erhältliche, mit einem Antireflek­ tionsüberzug versehene plankonvexe Quarz-Linse, wobei die ebene Fläche auf die Lichtleiterspitzen gerichtet ist. Die Linsen sind auf einem Linsenhalter 114 fest angebracht, der seinerseits an einem Basisteil 116 fest gehaltert ist, das ein optisches Brett aufweisen kann. Jeder Linse ist einer Gruppe von einem oder mehreren Lichtleitern zugeordnet, wobei die entsprechenden Leiterspitzen von jeder Gruppe nahe einem Brenn­ punkt ihrer zugeordneten Linse angeordnet sind. Jede Gruppe von Lichtleitern ist mit ihren so positionierten Spitzen in einem Lichtleiterhalter 118 fest gehaltert. Die Leiterhalter sind in Bügeln 120 befestigt, die an zwei Halteteilen 122 fest angebracht sind. Die Halteteile 122 sind ihrerseits an dem Basisteil 116 angebracht. Vorteilhafterweise ist jeder Licht­ leiterhalter aus einem für Laserstrahlen durchlässigem Mate­ rial gefertigt, um eine Beschädigung zu vermeiden, die anderen­ falls auftreten würde, falls der Laserstrahl momentan fehlge­ richtet sein sollte. Jeder Lichtleiterhalter sollte auch eine einfache Herausnahme und Auswechselung der Fasern bzw. Leiter und auch eine axiale Justierbarkeit jedes Leiters entlang der Leiterachse ermöglichen. Ein derartiger Lichtleiterhalter ist in der Deutschen Patentanmeldung P 37 36 962.8 angegeben.

Der Spiegel 106 ist an einer Welle 124 eines Galvanometers 126 befestigt, so daß sich der Spiegel mit der Welle bewegt. In ähnlicher Weise ist der Spiegel 110 auf einer Welle 128 eines Galvanometers 130 für eine Bewegung damit befestigt. Die Gal­ vanometer 126 und 130 können ein Galvanometer-Abtastmodell XY3035 der General Scanning Inc. Watertown, Massachusetts sein. Die Galvanometer 126 und 130 sind auf entsprechende Weise auf vertikalen Halteteilen 132 und 134 angebracht. Jedes dieser Halteteile enthält eine Öffnung, durch die die Galvanometer­ welle 3 durchführt. Die Welle von jedem Galvanometer geht von einer Befestigungsfläche des Galvanometers aus, die mehrere mit einem Gewinde versehene Befestigungslöcher aufweist. Jedes Galvanometer ist deshalb vorzugsweise an ihrem entsprechenden Halteteil durch Bolzen befestigt, die durch das Halteteil hin­ durchführen, um mit den Gewindelöchern in Eingriff zu kommen. Es sei darauf hingewiesen, daß die zwei Galvanometer, die in dem vorgenannten XY3035 Galvanometer-Scanner enthalten sind, in dem System 100 angebracht sind, um die hier beschriebenen Spiegel- und Wellenpositionen zu erreichen, und nicht wie in dem XY3035 Scanner-Paket, um eine erfolgreiche Ausführbarkeit der Erfindung zu erreichen.

Das System 100 enthält eine Steuereinrichtung mit einem digi­ talen Computer 136 zum Steuern bzw. Regeln der entsprechenden Positionen der Galvanometerwellen 124 und 128 und der daran be­ festigten Spiegel 106 und 110 in einer programmierbaren Art und Weise. Die Steuereinrichtung enthält ferner eine Interface- Schaltung, die in Fig. 1 nicht gezeigt ist, zwischen den Galvanometern und dem Computer. Wie nachfolgend noch näher be­ schrieben wird, werden die Galvanometer gesteuert, um die zwei Spiegel auf Paare von vorbestimmten Positionen zu orientieren. Jedes Positionspaar hat die Wirkung, den Laserstrahl durch eine der Linsen 112 auf die Spitze von einem bestimmten Licht­ leiter zu richten für eine Übertragung des Strahls durch den Leiter.

Das System 100 enthält zusätzlich eine entfernbare Spiegelum­ hüllung 138, die ein Oberteil 140 und Seiten 142 und 144 auf­ weist. Die Seiten und das Oberteil der Umhüllung 138 passen mit den Halteteilen 132 und 134 zusammen, um die Spiegel 106 und 110 vollständig zu umschließen. Die Spiegelummantelung enthält eine Öffnung 146 in ihrer Seite 142, damit ein auftref­ fender Abschnitt 108 des Laserstrahls eintreten kann. Die Spie­ gelumhüllung enthält eine zweite Öffnung 147 in ihrer Seite 144, damit der Laserstrahl nach einer Reflexion am Spiegel 110 aus­ treten kann. Die zweite Öffnung ist so geformt, daß die betrieb­ liche Sicherheit des Systems 100 in einer nachfolgend zu be­ schreibenden Weise verbessert wird. Das System 100 enthält zu­ sätzlich eine Rückwand 148, die an dem Basisteil 116 befestigt ist. Die Rückwand trägt vorzugsweise Kabelverbinder, um eine Durchdringung der Wand durch die Lichtleiter 104 zu ermöglichen. Ein Gesamtmantel 150 paßt mit dem Basisteil und der Rückwand zusammen, um eine lichtdichte Ummantelung der optischen Ein­ richtungen (Spiegel, Linsen usw.) des Systems 100 zu bilden. Der Mantel 150 enthält eine Öffnung (in Fig. 1 nicht darge­ stellt), damit der ankommende Laserstrahl eintreten kann. Die Bahn des auftreffenden Laserstrahls von dem Laser zum Mantel 150 sollte jedoch ebenfalls durch Mantelmittel umschlossen sein, wie beispielsweise ein lichtdichtes Rohr, so daß im wesent­ lichen nur das Licht in den Mantel 150 eintritt, das von dem Laserstrahl stammt.

Die Spiegel 106 und 110 enthalten auf entsprechende Weise im wesentlichen ebene, reflektierende Vorderflächen 152 und 154 zum Reflektieren des Laserstrahls. Jede Galvanometerwelle 124 und 128 ist um ihre entsprechende Achse drehbar, um den daran befestigten Spiegel zu positionieren, um den Laserstrahl 102 auf eine bestimmte Linse 112 zu reflektieren, damit der Laser­ strahl auf die Spitze eines bestimmten Lichtleiters fokussiert wird. Der Strahlengang, dem der Laserstrahl folgt, wie es durch die Positionen der Spiegel 106 und 110 bestimmt ist, ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 sind nur die Spiegel 106 und 110, Abschnitte von Galvanometerwellen 124 und 128, eine Linse und ein Teil des Laserstrahls 102 gezeigt. Dabei wird deutlich, daß sich der Laserstrahl 102 entlang einer Strahl­ achse 200 ausbreitet. Der Spiegel 106 ist so positioniert, daß die Achse 200 einen Mittelpunkt 202 auf einer reflektie­ renden Oberfläche 152 des Spiegels 106 schneidet. Die Welle 124 des Galvanometers 126 und somit der Spiegel 106 drehen sich um eine Achse 204. Über dem Winkelbereich der Drehung um die Achse 204 schneidet bei der Ausführung der Erfindung die Strahlachse 200 immer den Mittelpunkt 202 auf der reflektie­ renden Oberfläche 152. Der Laserstrahl 102 projiziert einen Punkt 206 auf die reflektierende Oberfläche 152. Der Spiegel 110 ist um eine Achse 208 drehbar. Die Spiegel 106 und 110 sind so ausgerichtet, daß die Achse 200 des Strahls von dem Spiegel 106 abgelenkt wird und über dem Winkelbereich der Drehung des Spiegels 110 um die Achse 208, wie sie bei der Ausführung der Erfindung erfolgt, immer eine "X" Mittellinien- Koordinatenachse 210 auf der reflektierenden Oberfläche 154 schneidet. Der Spiegel 110 enthält ferner eine "Y" Mittel­ linien-Koordinatenachse 212 auf der reflektierenden Oberfläche 154, wobei die Achsen 210 und 212 senkrecht zueinander sind und einen Mittelpunkt 214 schneiden. Der Laserstrahl 102, der von dem Spiegel 106 auf den Spiegel 110 abgelenkt wird, pro­ jiziert einen Punkt 216 auf den letztgenannten Spiegel. Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 2 die reflektierende Ober­ fläche 154 des Spiegels 110, auf die der Strahl 102 trifft, immer von dem Leser weggerichtet ist. Aus diesem Grund ist der Punkt 216 als ein verdecktes Teil durch eine gestrichelte Linie dargestellt.

In Fig. 2 sind die Spiegel so positioniert, daß sie den Laser­ strahl auf die Linse richten, die in dem oberen linken Ab­ schnitt des Linsenhalters 114 angeordnet ist wie es in Fi­ gur 1 dargestellt ist. Somit schneidet die Strahlachse 200 die konvexe Oberfläche der Linse, und es wird auf diese ein Punkt 218 des Laserstrahls projiziert. Weiterhin ist in Fig. 2 eine rechtwinklige Linsenebene 220 mit vier Eckpunkten 222 gezeigt. Die Ebene 220 wird zusätzlich dadurch definiert, daß sie eine "X" Mittellinien-Koordinatenachse 224 und eine "Y" Mittellinien-Koordinatenachse 226 senkrecht zur Achse 224 aufweist, die sich an einem Mittelpunkt 228 schneiden. Die vier Linsen sind so angeordnet, daß ein Mittelpunkt auf der konvexen Fläche jeder Linse an einem anderen der vier Eck­ bzw. Scheitelpunkte 222 angeordnet ist. Die Lichtleiterspitzen, die der oberen linken Linse zugeordnet sind, sind so angeordnet, daß sie im wesentlichen in einerLeiterspitzenebene 230 liegen, die einen Mittelpunkt 232 an der Schnittstelle einer "X"-Mittel­ linien-Koordinatenachse 234 und einer "Y" Mittellinienkoordi­ natenachse 236 senkrecht zur Achse 234 aufweist. Wie in Fig. 2 angegeben ist, ist der Abstand von der ebenen Fläche der obe­ ren linken Linse zur Ebene 230 im wesentlichen gleich einer Brennweite "f". Somit ist jeder der vier Linsen eine unter­ schiedliche Leiterspitzenebene zugeordnet, die im wesentlichen im Abstand "f" von der ebenen Linsenfläche angeordnet ist. Jede Leiterspitzenebene ist so orientiert, daß sie im wesent­ lichen parallel zu der ebenen Fläche ihrer zugeordneten Linse verläuft. Die Spiegel 106 und 110 können den fokussierten Laserstrahl über einer abgetasteten Fläche 238 der Ebene 230 abtasten, innerhalb der die Spitzen der Lichtleiter angeordnet sind. Hierbei ist vorzugsweise die Spitze von einem der Licht­ leiter 104, die in dem Leiterhalter 118 gehalten sind, am Mit­ telpunkt 232 angeordnet. Wenn die Spiegel 106 und 110 so ange­ ordnet sind, daß der Strahl auf diese mittlere Leiterspitze fokussiert wird, ist die zugeordnete Linse so angeordnet, daß die Achse des Strahls durch den Mittelpunkt dieser Linse ver­ läuft und senkrecht zu beiden Flächen der Linse und der Lei­ terspitzenebene 230 ist. Jede Linse 112 ist in dieser Weise angeordnet.

Die Galvanometerwellen 124 und 128, an denen die Spiegel 106 und 110 auf entsprechende Weise befestigt sind, nehmen eine Ruhestellung ein, wenn keine Steuer- bzw. Treibersignale vorhanden sind, um ihre Bewegung zu steuern. In der Ruhestel­ lung sind die Spiegel 106 und 110 jeweils so orientiert, daß ihre entsprechenden reflektierenden Oberflächen in einem Win­ kel von 45 Grad zu den entsprechenden Abschnitten der Strahl­ achse 200 angeordnet sind, die die Spiegel schneidet. In der Ruheposition richten die Spiegel den Laserstrahl auf die Linsenebene 200, so daß die Linsenachse den Mittelpunkt 228 der Ebene schneidet. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist eine Öffnung 240 in der Linsenhalterung 114 in einem den Mittel­ punkt 128 einschließenden Bereich vorgesehen. Die Öffnung 240 ist groß genug, um den ungehinderten Durchlaß für den Laser­ strahl zu ermöglichen. Eine in Fig. 1 nicht gezeigte Wärme­ senke kann in Ausrichtung mit der Öffnung 240 zwischen den Halterungen 122 und vor der Rückwand 148 angeordnet sein, um den reflektierten Strahl aufzunehmen, wenn die Spiegel die Ruheposition einnehmen.

Wenn die Spiegel in der Ruheposition sind, schneidet die Achse 200 des Laserstrahls den Spiegel 110 im Mittelpunkt 214. Indem die Ruheposition als eine Referenz- bzw. Bezugsposition ver­ wendet wird, kann die Abtastung des Laserstrahls durch Rota­ tion der Spiegel 106 und 110 besser verstanden werden. Wenn von der Ruheposition ausgegangen wird, bewirkt ein Festhalten des Spiegels 110 und eine Drehung des Spiegels 106 in Uhrzei­ gerrichtung oder Gegenuhrzeigerrichtung um eine Achse 204, daß der Punkt, wo die Strahlachse 200 die "X" Achse 210 des Spie­ gels 110 schneidet, entlang der "X" Koordinatenachse abtastet, und zwar vom Mittelpunkt 214 auf entsprechende Weise rechts oder links, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Eine derarti­ ge Drehung des Spiegels 106 bewirkt ferner, daß der Punkt, wo die Strahlachse 200 die "X" Achse 224 der Linsenebene 220 schneidet, entlang der "X" Koordinatenachse abtastet vom Mittelpunkt 228 auf entsprechende Weise nach rechts oder links, wie es aus Fig. 2 zu ersehen ist. Wenn man wiederum von der Ruheposition ausgeht, aber stattdessen den Spiegel 106 festhält und den Spiegel 110 in Uhrzeigerrichtung oder Gegenuhrzeigerrichtung um die Achse 208 dreht, wird bewirkt, daß der Punkt, wo die Strahlachse 200 die "Y" Achse 226 der Linsenebene schneidet, entlang dieser "Y" Koordinatenachse abtastet, und zwar vom Mittelpunkt 228 auf entsprechende Weise nach oben oder unten, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß während einer derartigen Drehung des Spiegels 110, wobei der Spiegel 106 in der Ruhe­ position festgehalten wird, die Strahlachse kontinuierlich die Mittelpunkte 202 und 214 der Spiegel 106 bzw. 110 schnei­ det. Es ist deshalb zu beobachten, daß eine Drehung des Spiegels 106 eine Abtastung des Laserstrahls entlang der "X" Koordinatenachsenrichtung des Spiegels 110, der Linsen­ ebene und der Lichtleiterspitzenebene bewirkt. In ähnlicher Weise hat eine Drehung des Spiegels 110 zur Folge, daß der Strahl entlang der "Y" Koordinatenachsrichtung der Linse und der Lichtleiterspitzenebenen abtastet.

Es ist nun verständlich, daß eine Drehung beider Spiegel 106 und 110 erforderlich ist, um den Laserstrahl 102 auf ir­ gendeine der vier Linsen 112 zu richten. Um beispielsweise den Laserstrahl auf die Linse zu richten, die in dem oberen rechten Abschnitt des Linsenhalters 114 angeordnet ist, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist eine Drehung beider Spie­ gel 106 und 110 von ihren entsprechenden Ruhepositionen in Uhrzeigerrichtung erforderlich. Um den fokussierten Laser­ strahl auf eine bestimmte Lichtleiterfaserspitze zu richten, ist es notwendig, die Spiegel 106 und 110 jeweils in eine besondere, im voraus bestimmbare Position zu drehen. Somit entspricht ein besonderes vorbestimmtes Paar von Spiegelposi­ tionen für die Spiegel 106 und 110 dem Laserstrahl, der auf jede Lichtleiterspitze fokussiert ist. Unter der Einwirkung der Steuereinrichtung werden die Galvanometer betätigt, um die Spiegel durch eine Folge derartiger vorbestimmter Posi­ tionspaare zu bewegen, die einer Folge von Lichtleitern ent­ sprechen, in die der Laserstrahl injiziert oder eingeleitet werden soll.

Das System 100 ist insbesondere dafür eingerichtet, daß sich die Leistung eines einzelnen gepulsten Leistungslasers an mehreren entfernten Arbeitsstationsplätzen entfalten kann. Dies wird dadurch erreicht, daß die aufeinanderfolgenden La­ serstrahlpulse auf entsprechende Weise in gewählte Lichtlei­ terspitzen in rascher Folge injiziert bzw. eingeleitet werden. Die volle Leistung des Laserstrahls wird dadurch als eine Anzahl von Pulsen nach einem entfernten Ausgangsende jeder Faser bzw. jedes Lichtleiters, in den er eingeleitet wird, geliefert, wobei die gelieferte Laserleistung im wesentlichen nur durch Leistungsverluste innerhalb des Lichtleiters be­ grenzt wird. Wenn also ein Laser und das Strahlrichtsystem gemäß der Erfindung mit mehreren entfernten Arbeitsstations­ plätzen durch mehrere Lichtleiter verbunden ist, kann die vol­ le Leistung des einzigen Lasers an jeden dieser entfernten Plätze geliefert werden.

Bei Anwendungsfällen, wo Schweißen, Bohren oder Schneiden an jeder Arbeitsstation ausgeführt werden, wie es hier bevor­ zugt ist, ist das System 100 insbesondere geeignet für eine Ver­ wendung mit einem gepulsten Leistungslaser, wie beispielswei­ se einem gepulsten Neodym-Yttrium-Aluminiumgranat (Nd:YAG)- Stablaser, Modell ¢SS550, der von der Raytheon Corporation in Burlington, Massachusetts, gefertigt wird. Dieser Laser ist für eine mittlere Leistung von 400 Watt und einem Maxi­ mum von 50 Youle/Puls bei einer Pulsrate von Null bis 200 Pulsen pro Sekunden ausgelegt, wobei die Pulslänge von 0,1 bis 10 Millisekunden veränderbar ist.

Der Typ des verwendeten Laserstrahls bestimmt teilweise das Lichtleitermaterial, das für die Strahlübertragung am besten geeignet ist. Vorzugsweise werden Leiter aus geschmolzenem Quarz verwendet, um den Strahl des Nd:YAG-Lasers zu übertra­ gen. Zusätzlich erfordern die Spitzen der Lichtleiter eine Bearbeitung, um eine effiziente Injektion des fokussierten Laserstrahls zu ermöglichen. Eine geeignete Bearbeitungstech­ nik für die Lichtleiterspitze ist in der US-PS 45 64 736 be­ schrieben. In Verbindung mit Fig. 3 ist bekannt, daß eine jedem Lichtleiter innenwohnende Eigenschaft ein Akzeptanz­ kegel 300 an der Spitze des Leiters 104 ist, in den ein fokussierter, konvergierender Abschnitt 302 des Laserstrahls fallen muß, um in den Lichtleiter einzutreten und vollständig durch diesen übertragen zu werden. Ferner muß die Punktgröße des fokussierten Laserstrahls an der Leiterspitze einen Durchmesser haben, der kleiner oder gleich demjenigen der Spitze ist. Wenn der Durchmesser des fokussierten Strahl­ punktes größer als der Durchmesser der Lichtleiterspitze ist, kann eine Beschädigung entstehen für den Leiter, den Leiter­ halter und/oder umgebende Oberflächen. Der Akzeptanzkegel und die Einschränkungen hinsichtlich der Punktgröße bestimmen die Brennweite von jeder Linse 112. Es sei auch darauf hinge­ wiesen, daß es einen gewissen Spielraum bei der Positionie­ rung jeder Leiterspitze im wesentlichen entlang der Strahl­ achse 200 gibt, die den vorgenannten Einschränkungen unter­ liegt. Somit muß nicht jede Leiterspitze präzise an dem Lin­ senbrennpunkt positioniert sein. Es sei ferner darauf hinge­ wiesen, daß Einzelheiten der erforderlichen Vorbereitung der Lichtleiterspitze, wie sie in der vorgenannten US-PS 45 64 736 beschrieben ist, in Fig. 3 nicht dargestellt sind.

Als eine weitere Maßnahme der Erfindung sind die reflektie­ renden Oberflächen 152 und 154 der Spiegel 106 bzw. 110 mit einem dielektrischen Material überzogen, um deren Fähigkeit, den auftreffenden Leistungslaserstrahl ohne Beschädigung zu reflektieren, zu verbessern. Der Überzug aus dem dielektri­ schen Material ist so gewählt, daß er ein großes Reflexions­ vermögen für die bestimmte Wellenlänge des verwendeten La­ sers liefert, beispielsweise 1060 Nanometer für den Nd:YAG- Laser. Ferner liefert der dielektrische Überzug charakteristi­ scherweise ein Reflexionsvermögen, das von dem Winkel ab­ hängt, unter dem der Laserstrahl einfällt, d. h. von dem Win­ kel zwischen der Achse des Laserstrahls und der Senkrechten der reflektierenden Oberfläche. Der Überzug liefert ein maxi­ males Reflexionsvermögen von nahezu 100 Prozent, wenn der Strahl etwa in einem vorgeschriebenen Winkel zu der reflektie­ renden Oberfläche ist und liefert zunehmend kleinere Re­ flexionsvermögen für Einfallswinkel, die größer oder kleiner als der vorgeschriebene Winkel sind. In dem System 100 be­ trägt der vorgeschriebene Winkel 45 Grad. Die Spiegel 106 und 110 können gemäß der vorgenannten Wellenlänge und den vorge­ schriebenen Winkelspezifikationen der CVI Laser Corporation von Albuquerque, N. M., gefertigt werden. Es könnte zwar den Anschein haben, daß der dielektrische Überzug für fest­ stehende Spiegelanwendungen besser geeignet ist, aber sein Vermögen zum Reflektieren und zum Standhalten, ohne Beschädi­ gung, des Leistungslaserstrahls macht ihn gut geeignet für eine Verwendung bei der Ausführung der Erfindung. Durch Aus­ wahl des Abstandes zwischen den Spiegeln und den Linsen und auch des Zwischenlinsenabstandes, um die für den Spiegel er­ forderliche gesamte Winkelbewegung zu minimieren, werden die Gesamtverluste im Wirkungsgrad aufgrund des verminderten Spiegelreflexionsvermögens minimiert. In der Praxis wurde ein Gesamtbereich des Einfallwinkels von ±10 Grad um den vorge­ schriebenen Winkel erfolgreich ausgenutzt.

Fig. 4 stellt zusätzliche Merkmale des Systems 100 dar, die in Fig. 1 nicht gezeigt sind. Die Galvanometer, Spiegel, Lichtleiter, Leiterhalter und Bügel sind in Fig. 4 nicht ge­ zeigt, um die Darstellung zu vereinfachen. Wie bereits aus­ geführt wurde, enthält die Spiegelumhüllung 138 eine Öffnung 147 in ihrer Seite 144, durch die der Laserstrahl nach der Ablenkung durch den Spiegel 110 austritt. Die Öffnung 147 ist so geformt, daß für alle möglichen Bahnen bzw. Strah­ lengänge, entlang denen der Strahl von dem Spiegel 110 ab­ gelenkt werden kann, der reflektierte Strahl gezwungen ist, auf den Linsenhalter 114 zu treffen. Dies ist in Fig. 4 durch beispielhafte Bahnen 402 dargestellt, die im wesent­ lichen tangential zu dem Umfang der Öffnung 147 sind, aber noch den Linsenhalter treffen. Falls also die Steuerung von einem oder beiden Spiegel ausfallen sollte, beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion des Computers 136, wobei feh­ lerhafte Positionsadressen an einen oder beide Galvanometer geliefert werden, kann der Leistungslaserstrahl nicht einer Bahn außerhalb des Linsenhalters folgen. In einem derarti­ gen Fall ist es notwendig, den Laser abzuschalten, da ande­ renfalls eine Erwärmung oder eine Verbrennung der in der Umhüllung 150 enthaltenen Komponente stehen könnte. Die Ablenkung des Laserstrahls von dem Linsenhalter bewirkt eine Vergrößerung des Lichtwertes innerhalb der lichtdichten Umhüllung 150. Der erhöhte Lichtwert wird abgetastet, und der Laser wird daraufhin in einer noch zu beschreibenden Weise abgeschaltet.

Wie weiterhin in Fig. 4 dargestellt ist, enthält das System 100 eine Laserwärmesenke 406, die mit der Öffnung 240 in dem Linsenhalter 114 ausgerichtet ist, um den reflektierten La­ serstrahl aufzunehmen, wenn die Spiegel 106 und 110 ihre Ruhestellung einnehmen. Vorzugsweise wird die Wärmesenke 406 als ein Modell 213 eines Laserleistungsmessers ausge­ führt, das von Coherent, Inc. von Auburn, Kalifornien, gefertigt wird. Bei einem Fehler der Steuereinrichtung zur Lieferung von Signalen für eine Ansteuerung der Galvanometer wird also der Laserstrahl sicher in das Laserleistungs- Meßgerät reflektiert.

Ein lichtempfindliches Element 404, wie beispielsweise eine Fotodiode, ist an der Basis des Halteteils 132 angeordnet. Das Element 404 ist in der Lage, eine Anzeige einer Vergröß­ erung in dem Lichtwert innerhalb der Spiegelumhüllung (die durch die Umhüllung 138 und Halteteile 132, 134 ge­ bildet wird) oberhalb eines Wertes zu liefern, der während eines normalen Betriebs des Systems 100 auftritt. Da die Umhüllung 150 lichtdicht ist, würde eine derartige Vergröß­ erung im Lichtwert, die durch das Element 404 abgetastet wird, einen reflektierten Anteil des Laserstrahls anzeigen, der in der Spiegelumhüllung bleibt. Dies könnte durch Fehl­ funktionen verursacht werden, beispielsweise durch einen ge­ rissenen Spiegel oder das Rutschen eines Spiegels auf seiner entsprechenden Galvanometerwelle. Der erhöhte Lichtwert könnte auch aus einer falschen Positionierung von einem oder beiden Spiegeln resultieren, die durch eine Fehlfunktion der Steuereinrichtung zur Steuerung der Spiegelbewegung bewirkt wird. Der erhöhte Lichtwert kann auch durch die Laserstrahl­ ablenkung von dem Linsenhalter 114 und zurück durch die Öff­ nung 147 bewirkt werden. Es ist deshalb wünschenswert, den Betrieb des Systems 100 zu unterbrechen, wenn das Element 404 einen erhöhten Lichtwert anzeigt. Die Anzeige eines er­ höhten Lichtwertes wird dazu verwendet, den Laser, der den Strahl 102 erzeugt, in einer noch zu beschreibenden Weise abzuschalten. Es ist hier, wo der vorgenannte Nd:YAG-Laser der Firma Raytheon in Verbindung mit dem System 100 verwen­ det wird, vorteilhaft, daß das Element 404 eine Fotodiode, Modell Nr. OSI5L ist, die von der Firma Centronics Corpora­ tion von Mountainside, New Jersey, gefertigt wird. Diese Fotodiode hat eine hohe Empfindlichkeit für die 1060 Nano­ meter betragende Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers.

Das System 100 enthält zusätzlich ein lichtempfindliches Element 408, das auf einem Haltebügel 410 angebracht und so orientiert ist, daß es eine Vergrößerung des Lichtpegels von der Rückwand 148 oberhalb des während des normalen Betriebs auftretenden Wertes abtastet und eine entsprechende Anzeige liefert. Im Falle einer falschen Injektion eines Lichtlei­ ters würde wenigstens ein Teil des Strahles mit großer Wahrscheinlichkeit auf die Rückwand 148 treffen und durch diese reflektiert werden, wobei die Reflexion durch das Element 408 abgetastet wird. Eine falsche Injektion könnte durch eine inkorrekte Spiegelpositionierung oder eine geris­ sene Fokussierungslinse bewirkt werden. Da die Umhüllung 150 lichtdicht ist, würde eine Pegelerhöhung, die durch das Ele­ ment 408 abgetastet wird, die falsche Injektion anzeigen. Es sei darauf hingewiesen, daß eine Vergrößerung des Lichtpe­ gels, die aus der Ablenkung des Laserstrahls von dem Linsen­ halter 114 resultiert unter den vorstehend beschriebenen Umständen auch von dem Element 408 abgetastet werden kann.

Da das System 100 mit einem Leistungslaser betrieben wird, ist eine derartige falsche Injektion eine nicht akzeptable Fehlfunktion, die eine Abschaltung des Systems erfordert. Die Anzeige eines erhöhten Lichtwertes, die von dem Element 408 geliefert wird, wird deshalb dazu verwendet, den Laser in einer noch zu beschreibenden Weise abzuschalten. Vorzugsweise ist auch hier das Element 408 eine Fotodiode des Modells OSI5L.

Um die Betriebssicherheit des Systems 100 weiter zu vergröß­ ern, steht die Ummantelung 150 mit einem Positionsschalter 412 in Eingriff, der nur dann für eine elektrische Kontakt­ schließung sorgt, wenn die Umhüllung richtig positioniert ist. Laser sind bekanntlich üblicherweise in der Lage, verriegeln­ de Verbindungen mit externen elektrischen Kontakten zu bil­ den, deren Schließung Freigabebedingungen für den Laserbetrieb darstellen. Umgekehrt hat die Öffnung jedes externen Kontak­ tes, der auf diese Weise mit dem Laser verriegelt ist, eine Abschaltung des Laserbetriebs zur Folge. Die Schließung des Schalters 412 wird als ein Freigabezustand für den Laserbe­ trieb verwendet. Auch wenn die Ummantelung 150 während des Betriebs des Systems in ihrer Lage verändert werden sollte, so daß der Schalter 412 öffnet, würde der Laser abgeschaltet werden.

Mittel zur Steuerung der Galvanometer 126 und 130 mit dem Compu­ ter 136 sind in Fig. 5 dargestellt. Der Computer 136, der ein IBM PC/AT Computer sein kann, ist durch eine parallele E/A Karte 500 mit einem Signalformer 502 verbunden. Die Karte 500 kann eine ¢DDA-06 24-Bit parallele E/A-Karte sein, die von der Metrabyte Corporation in Stoughton, Massachusetts, gefertigt wird. Der Sig­ nalformer 502 empfängt an einem Eingang 503 ein synchronisieren­ des Eingangssignal, das durch den Laser geliefert wird. Das Syn­ chronisierungssignal des Lasers besteht aus einer Folge von Pul­ sen, denen jeweils ein Laserstrahlimpuls unmittelbar vorhergeht, wie es allgemein bekannt ist. Der Signalformer spricht auf das Synchronisierungssignal an, um ein pulsförmiges Schreib-Freigabe­ signal an den Computer 136 an dessen Ausgang 504 zu liefern. Der Signalformer 502 stellt die Breite und Verzögerung jedes Schreib- Freigabesignals so ein, daß jeder Impuls ein Fenster definiert, in dem die vom Galvanometer gesteuerten Spiegel 106 und 110 von einer in eine andere ihrer vorbestimmten Positionen bewegt wer­ den können.

Fig. 6 stellt verschiedene Kurven dar, die während des Betriebs des Systems 100 erzeugte Signale darstellen. Die horizontalen und vertikalen Achsen, auf denen jedes Signal aufgetragen ist, stel­ len die Zeit und die Signalamplitude dar. Die Zeiten, zu denen die verschiedenen Signale auftreten, wie es nachfolgend beschrie­ ben wird, sind auf einer Zeitachse (Kurve (i)) bezeichnet. Die Kurve (a) stellt das vorstehend beschriebene Laser-Synchronisie­ rungseingangssignal dar. Es ist eine im wesentlichen rechteckige Kurve, die zu der Zeit t ₀ beginnt und zu einer Zeit t ₁ endet. Die Dauer des Synchronisierungssignals liegt typisch in der Grö­ ßenordnung von 100 Mikrosekunden. Die Kurve (b) stellt den Strahl­ impuls dar, der durch den Laser erzeugt wird. Wie aus Fig. 6 zu ersehen ist, beginnt der Strahlimpuls zu einer Zeit t ₁ im wesent­ lichen gleichzeitig mit dem Ende des Synchronisierungssignals und endet zu einer Zeit t ₂. In der Praxis wird jeder Strahlimpuls des vorstehend beschriebenen Nd:YAG-Lasers so eingestellt, daß er eine Dauer in dem Bereich von 0,6 bis 7,0 Millisekunden hat. Das Schreib-Freigabesignal ist durch die Kurve (c) dargestellt, wobei das Fenster zu einer Zeit t ₃ öffnet im Anschluß an das Ende des Laserimpulses zur Zeit t ₂. Die Verzögerung beim Öffnen des Fensters nach dem Ende des Laserimpulses liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 100 Mikrosekunden. Das Fenster endet oder wird geschlossen zu einer Zeit t ₄. Das Schreib-Freigabesignal, wie es durch den Signalformer 502 für eine Zufuhr zum Computer 136 generiert wird, nimmt einen logischen Spannungswert "1" an, wenn das Fenster geöffnet ist, und einen logischen Spannungswert "0" an, wenn das Fenster geschlossen ist. Das nächste Laser-Syn­ chronisierungssignal ist auf der Kurve (a) dargestellt und be­ ginnt zu einer Zeit t ₅ nach der Zeit t ₄. Somit schließt das Fen­ ster vor dem nächsten Laser-Synchronisierungssignal. Die Dauer von t ₄ bis t ₅ liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 10 Mil­ lisekunden. Es wird ferner vorgezogen, daß die Fensterschließung vor dem nächsten Laser-Synchronisierungssignal für eine wesent­ liche konstante Zeitdauer, i .e. 10 Millisekunden, beibehalten wird, unabhängig von der Dauer des Laserstrahlimpulses. Da das Fenster bis zum Ende des Strahlimpulses nicht geöffnet werden kann, nimmt die Fensterdauer ab, wenn die Strahlimpulsdauer ver­ längert wird.

Bezugnehmend auf Fig. 5 sei darauf hingewiesen, daß innerhalb jedes Fensters, das durch das Schreib-Freigabesignal definiert ist, der Computer 136 so programmiert ist, daß er sowohl eine 16-Bit "x" Galvanometer-Positionsadresse als auch eine 16-Bit "y" Galvanometer-Positionsadresse generiert, wobei jede so gene­ rierte Adresse einem Eingang 506 des Signalformers zugeführt wird. Die auf diese Weise adressierten "x" und "y" Positionsadressen entsprechen den vorstehend beschriebenen zwei Paaren von Positio­ nen, in die die Spiegel 106 und 110 auf entsprechende Weise orien­ tiert sind. Der Signalformer legt seinerseits jedes digitale Adreßsignal an eine Galvanometer-Steuerung 508 an, die die Galva­ nometer 126 und 130 steuert. Der Treiber 508 ist in der Lage, eine 16-Bit Positionsadresse auf einem Eingang 510 zu empfangen und behandelt diese Adresse als die "x" Positionsadresse oder die "y" Positionsadresse in Abhängigkeit davon, ob er ein Strobe- Signal auf einem "x" Strobe-Eingang 512 oder einem "y" Strobe- Eingang 514 empfängt. Im allgemeinen ist der Signalformer in der Lage, Signale, die zwischen dem Computer und dem Galvanometer­ treiber übertragen werden, zu puffern. Der Signalformer sorgt auch für eine Kompensation für Verbindungskabelparameter. Vorteil­ hafterweise ist der Signalformer auch in der Lage, das Laser- Synchronisierungssignal von dem Computer optisch zu trennen, um unerwünschte Rauscheffekte zu vermeiden.

Nach der Erzeugung der "x" Positionsadresse generiert der Compu­ ter 136 ein "x" Strobe-Signal, das einem Eingang 516 des Signal­ formers zugeführt wird. Der Signalformer 502 führt das "x" Strobe- Signal dem Treibereingang 512 zu. In ähnlicher Weise generiert der Computer nach der Erzeugung der "y" Positionsadresse ein "y" Strobe-Signal, das an einen Eingang 518 des Signalformers ange­ legt wird. Der Signalformer legt dann das "y" Strobe-Signal an den Treibereingang 514 an.

Der Galvanometertreiber 508 ist ferner in der Lage, ein analoges Signal zu generieren, das der daran angelegten digitalen Positi­ onsadresse entspricht, um dem entsprechenden Galvanometer zuge­ führt zu werden. Somit ist ein Ausgang 520 des Treibers 508 mit dem Galvanometer 126 verbunden, um ein analoges "x" Positions­ adreßsignal zuzuführen. Weiterhin ist ein Ausgang 522 des Trei­ bers 508 mit dem Galvanometer 130 verbunden, um ein analoges "y" Positionsadreßsignal zuzuführen. Die Galvanometer 126 und 130 führen jeweils ein analoges Positionssignal an ihren entsprechen­ den Ausgängen 524 und 526 zurück zum Galvanometertreiber. Der Treiber kann dadurch die Bewegung jedes Galvanometers in einer geschlossenen Schleife regeln. Der Treiber 508 ist ferner in der Lage, ein Positionsbestätigungssignal an einen Ausgang 528 zu liefern, das anzeigt, wenn jedes Galvanometer in eine Position gebracht ist, die der gewünschten 16-Bit Positionsadresse ent­ spricht. Der Signalformer 502 ist so verbunden, daß er das Posi­ tionsbestätigungssignal, das durch den Galvanometertreiber gene­ riert ist, empfängt und dieses Signal am Ausgang 530 an den Com­ puter liefert. Der vorstehend genannte Galvanometer-Scanner, Type XY3035, wie er von der Firma General Scanning, Inc., gefer­ tigt wird, enthält einen Galvanometertreiber und zwei Galvano­ meter, die im wesentlichen in der vorstehend beschriebenen Weise geregelt und betätigt werden können.

In Fig. 6 stellt die Kurve (d) die Erzeugung der "x" und "y" 16-Bit Positionsadressen durch den Computer 136 dar. Die Erzeu­ gung der "x" Positionsadresse beginnt zu einer Zeit t ₆ im wesent­ lichen unmittelbar nach dem Öffnen des Schreib-Freigabefensters zur Zeit t ₃. Die 16-Bit Adresse ist durch zwei Signale mit ent­ sprechenden logischen Werten "0" und "1" dargestellt, da jedes der 16-Bit der Adresse entweder "0" oder "1" sein können. Im all­ gemeinen hält der Computer an seinem Ausgang die letzte Adresse, die er erzeugt hat. Somit kreuzen sich zur Zeit t ₆ die zwei Sig­ nale, um darzustellen, daß einige oder alle Adreßbits sich geän­ dert haben, wenn die neue Adresse durch den Computer generiert wird. In der Praxis wird die Adresse durch den IBM PC/AT Computer in etwa 60 Mikrosekunden generiert. Wie aus der Kurve (d) zu sehen ist, wird die x Adresse nach der Generation auf dem Computeraus­ gang und demzufolge auf entsprechende Weise auf den Eingängen 506 und 510 des Signalformers und des Galvanometertreibers gehalten. Wie vorstehend ausgeführt wurde, generiert der Computer nach der Generation der "x" Positionsadresse ein "x" Strobe-Signal, das dem Eingang 516 des Signalformers und von dort dem Treibereingang 512 zugeführt wird. Das "x" Strobe-Signal ist in der Kurve (e) dargestellt. Vorzugsweise hält der Computer einen logischen Span­ nungspegel "1" am Signalformereingang 516. Dann ist das "x" Strobe- Signal ein momentaner Abfall dieses Signals auf einen logischen Spannungspegel "0". Dieser momentane Abfall ist so gezeigt, daß er zu einer Zeit t ₇ beginnt. In der Praxis liegt die Dauer des "x" Strobe-Signals in der Größenordnung von 20 Mikrosekunden. Das Strobe-Signal, wie es durch den Signalformer an den Treibereingang 512 angelegt wird, hat die gleiche Form, wie es in der Kurve (e) dargestellt ist.

Im wesentlichen unmittelbar nach dem Empfangen des Strobe-Signals zur Zeit t ₇ erzeugt der Treiber 508 das Positionsbestätigungs­ signal. Dieses Signal ist in der Kurve (g) dargestellt, wobei der Treiberausgang 528 zu einer Zeit t ₇ auf einen logischen Spannungs­ pegel "1" ansteigt. Dieses Signal ist als das "x" Positionsbestä­ tigungssignal bezeichnet, da es dem Empfang des "x" Strobe-Signals folgt. Der Galvanometertreiber kann das Positionsbestätigungs­ signal auf dem logischen Wert "1" bis zu einer Zeit t ₈ halten, wo die Welle des Galvanometers 126 die Position erreicht, die der 16-Bit "x" Positionsadresse entspricht. Zur Zeit t ₈ fällt das Positionsbestätigungssignal auf den logischen Wert "0" ab, worauf­ hin der Computer 136 im wesentlichen unmittelbar mit der Erzeu­ gung der 16-Bit "y" Positionsadresse beginnt. Dies ist in der Kur­ ve (d) dargestellt, wo sich die zwei Signale kreuzen, um eine Änderung in einigen oder allen Adreßbits anzuzeigen, wenn die "y" Adresse generiert wird. Wie es bei der "x" Adresse der Fall war, wird die "y" Adresse durch den Computer bis zur Erzeugung der nächsten Adresse beibehalten. Gemäß Kurve (f) wird das "y" Strobe-Signal durch den Computer zu einer Zeit t ₉ nach der Gene­ ration der "y" Adresse generiert. Das "y" Strobe-Signal hat die gleiche Form und Dauer wie das "x" Strobe-Signal. Wie in der Kur­ ve (g) dargestellt ist, generiert der Treiber 508 nach Empfangen des "y" Strobe-Signals am Eingang 514 im wesentlichen unmittel­ bar das "y" Positionsbestätigungssignal. Dieses Signal wird durch den Treiber auf den logischen Spannungswert "1" bis zur Zeit t ₁₀ gehalten, zu der die Welle des Galvanometers 130 in die Position gebracht worden ist, die der "y" Positionsadresse entspricht.

Die Spiegel 106 und 110 müssen neu orientiert werden in das vorbe­ stimmte Positionsadreßpaar, bevor das Schreib-Freigabefenster schließt. Somit tritt in Fig. 6 die Zeit t ₁₀, wenn beide Spiegel reorientiert sind, vor der Zeit t ₄ auf, zu der das Fenster schließt. Wenn eins der Positionsbestätigungssignale noch auf dem logischen Spannungspegel "1" ist, wenn das Fenster schließt, besteht eine unerwünschte Situation, in der ein oder beide Spie­ gel nicht richtig positioniert sind, wenn der nächste Laserimpuls generiert werden soll. Der Computer 136 ist so programmiert, daß er diese Situation erkennt und ein Notstopsignal erzeugt, das den Laser abschaltet. Das Notstopsignal ist in der Kurve (h) als ein Impuls mit einem logischen Spannungspegel "1" dargestellt. Das Notstopsignal würde im wesentlichen zur Zeit t ₄ beim Schließen des Schreib-Freigabefensters auftreten, wenn zu dieser Zeit eines der Positionsbestätigungssignale auf dem logischen Wert "1" wäre.

Vorzugsweise wird der Notstopsignalimpuls verwendet, um ein Re­ lais zu erregen, dessen Öffnerkontakt mit dem Laser verriegelt ist, um einen fortgesetzten Laserbetrieb zu ermöglichen. Infolge­ dessen bewirkt die Erregung des Relais, daß der Kontakt geöffnet und der Laser abgeschaltet wird. Gemäß Fig. 5 wird das Notstop­ signal, wenn es durch den Computer generiert wird, einem Eingang 532 zugeführt. Die Schaltungsanordnung für die Kontaktöffnung in Abhängigkeit von dem Notstopsignal kann in dem Signalformer 502 enthalten sein. In diesem Fall geht eine Ausgangsverbindung 534 von dem Signalformer aus für eine verriegelnde Verbindung mit dem Laser.

Ein Fließbild für das vom Computer 136 durchlaufene Programm zur Reorientierung der Spiegel 106 und 110 ist in Fig. 7 dargestellt. Das Programm startet an einem Schritt 700, wo ermittelt wird, ob das Schreib-Freigabesignal geöffnet ist. Das Programm läuft nicht weiter, bis das Fenster offen ist. Bei der Fensteröffnung läuft das Programm weiter zum Schritt 702, in dem der Computer die 16- Bit "x" Positionsadresse generiert, und läuft dann zum Schritt 704, wo das "x" Strobe-Signal generiert wird. Dann prüft das Pro­ gramm im Schritt 706, ob das Fenster noch offen ist, und wenn es nicht offen ist, wird das Laser-Notstopsignal in dem Schritt 708 generiert. Wenn das Fenster offen ist, führt das Programm den Schritt 710 aus, wo es prüft, ob das "x" Positionsbestätigungs­ signal auf dem logischen Spannungspegel "1" ist, wie es der Fall sein sollte, da das "x" Strobe-Signal gerade generiert worden ist. Wenn das "x" Positionsbestätigungssignal nicht auf dem logischen Wert "1" ist, wodurch eine Fehlfunktion des Galvanometers ange­ zeigt wird, wird der Schritt 708 ausgeführt. Wenn jedoch das Sig­ nal auf dem logischen Wert "1" ist, tritt das Programm in eine Schleife ein, in der abwechselnd geprüft wird, ob das "x" Posi­ tionssteuersignal in den logischen Wert "0" übergegangen ist (Schritt 712) und ob das Fenster noch offen ist (Schritt 714). Diese Schleife wird durchlaufen, bis das Fenster schließt, in diesem Fall wird der Schritt 708 ausgeführt, oder bis der ge­ wünschte Positionsbestätigungssignalübergang auftritt. Im letzt­ genannten Fall läuft das Programm weiter zum Schritt 716, wo es wieder abfragt, ob das Fenster offen ist, und wenn dies der Fall ist, läuft es weiter zu den Schritten 718 und 720, wo die "y" Positionsadresse und das "y" Strobe-Signal auf entsprechende Wei­ se generiert werden. Wenn das Fenster nicht offen ist im Schritt 716, läuft das Programm zum Schritt 708. Nach der Erzeugung des "y" Strobe-Signals fragt das Programm wieder im Schritt 722 ab, ob das Fenster noch offen ist (wenn nicht, wird Schritt 708 ausge­ führt) und ermittelt dann im Schritt 724, ob das "y" Positionsbe­ stätigungssignal auf dem logischen Spannungspegel "1" ist, wie es der Fall sein sollte. Wenn das Signal nicht auf der logischen "1" ist, wird der Schritt 708 ausgeführt. Wenn das Positionsbe­ stätigungssignal auf der logischen "1" ist, tritt das Programm in eine Schleife ein, in der es abwechselnd den Übergang des "y" Positionsbestätigungssignals auf die logische "0" (Schritt 726) und die Öffnung des Fensters überprüft (Schritt 728). Wenn das Fenster vor den Signalübergängen auf die logische "0" schließt, läuft das Programm zum Schritt 708. Anderenfalls, beim Übergang des "y" Positionsbestätigungssignals auf eine logische "0", stellt das Programm im Schritt 730 fest, daß beide Spiegel erfolgreich reorientiert worden sind in die gewünschten "x" und "y" Positions­ adressen.

Wie vorstehend beschrieben wurde, zeigt eine Vergrößerung des Lichtpegels, wie er durch eines der lichtempfindlichen Elemente 404 oder 408 abgetastet wurde, eine Fehlfunktion an, die eine Abschaltung des Lasers erfordert. Eine Steuerschaltung 800, um eine Laserabschaltung bei einer abgetasteten Erhöhung des Licht­ pegels einzuleiten, ist in Fig. 8 dargestellt. Für jedes licht­ empfindliche Element ist eine Steuerschaltung 800 erforderlich, so daß zwei derartige Schaltungsanordnungen erforderlich sind, um den Laser abzuschalten, wenn entweder das Element 404 oder das Element 408 eine Vergrößerung des Lichtpegels abtastet. Die Schal­ tungsanordnung 800 enthält ein lichtempfindliches Element 802, das ein Element 404 oder 408 darstellt. Ein Ausgang 804 des Ele­ ments 802 ist mit einer Pegeleinstellschaltung 806 verbunden, um einen Licht-Schwellwert einzustellen, der, wenn er überschritten wird, zur Folge hat, daß das Element 802 ein Antwortsignal lie­ fert. Ein zweiter Ausgang 808 des Elements 802 ist mit einer Verknüpfungsschaltung 810 verbunden, die für eine Änderung ihres Signalzustands am Ausgang 812 sorgt, wenn das Element 802 das Signal liefert, daß eine Überschreitung des Licht-Schwellwertes anzeigt. Eine Impulserzeugerschaltung 814 empfängt das Signal vom Ausgang 812 der Verknüpfungsschaltung 810. Die Schaltungsan­ ordnung 814 liefert einen Impuls am Ausgang 816 bei einer Ände­ rung des Zustands am Ausgang 812 der Verknüpfungsschaltung 810, wodurch angezeigt wird, daß der Licht-Schwellwert überschritten worden ist. Das Signal am Ausgang 816 wird einer Relaisschaltung 818 zugeführt, die einen Öffnerkontakt, der mit dem Laser ver­ riegelt ist, enthält als einen Freigabezustand für den Laserbe­ trieb. Die Relaisschaltung 818 spricht auf den durch die Schal­ tungsanordnung 814 gelieferten Impuls an, um den Kontakt zu öff­ nen und dadurch eine Abschaltung des Lasers einzuleiten.

Die bevorzugte Schaltungsanordnung, mit der die verschiedenen Elemente der Schaltung 800 implementiert werden können, wird als nächstes beschrieben. Das Element 802 ist als eine Photodiode 820 ausgebildet. Die Photodiode 820 ist vorzugsweise eine Type ¢OSI5L der Firma Centronics, und die Schaltungsverbindungen mit ihr sind in Fig. 8 dargestellt. Die Anschlüsse 1 und 2 der Pho­ todiode dienen auf entsprechende Weise als Ausgänge 804 und 808. Ein Anschluß 3 der Photodiode ist mit einer +5V Gleichspannungs­ quelle verbunden. Ein Photodiodenanschluß 4 ist mit einem Refe­ renzspannungspunkt (beispielsweise Masse) 822 verbunden.

Die Pegeleinstelleinrichtung 806 weist einfach einen Widerstand 824 auf, der mit dem einen Ende eines Einstellanschlusses 826 eines anzapfbaren Widerstandes 828 verbunden ist. Das andere Ende des Widerstandes 824 ist mit dem Anschluß 1 der Photodiode 820 verbunden. Der Widerstand 828 ist an dem einen Ende mit der +5V Gleichspannungsquelle und an seinem anderen Ende mit dem Refe­ renzpunkt 822 verbunden. Der Punkt, an dem der Widerstand 828 abgegriffen wird, bestimmt die Spannung, die an den Photodioden­ anschluß 1 angelegt wird. Diese Spannung ist zwischen 0 und +5V einstellbar durch Verschieben des Abgriffes auf dem Widerstand 828. Die Photodiode 820 liefert ein der logischen "1" entspre­ chendes Spannungssignal (etwa +5V) am Anschluß 2 (Ausgang 808), wenn der Licht-Schwellwert überschritten wird. Dieser Schwellwert wird bestimmt durch die Spannung, die an den Photodiodenanschluß 1 angelegt wird. Somit wird der Schwellwert eingestellt durch Verschieben des Abgriffes auf dem Widerstand 828. Es sei darauf hingewiesen, daß die Schwellwerteinstellung am besten vorgenom­ men wird, während das System 100 in Betrieb ist, um den Licht- Schwellwert genau einzustellen.

Die Verknüpfungsschaltung 810 weist zwei NAND-Gatter 830 und 832 auf. Ein erster Eingang 834 des Gatters 830 ist mit dem Photodio­ denanschluß 2 (Ausgang 808) verbunden. Der Eingang 834 steht auch mit dem Referenzpunkt 822 über einen Widerstand 836 in Verbin­ dung, so daß bei Fehlen eines Signals am Photodiodenanschluß 2 der Eingang 834 auf den logischen Spannungspegel "0" gehalten ist. Ein zweiter Eingang 838 des Gatters 830 ist mit der +5V Gleich­ spannungsquelle verbunden, die als der logische Spannungspegel "1" dient. Die Eingänge zum Gatter 832 sind miteinander und mit einem Ausgang 840 des Gatters 830 verbunden. Wenn also der Licht­ pegel, der durch die Photodiode 820 abgetastet wird, unterhalb des Schwellwertes ist, besteht eine logische "0" am Eingang 834 des Gatters 830, eine logische "1" legt am Gatterausgang 840 an und eine logische "0" besteht am Ausgang des Gatters 832, der als eine logische Ausgangseinrichtung 812 dient. Der Gatterein­ gang 834 steigt auf den logischen Spannungspegel "1", wenn der Licht-Schwellwert überschritten wird, und infolgedessen wechselt die Ausgangsgröße des Gatters 832 (logische Ausgangseinrichtung 812) auf einen logischen Spannungspegel "1".

Die Impulserzeugerschaltung 814 enthält vorzugsweise eine inte­ grierte Schaltung 842, beispielsweise Type LS221 der Firma Texas Instruments, für die Impulsbreite und die Verzögerungssteuerung. Die Schaltungsverbindungen mit dem IC sind in Fig. 8 dargestellt. Der Ausgang des NAND-Gatters 832 (logische Ausgangseinrichtung 812) ist mit einem Anschluß 2 des IC 842 verbunden. Zwei Konden­ satoren 844 und 846 sind parallel zueinander und zu den IC-An­ schlüssen 6 und 7 geschaltet. Der Anschluß 7 ist auch mit einem Abgriff 848 eines Stellwiderstands 850 verbunden. Das eine Ende des Widerstandes 850 ist mit dem Referenzpunkt 822 verbunden, während das andere Ende mit der +5V Gleichspannungsquelle ver­ bunden ist. Ein Kondensator 852 liegt parallel zu den IC-Anschlüs­ sen 14 und 15. Der Anschluß 15 ist ferner mit einem Abgriff 854 eines Stellwiderstands 856 verbunden. Das eine Ende des Wider­ standes 856 ist mit den IC-Anschlüssen 3 und 16 und mit der +5V Gleichspannungsquelle verbunden. Das andere Ende des Widerstandes 856 ist mit dem Referenzpunkt 822 verbunden. Ein Anschluß 5 des IC-842 ist mit dem Ausgang 816 und somit mit der Relaisschaltung 818 verbunden.

Die Relaisschaltung 818 weist einen NPN Transistor 858 auf, des­ sen Basis über einen Widerstand 860 mit dem Ausgang 816 der Puls­ erzeugerschaltung verbunden ist. Der Emitter des Transistors ist über einen Widerstand 862 mit dem Referenzpunkt 822 verbunden. Der Kollektor ist mit dem einen Ende einer Spule 864 (schematisch gezeigt) eines Relais 866 verbunden. Das andere Ende der Spule ist mit der +5V Gleichspannungsquelle verbunden.

Wie bereits ausgeführt wurde, wechselt der Signalsausgang 812 des NAND-Gatters 832 auf eine logische "1", wenn das durch die Photodiode abgetastete Licht den Schwellwert überschreitet. Das IC 842 generiert einen positiven Spannungsimpuls an seinem An­ schluß 5, wenn das Signal an dem IC-Anschluß 2, der mit dem Aus­ gang 812 verbunden ist, nach der logischen "1" wechselt. Die Werte, die für die Kondensatoren 844 und 846 und den abgegriffe­ nen Wert des Widerstandes 850 gewählt sind, bestimmen die Breite des erzeugten Impulses. Der Wert des Kondensators 852 und der abgegriffene Wert des Widerstandes 856 bestimmen eine Verzögerung in der Erzeugung des Impulses. Für die nachfolgend aufgelisteten Beispielswerte der Kondensatoren und Widerstände hat der erzeug­ te Impuls eine Breite von 20 Millisekunden und eine Verzögerung von weniger als 10 Mikrosekunden. Der Impuls macht den Transis­ tor 858 leitend und infolgedessen wird die Relaisspule erregt. Ein Relaiskontakt, der verriegelt ist, um im geschlossenen Zu­ stand einen Laserbetrieb zu ermöglichen, öffnet, wenn die Spule erregt ist. Die Kontaktöffnung hat deshalb zur Folge, daß der La­ ser abgeschaltet wird, und dies ist das gewünschte Resultat, wenn der Lichtwert, der durch eines der lichtempfindlichen Elemente abgetastet wird, den Schwellwert überschreitet.

Es wäre zwar möglich, daß das Signal, das durch eines der lichtem­ pfindlichen Elemente geliefert wird, wenn ein Lichtwert den Schwellwert überschreitet, an den Computer geliefert wird zur Erzeugung des Notstopsignals, aber dies wird absichtlich vermie­ den. Dies hat seinen Grund darin, daß einer der Fehlerbetriebe, die durch eines der lichtempfindlichen Elemente abgetastet werden können, eine Computer-Fehlfunktion ist. Die Erzeugung von fehler­ haften Positionsadressen durch den Computer würde fehlerhafte Faserinjektionen oder Spiegelpositionen zur Folge haben, wodurch der Laserstrahl innerhalb der Spiegelumhüllung verbleibt.

Für die Schaltungsanordnung 100 können beispielsweise folgende Komponenten verwendet werden:

Photodiode 820Centronics OSI5L Widerstand 82410 000 Ohm Widerstand 828100 000 Ohm Widerstand 836510 Ohm NAND-Gatter 83074LS132 NAND-Gatter 83274LS132 Kondensator 8441 µF Kondensator 8461 µF Widerstand 85050 000 Ohm Kondensator 8521 µF Widerstand 85620 000 Ohm Transistor 8582N2222 Widerstand 86010 000 Ohm Widerstand 86210 000 Ohm Relais 866Aromat DR-5V

Im Betrieb ist das System 100 über Lichtleiter 104 mit einer oder mehreren Arbeitsplatzstationsstellen verbunden. Der Computer 136 ist so programmiert, daß er eine Folge von 16-Bit "x" und "y" Galvanometer-Positionsadreßpaare liefert, wobei jedes Paar Spiegelstellungen entspricht, die den Laserstrahl durch eine der Linsen 112 auf die Spitze eines bestimmten Lichtleiters fokussieren. Somit definiert die Folge von Positionsadreßpaaren eine Folge von Lichtleitern (Fibern), in die aufeinanderfolgende Impulse des Lasers eingeleitet werden und somit Arbeitsplatzstellen, zu denen der Strahl übertragen werden soll. Infolgedessen arbeitet das System 100 in einem Schaltmodus, in dem die Spiegel 106 und 110 nur zwischen aufeinanderfolgenden Laserimpulsen repositioniert werden.

Das vorstehend beschriebene System 100 ist ferner während des Betriebs in der Lage, eine Beschädigung an darin enthaltenen Komponenten und eine Verletzung von Personal zu minimieren. Die lichtempfindlichen Elemente 404 und 408 und ihre entsprechenden Steuer- bzw. Regelschaltungen können den Laser abschalten, falls eine Komponente eine Fehlfunktion hat oder ausfällt, was anderen­ falls eine Komponentenbeschädigung oder eine Verletzung des Per­ sonals zur Folge haben würde. Die Erzeugung eines Schreib-Frei­ gabesignals, synchronisiert mit den Laserimpulsen, und die Pro­ grammierung des Computers 136 stellen eine im wesentlichen sofor­ tige Abschaltung des Lasers sicher, falls vor dem Schließen des Schreib-Freigabefensters die Reorientierung der Spiegel aus wel­ chem Grund auch immer nicht vollendet würde. Die Öffnung 147 in der Spiegelumhüllung stellt sicher, daß alle Trajektorien des reflektierten Laserstrahls eingeschlossen sind, um auf den Lin­ senhalter aufzutreffen und durch wenigstens eines der lichtem­ pfindlichen Elemente abgetastet zu werden. Der Positionsschalter 412 stellt sicher, daß der Laser nicht betrieben werden kann, wenn die Umhüllung 150 nicht richtig angeordnet ist, um das System 100 einzuschließen. Im Falle eines Computerfehlers, der einen Verlust der Adreßsignale, die durch ihn erzeugt werden, zur Folge hat, wird der Laser sicher in die Wärmesenke 406 gerichtet.

Zwar enthält das vorstehend beschriebene Strahlinjektionssystem gemäß der Erfindung zwei Spiegel zum entsprechenden Abtasten bzw. Scannen des Laserstrahls entlang den "x" und "y" Koordinatenrich­ tungen, aber dies sind nicht die einzigen Möglichkeiten. Bei­ spielsweise kann die Erfindung stattdessen mit einem einzelnen Spiegel praktiziert werden, der auf einer Galvanometerwelle an­ gebracht ist, zum Abtasten des Laserstrahls entlang einer einzel­ nen Koordinatenrichtung zum Fokussieren auf Lichtleiterspitzen, die alle im wesentlichen in der gleichen Ebene positioniert sind. In einem derartigen System mit einem einzigen Spiegel würde die Steuer- bzw. Regeleinrichtung eine Abwandlung erfordern zum Steuern bzw. Regeln eines einzelnen Galvanometers anstatt von zwei Galvanometern. Weiter enthält zwar das dargestellte Ausfüh­ rungsbeispiel mehrere Fokussierungslinsen, aber die Erfindung kann auch unter Verwendung einer einzelnen Linse mit mehreren Lichtleiterspitzen praktiziert werden, die nahe dem Brennpunkt der Linse angeordnet sind.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel wird zwar vorzugsweise mit einem Galvanometer-Scanner Modell XY3035 praktiziert, der von der Firma General Scanning gefertigt wird, aber es gibt noch an­ dere Möglichkeiten. Beispielsweise kann jedes Galvanometer als ein diskretes Element und mit einer Steuer- bzw. Regelschaltung versehen sein, die getrennt jedes der zwei Galvanometer antrei­ ben bzw. ansteuern kann. Solche diskreten Galvanometer, die zur Ausführung der Erfindung geeignet sind, sind beispielsweise der Galvanometer-Scanner Model G 350DT der Firma General Scanning und ein zugeordneter Treiberverstärker Modell CX660. In der Steuereinrichtung zum Treiben der diskreten Galvanometer würde jede durch den Computer erzeugte digitale Adresse während des Schreib-Freigabefensters einem Digital/Analog-Wandler zugeführt werden, der dem einen der zwei Galvanometer zugeordnet ist. Durch analoge Signalverstärkung und Galvanometer-Positionsrückführung würde ein getrenntes Fehlersignal generiert, um den auf jedem Galvanometer angebrachten Spiegel in die gewünschte Position zu steuern. Durch Abtasten der Größe jedes Fehlersignals würde der Computer bestimmen, ob beide Spiegel erfolgreich reorientiert sind in die gewünschten Positionen innerhalb des Schreib-Freigabe­ signals, und wenn dies nicht auftritt, das Notstopsignal gene­ rieren.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist zwar zwei Spiegel auf, wobei der erste Spiegel den Laserstrahl auf den zweiten Spiegel richtet und die ersten und zweiten Spiegel auf entsprechende Weise den Laserstrahl entlang den "x" und "y" Koordinatenachsenrichtungen abtasten, aber es gibt noch andere Möglichkeiten. Beispielsweise können die Spiegel so angeordnet sein, daß die ersten und zweiten Spiegel auf entsprechende Weise den Laserstrahl entlang den "y" und "x" Koordinatenachsrichtun­ gen positionieren.

Der Computer in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung liefert 16-Bit Galvanometer-Positionsadressen. Die Erfin­ dung kann aber auch mit einem Computer ausgeführt werden, der Bitadressen anderer geeigneter Größen generiert.

Die Elemente des dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit den Galvanometern, Linsen und Lichtleiterhaltern sind so an­ getrieben , daß sie fest montiert sind. Es wird vorgezogen, daß die Ausrichtung und Positionen dieser Elemente im voraus präzise bestimmt sind und die Elemente ohne Bewegungsspielraum fest mon­ tiert sind. Diese präzise Auslegung erleichtert eine spätere Fertigung des Strahlinjektionssystems. Es sind jedoch auch ande­ re Ausführungsbeispiele möglich. Die verschiedenen Elemente könn­ ten stattdessen jeweils in einer Art und Weise angebracht sein, die kleine Justierungen ihrer entsprechenden Positionen ermögli­ chen, beispielsweise durch Verwendung von Spielraumlöchern, und starres Fixieren der entsprechenden Elemente, nachdem die ge­ wünschte Ausrichtung erzielt ist.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß die Ausführung der Erfindung nicht auf die Verwendung eines Spiegelüberzugs beschränkt ist, der ein maximales Reflektionsvermögen bei dem vorgeschriebenen Winkel von 45° liefert. Der vorgeschriebene Winkel von 45° hängt mit der bevorzugten Anbringung jedes Spiegels in dem beschriebe­ nen Ausführungsbeispiel zusammen, so daß der Bereich der Spie­ gelbewegung etwa ein nominaler Strahleinfallswinkel von 45° ist. Jeder hier verwendete Spiegel kann jedoch stattdessen so ange­ bracht sein, daß sein Bewegungsbereich um einen anderen vorge­ schriebenen Winkel als 45° ist. In einem derartigen Fall würde jeder Spiegel überzogen sein, um ein im wesentlichen maximales Reflektionsvermögen um seinen entsprechenden vorgeschriebenen Winkel zu liefern.

Die beschriebene Erfindung ermöglicht zwar das Richten jedes auf­ einanderfolgenden Laserstrahlimpulses in einen unterschiedlichen Lichtleiter. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise können mehrere aufeinanderfolgende Impulse in den gleichen Lichtleiter gerichtet werden, bevor der Strahl bzw. das Bündel neu in einen anderen Lichtleiter gerichtet wird. Dies kann auf einfache Weise durch Programmieren des Computers erreicht werden, damit dieser wiederholt beliebig oft die gleiche Positions­ adresse generiert. Das Richten aufeinanderfolgender Impulse in einen Lichtleiter ist besonders vorteilhaft, wo der Betrieb, bei­ spielsweise Fräsen oder Bohren, die an einer Arbeitsstation am entfernten Ende des Lichtleiters ausgeführt wird, eine wesentliche Laser-Energie erfordert.

Die Verwendung eines gepulsten Lasers ist zwar vorteilhaft, aber nicht notwendig. Stattdessen kann unter Verwendung bekannter me­ chanischer Zerhackertechniken ein Strahl bzw. ein Bündel von mit einer kontinuierlichen Welle arbeitenden Laser in eine Kette von Impulsen mit einer vorbestimmten Frequenz umgewandelt werden, wo­ bei jeder Impuls eine vorbestimmte Dauer hat.

Claims (21)

1. Einrichtung zum Einführen eines gepulsten Laserstrahls, der durch einen Laser erzeugt ist, in einen von mehreren Lichtleitern , gekennzeichnet durch:
eine Linse (112) zum Fokussieren des Laserstrahls,
Mittel (118) zum Haltern einer Gruppe von Lichtleitern, deren Spitzen nahe dem Brennpunkt der Linse angeordnet sind,
Mittel (106, 110) zum Reflektieren des Laserstrahls,
Positionierungsmittel (126, 130) zum Orientieren der re­ flektierenden Mittel in vorbestimmte Positionen, die je­ weils den Laserstrahl durch die Linse hindurch auf eine der Lichtleiterspitzen richten, um den Laserstrahl zu in­ jizieren bzw. einzuleiten,
eine Regeleinrichtung zum Regeln der Positionierungsmit­ tel, enthaltend:
Mittel (502) zum Generieren eines Freigabesignals im we­ sentlichen synchronisiert mit dem Pulsieren des Laser­ strahls, wobei das Freigabesignal periodische Fensterab­ schnitte aufweist, die jeweils dem Laserstrahl in einem Ausschaltzustand zwischen den Impulsen entsprechen, und
Verarbeitungsmittel (136), die auf das Freigabesignal an­ sprechen, zum Generieren eines Adreßsignals im wesent­ lichen unmittelbar nach dem Beginn von einem laufenden Fensterabschnitt, wobei die Verarbeitungsmittel (136) eine Folge der Adreßsignale generieren, die vorbestimm­ ten Positionen entsprechen, wobei jedes Adreßsignal ver­ anlaßt, daß die Positionierungsmittel die reflektieren­ den Mittel in die entsprechende vorbestimmte Position bringen,
wobei die Positionierungsmittel eine Anzeige an die Ver­ arbeitungsmittel liefern beim erfolgreichen Orientieren der reflektierenden Mittel in die vorbestimmte Position und
die Verarbeitungsmittel ein Laserabschaltsignal generie­ ren, wenn die reflektierenden Mittel am Ende des laufen­ den Fensterabschnittes des Freigabesignals nicht erfolg­ reich in die vorbestimmte Position gebracht sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Adreßsignale eine digitale Form haben,
die reflektierenden Mittel einen ersten und einen zweiten Spiegel aufweisen zum entsprechenden Abtasten bzw. Scan­ nen des Laserstrahls entlang einer ersten und einer zwei­ ten Koordinatenachsrichtung,
die Positionierungsmittel ein erstes und ein zweites Gal­ vanometer aufweisen, die jeweils eine bewegbare Welle ha­ ben, auf der die ersten und die zweiten Spiegel auf ent­ sprechende Weise gehaltert sind,
die Verarbeitungsmittel erste und zweite Adreßsignale ge­ nerieren für eine entsprechende Zufuhr zu den ersten und zweiten Galvanometern während des laufenden Fensterab­ schnitts des Freigabesignals und
die Regeleinrichtung ferner Mittel aufweist zum umwandeln der ersten und zweiten Adreßsignale von digitaler Form in analoge Form für ein Anlegen an die ersten bzw. zweiten Galvanometer.

3. Einrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel einen digitalen Computer auf­ weisen zum Generieren der Adreßsignale.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel vorgesehen sind zum Abtasten einer Fehlfunk­ tion der reflektierenden Mittel und zur Lieferung einer Anzeige dieser Fehlfunktion und
eine Schaltungsanordnung, die auf die angezeigte Fehl­ funktion der reflektierenden Mittel anspricht, zum Ab­ schalten des Lasers.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet,
daß die reflektierenden Mittel durch eine erste Umhüllung (138) eingeschlossen sind, die nur einen auftreffenden Teil des Laserstrahls einläßt und einen Austritt eines reflektierten Teils des Laserstrahls ermöglicht, und
eine zweite im wesentlichen lichtdichte Umhüllung (150) für die Linse und die Halterungsmittel und auch die erste Umhüllung (138) vorgesehen ist, so daß Umgebungslicht von dem Innenraum der zweiten Umhüllung (150) im wesent­ lichen ausgeschlossen ist, und
die Fehlfunktions-Abtasteinrichtung ein lichtempfindliches Element aufweist, das zur Lieferung einer Anzeige für einen erhöhten Lichtwert innerhalb der ersten Umhüllung oberhalb eines Licht-Schwellwertes angeordnet ist, der einer Anzeige entspricht, daß die reflektierenden Mittel den Laserstrahl richtig auf den gewählten Lichtleiter re­ flektieren, wobei eine Erhöhung des Lichtwertes innerhalb der ersten Umhüllung (138) über den Schwellwert hinaus eine Anzeige für die Fehlfunktion der reflektierenden Mit­ tel ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Element eine Photodiode ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Abtasten einer fehlerhaften Lichtleiter­ einführung vorgesehen sind, die eine Anzeige für die fehlerhafte Einführung liefern, und auf diese Anzeige ansprechende Mittel vorgesehen sind zum Abschalten des Lasers.

8. Einrichtung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet,
daß eine Rückwand jenseits der Halterungsmittel entlang der Bahn eines reflektierten Teils des Laserstrahls ange­ ordnet ist,
eine im wesentlichen lichtdichte Umhüllung die reflektie­ renden Mittel und die Linse und auch die Halterungsmittel enthält, so daß Umgebungslicht von dem Innenraum der Um­ hüllung im wesentlichen ausgeschlossen ist, wobei die Um­ hüllung den Eintritt eines auftreffenden Teils des Laser­ strahls ermöglicht, und
die eine fehlerhafte Strahleinführung abtastenden Mittel ein lichtempfindliches Element aufweisen, das innerhalb der Umhüllung angebracht ist und eine Anzeige für eine Erhöhung des Lichtpegels nahe der Rückwand oberhalb eines Licht-Schwellwertes anzeigt, der der korrekten Einführung des Laserstrahls in die Lichtleiterspitze entspricht, wo­ bei die abgetastete Erhöhung in dem Lichtwert an der Rück­ wand über den Schwellwert hinaus eine fehlerhafte Einfüh­ rung anzeigt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel abtasten, wenn die Umhüllung von ihrem Platz verrückt wird, wobei diese Abtastmittel eine Anzeige für eine Verrückung der Umhüllung liefern, und die Schaltungs­ anordnung, die auf die Anzeige für eine Verschiebung der Umhüllung anspricht, den Laser abschaltet.

10. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Abführen der Energie eines darauf auftref­ fenden Laserstrahls vorgesehen sind und die Positionie­ rungsmittel die reflektierenden Mittel beim Fehlen des Adreßsignals in eine hohe Position bringen, in der die reflektierenden Mittel den Laserstrahl in die den Strahl abführenden Mittel reflektieren.

11. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die die reflektierenden Mittel umschließende Ummante­ lung eine erste Öffnung, die nur einen auftreffenden Teil des Laserstrahls einläßt, und eine zweite Öffnung aufweist, die einen Austritt eines reflektierten Teils des Laser­ strahls ermöglicht, wobei die zweite Öffnung so geformt ist, daß ein maximaler Bahnwinkel begrenzt ist, in dem der reflektierte Teil des Laserstrahls aus der Umhüllung austreten kann.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse in einem Linsenhalter montierbar ist, der eine Oberfläche aufweist, die alle Bahnen (Trajektorien) schneidet, entlang denen der Laserstrahl aus der zweiten Öffnung austreten kann.

13. Einrichtung zum Einführen eines gepulsten Laserstrahls, der von einem gepulsten Leistungslaser geliefert ist, in mehrere Lichtleiter, gekennzeichnet durch:
vier Linsen,
vier Einrichtungen zur Halterung von jeweils wenigstens einem der Lichtleiter, wobei die Spitze davon nahe an einem Brennpunkt der jeweiligen Linse angeordnet ist,
erste und zweite Spiegel zum Abtasten bzw. Scannen des Laserstrahls entlang jeweils einer von zwei Achsrichtun­ gen, wobei der erste Spiegel so positioniert ist, daß er den Laserstrahl auf den zweiten Spiegel richtet,
erste und zweite Galvanometer mit jeweils einer Welle, auf der der erste bzw. zweite Spiegel gehaltert ist, wobei die ersten und zweiten Galvanometer die ersten und zweiten Spiegel in Paare vorbestimmter Positionen brin­ gen, wobei jedes vorbestimmte Positionspaar den Laser­ strahl durch eine der Linsen richtet für ein selektives Fokussieren des Laserstrahls getrennt auf jede Lichtlei­ terspitze, die nahe dem Brennpunkt der Linse angeordnet ist,
eine Regeleinrichtung zum Regeln der ersten und zweiten Galvanometer, enthaltend:
Mittel zum Erzeugen eines Freigabesignals, im wesentlichen synchronisiert mit dem Pulsieren des Laserstrahls, wobei das Freigabesignal periodische Fensterabschnitte aufweist, die jeweils dem Laserstrahl in einem ausgeschalteten Zu­ stand zwischen den Impulsen entsprechen, und
Verarbeitungsmittel, die auf das Freigabesignal anspre­ chen zum Erzeugen von Adreßsignalpaaren, die auf entspre­ chende Weise die Positionspaare darstellen, wobei die Ver­ arbeitungsmittel eines der Adreßsignalpaare im wesentli­ chen sofort beim Beginn von einem laufenden Fensterab­ schnitt generiert,
die ersten und zweiten Galvanometer auf jedes Adreßsig­ nalpaar ansprechen, um die ersten und zweiten Spiegel in das dadurch dargestellte Positionspaar zu bringen,
die Verarbeitungsmittel ermitteln, ob die ersten und zwei­ ten Galvanometer die ersten und zweiten Spiegel erfolg­ reich in das vorbestimmte Positionspaar vor dem Ende des laufenden Fensterabschnittes orientieren, und
die Verarbeitungsmittel ein Laser-Abschaltsignal generie­ ren, wenn die ersten und zweiten Spiegel am Ende des lau­ fenden Fensterabschnittes nicht in das vorbestimmte Posi­ tionspaar gebracht sind.

14. Einrichtung nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel einen digitalen Computer zum Generieren der Adreßsignale aufweisen.

15. Einrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch:
eine erste Ummantelung zum Einschließen der ersten und zweiten Spiegel, die nur einen auftreffenden Abschnitt des Laserstrahls einläßt und den Austritt eines reflek­ tierten Teils des Laserstrahls ermöglicht,
eine zweite, im wesentlichen lichtdichte Umhüllung zum Aufnehmen der vier Linsen und der Halterungsmittel und auch der ersten Umhüllung derart, daß Umgebungsluft von dem Innenraum der zweiten Umhüllung im wesentlichen aus­ geschlossen ist,
ein lichtempfindliches Element zur Lieferung einer An­ zeige einer Erhöhung des Lichtwertes innerhalb der ersten Umhüllung über einen Licht -Schwellwert hinaus positio­ niert ist, wobei der Schwellwert anzeigt, daß die ersten und zweiten Spiegel den Laserstrahl richtig auf die ge­ wählte Lichtleiterspitze reflektieren, wobei die Erhöhung des Lichtwertes innerhalb der ersten Umhüllung über den Schwellwert hinaus eine Anzeige für eine falsche Reflek­ tion ist, und
eine Schaltungsanordnung auf die angezeigte Erhöhung des Lichtwertes innerhalb der Umhüllung über den Schwellwert hinaus anspricht, um den Laser abzuschalten.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Element eine Photodiode ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet,
daß eine Rückwand jenseits der Halterungsmittel entlang einer Bahn eines reflektierten Teils des Laserstrahls angeordnet ist,
eine im wesentlichen lichtdichte Umhüllung die ersten und zweiten Spiegel und die vier Linsen und auch die Halte­ rungsmittel derart enthält, daß Umgebungslicht von dem Innenraum der Umhüllung im wesentlichen ausgeschlossen ist, wobei die Umhüllung den Eintritt eines auftreffenden Teils des Laserstrahls ermöglicht,
ein lichtempfindliches Element innerhalb der Umhüllung angebracht ist und eine Anzeige für eine Erhöhung des Lichtpegels nahe der Rückwand über einen Licht-Schwellwert hinaus anzeigt, der einer richtigen Einführung des Laser­ strahls in jede Lichtleiterspitze entspricht, wobei die abgetastete Erhöhung des Lichtpegels an der Rückwand über den Schwellwert hinaus eine fehlerhafte Einleitung in einen Lichtleiter anzeigt, und
eine auf die Lichtwerterhöhung ansprechende Einrichtung den Laser abschaltet.

18. Einrichtung nach Anspruch 17 , dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Verrückung der Umhüllung Mittel ansprechen zur Lieferung einer entsprechenden Anzeige, durch die der Laser abgeschaltet wird.

19. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Abführen der Energie eines auftreffenden Laserstrahls vorgesehen sind und die ersten und zweiten Galvanometer auf entsprechende Weise die ersten und zwei­ ten Spiegel in eine Ruheposition bringen, wenn die Adreßsignale nicht anliegen, wobei die ersten und zweiten Spiegel in der Ruheposition den Strahl in die Strahlab­ führeinrichtung reflektieren.

20. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umhüllung die ersten und zweiten Spiegel um­ schließt, wobei die Umhüllung eine erste Öffnung, die nur einen auftreffenden Teil des Laserstrahls einläßt, und eine zweite Öffnung aufweist, die den Austritt eines re­ flektierten Teils des Laserstrahls ermöglicht, wobei die zweite Öffnung so geformt ist, daß ein maximaler Bahnwin­ kel begrenzt ist, entlang dem der reflektierte Teil des Laserstrahls aus der Umhüllung austreten kann.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen in einem Linsenhalter angebracht sind, der eine Oberfläche aufweist, die alle Bahnen schneidet, entlang der der Laserstrahl aus der zweiten Öffnung aus­ treten kann.