DE3805053A1 - Verfahren mit den dazu gehoerigen vorrichtungen zur lenkung eines laserstrahls mit hilfe einer flexiblen spiegelflaeche - Google Patents

Description

Bedingt durch den Preisverfall der Laserkomponenten erschließen sich dem Laser immer neue Anwendungsgebiete. Die Anwendungsbereiche sind jedoch dort begrenzt, wo ein schnelles, gezieltes Ablenken des Laserstrahls erforderlich ist.

Eine der Ursachen ist im Preis von derartigen Ablenksy­ stemen zu finden. Die am Markt befindlichen flexiblen Ablenksysteme werden Galvanometer genannt. Der relativ hohe Preis resultiert aus den hohen Anforderungen an die feinmechanische Bearbeitung.

Durch den hohen Preis ist der Laser derzeit nur bedingt eingesetzt im Bereich der Werbung, der großflächigen Anzeige von Informationen sei es für Produktionsvorschriften, Prozeßzustände und im Bereich der Unterhaltung.

In diesen Marktsegmenten hat der Laser jedoch unbestreit­ bare Vorteile gegenüber vorhandenen Systemen

• a) er geht mit der Energie sehr sparsam um
• b) die Technik ist bereits derart kompakt, daß ein Betrieb am 12-Volt Netz möglich ist - das bedeutet nur geringe Unfallgefahren
• c) der Laserstrahl ist beliebig lenkbar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, ein System zu entwickeln, daß es gestattet, mit wenigen Teilkomponenten den Laserstrahl in gewünschte Richtungen hinreichend schnell abzulenken. Das System soll dabei folgenden Anforderungen gerecht werden

• a) die Herstellung des Ablenksystems soll kostengünstig sein
• b) das System soll energiesparend und umweltfreundlich sein
• c) das Systm soll Zahlen, Buchstaben und Bilder in beliebiger Größe und Form erzeugen können
• d) die einzelnen Lichtpunkte sollen frei definierbar sein und durch Programm mit Hilfe eines Rechners einfach änderbar
• e) das System soll Anschlußmöglichkeiten an eine Steuer- und Regeleinheit z. B. ausgeführt in Form von Rechnersystemen besitzen
• f) das System soll leicht installierbar und wartungsfreundlich sein,
• g) das System sollte in der Lage sein, nicht nur die Figuren zu verändern, sondern auch die Farben der Figuren.

Die heute verwendeten Verfahren arbeiten wie folgt:

Bei relativ geringen Geschwindigkeitsanforderungen wie im Falle des Fräsens und Bohrens wird der gesamte Laserkopf verschoben.

Werden nur geringe Anforderungen an die Figurenvielfalt gestellt, wird dies erreicht durch die Drehzahländerung zweier Elektromotoren. Die Elektromotoren tragen am Ende einen Spiegel. Der eine Elektromotor ist zuständig für die Ablenkung in x-Ebene, der andere für die Ablenkung in y- Ebene. Die Spiegelsysteme können entweder in Form zweidi­ mensionaler Systeme (z. B. plane Reflexionsfläche) ausgeführt sein oder auch in Form dreidimensionaler Systeme wie Prismen, segmentierte Zylinder u. a.

Die Größe des Bildes wird bei diesen Systemen durch die Neigung der Flächen bestimmt und den Abstand des Spiegels von der Projektionsfläche. Der Abbildungsmaßstab läßt sich dadurch nur durch Änderung der Hardware lösen. Dies ist aufwendig.

Weitere Ablenksysteme sind in Form der Galvanometer bekannt. Bei diesen Systemen werden Ablenkungen nicht bzw. nur zum Teil durch Änderung der Drehzahl erreicht, sondern durch die Änderung der Schritte/Winkel. Es kommen Schrittmotoren zum Einsatz. Schrittmotoren lassen sich auch durch Rechnersy­ steme steuern.

Es gibt auch kombinierte Systeme, bestehend aus einem ro­ tierenden Motor mit Spiegel und einem Schrittmotor mit Spiegel. Der rotierende Motor lenkt den Laserstrahl in regelmäßigen Zeitabschnitten über eine Achse z. B. x-Achse.

Der Schrittmotor ist dann für die Ablenkung in der y-Ebene zuständig. Nur mit Hilfe dieser Galvanometer lassen sich belie­ bige Abbildungen erzeugen. Die Anwendung derartiger Systeme setzt jedoch einen hohen Steuerungsaufwand voraus und eine hohe Genauigkeit im Rahmen der Herstellung.

Das in dieser Erfindung vorgestellte Verfahren unterscheidet sich wesentlich von den oben dargestellten Verfahren:

Während bisher zwei Spiegelsysteme zur zweidimensionalen Ablenkung zum Einsatz kamen, wird bei dem vorgestellten Verfahren nur ein Spiegelsystem benötigt. Dieser Spiegel ist jedoch relativ frei beweglich im Raum.

Dies soll an Hand von vorgesehenen Ausführungsvarianten näher erläutert werden:

In einer Ausführungsvariante (Bild 1) wird der Spiegel fest mit einem elastischen Stab verbunden (1). Der elastische Stab kann entweder ausgeführt sein in Form eines Federdrahtes oder eines Glasfiberstabes. Auch andere Ausführungsformen sind denkbar. Die träge Masse des Systems Glasfiberstab und Spiegel (2) ist gering. Hohe Änderungsgeschwindigkeiten können damit erreicht werden. Die Ablenkung des Spiegels erfolgt durch elektrische oder magnetische Felder. Auch Ablenkungen durch Luftströmungen oder Gasströmungen sind denkbar. Ist eine zweidimensionale Darstellung gewünscht sind 3 Mag­ nete oder Spulen konzentrisch um den Stab anzuordnen (3). Diese Magnete sind mit Steuer- und Regeleinrichtungen verbunden. Spannungsänderungen führen zu Änderungen der magnetischen Feldstärke. Je nachdem, welches Magnetsystem, welches Spulen­ system angesprochen wird, erfolgt eine Ablenkung in x-Richtung, y-Richtung oder eine Kombination beider Richtungen.

Während in einer Ausführungsvariante der Spiegel als Gegen­ pol Permanentmagnete (4) enthält, wird in einer anderen Ausführungsvariante auf diese Magnete verzichtet. In dieser Ausführungsvariante ist der Spiegelträger einfach in Form eines leitenden Werkstoffes ausgeführt z. B. in Form einer Metallplatte.

Diese Metallplatte kann aus Gründen der Remanenz segmentiert sein (5) s. Bild 2.

In einer weiteren Ausführungsvariante sind die Permanent­ magnete am Spiegel in Form von Spulen ausgeführt. Dabei können die Spulen eine oder mehrere Windungen enthalten.

Eine Steuerung des Ablenkwinkels ist auch möglich durch gepulsten Einsatz. Es wird damit nicht nur die Amplitude der Spannung verändert und ihre Frequenz, sondern auch die Energiequanten, die auf das Ablenksystem geführt werden.

In einer weiteren Ausführungsvariante befinden sich die Erregerspulen weder vor noch hinter dem Spiegel, sondern außerhalb der Spiegelumrandung.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Masse des Spie­ gels nicht durch einen elastischen Stab aufgefangen, sondern durch ein Federsystem (Bild 3). Die Federn halten den Spiegel (7) in einer stabilen Lage. Die Erregermagneten sind ebenfalls konzentrisch um den Spiegelmittelpunkt angeordnet (8). Auch in dieser Ausführungsform sind 3 Erregermagneten vorgesehen. Die Federn sind durch (6) dargestellt. Gegebenenfalls kann es zweck­ mäßig sein, den Spiegel durch ein Mehrfedersystem hinreichend exakt zu fixieren - in der Ausführungsvariante sind 3 Federn eingezeichnet (Bild 4).

In dieser Variante kann die Form des Spiegels beliebig sein. Er kann die Form einer ebenen Fläche, einer Kugel, eines Prismas, eines Zylinders oder eines anderen Körpers besitzen.

Eine weitere Ausführungsvariante ist in Bild 5 dargestellt. Das Spiegelsystem wird in dieser Variante über ein Kugellager (9) fixiert. Die Anbringung der Magneten ist durch (10) dar­ gestellt.

In einer weiteren Variante wird das Spiegelsystem in einem nahezu luftleeren durchsichtigen Behälter (12) positioniert. Dadurch entfallen bei den geforderten Änderungsgeschwindigkeiten die Reibungsverluste. Die Erregermagneten (13) sind in dieser Variante außerhalb des Behälters befestigt. Dies gilt auch für die Haltemagneten (14) (Bild 6). Alternativ zur Fixierung des Spiegels durch Haltemagneten ist auch eine Fixierung durch Federsysteme, wie in Bild 4 dargestellt, möglich.

Die Anzahl der einzusetzenden Erregermagneten ergibt sich allein durch die Dimension der Abbildung. Während bei einer eindimensionalen Abbildung nur ein Erregermagnet ausreicht, sind bei einer zweidimensionalen Abbildung mindestens 2 Erregermagnete erforderlich.

Aus Gründen der Sicherheit kann es sinnvoll sein, das Ausgangsfeld des reflektierten Laserstrahls zu begrenzen. Dies kann z. B. durch ein Gehäuse mit definierter Öffnung realisiert werden (15).

Trifft der Laserstrahl auf das Spiegelsystem wird nur ein Teil des Energiestrahls reflektiert. Der nicht reflektierte Anteil führt zu mechanischen und chemischen Umwandlungen des Spiegelmaterials und zur Erwärmung des Spiegelsystems.

Während bei Laserstrahlen geringerer Energie diese Restmenge hinreichend schnell an die Umgebungsluft abgegeben werden kann, sind bei Hochenergielaserstrahlen Kühlvorrichtungen erforder­ lich.

In einer Ausführungsvariante wird diese Energie durch eine Vergrößerung der wärmeabgebenden Fläche abgeleitet (Kühlkörper). In einer Alternative wird der Spiegel mit extrem leichten aktiven Kühlelementen verbunden. Dazu eignen sich z. B. Peltierelemente. Sollte in dieser Ausführungsvariante die träge Masse des Spiegelsystems zu groß werden, ist in einer weiteren Ausführungsvariante vorgesehen, das Spiegelsystem durch vorbeigeführte kühle Gase abzukühlen. Dabei kann es sinnvoll sein, wie in Bild 7 dargestellt, das Spiegelsystem in einem Kühlkanal zu befestigen.

Dieses Verfahren gestattet auch eine Änderung der Farbe des reflektierten Lasers. Änderungen der Gaszusammensetzung führen zu Änderungen der Farbe des reflektierten Strahls.

Das System ist damit in der Lage, sowohl jede beliebige Form abzubilden als auch diese Abbildung in verschiedenen Farben darzustellen.

Der Kühlkanal ist durch (16) dargestellt. Der Gasstrom durch (17), das Spiegelsystem durch (18) und die Erregermagneten durch (19). Der Kühlkanal kann sowohl zylinderförmig ausge­ führt sein als auch durch ebene Flächen begrenzt sein.

Wird der Laserstrahl stetig geführt, besteht die Notwendigkeit der Unterbrechung des Laserstrahls. Diese Unterbrechung erfolgt durch einen magnetisch gesteuerten Verschluß.

In einer Ausführungsvariante ist dieser Verschluß nichts anderes als eine Lautsprechermembran. Diese Membran ist perforiert. Durch Ändern der Lautsprecherfrequenz kann der scharf ge­ bündelte Strahl in ausreichender Schnelligkeit unterbrochen werden.

Natürlich sind für diesen "optischen" Schalter auch andere Ausführungsvarianten denkbar - man denke z. B. an einen Schieber mit einer kleinen Öffnung, der durch magnetische Kräfte nach Bedarf hin- und herbewegt wird bzw. rotiert.

Das Gesamtsystem ist in Bild 8 dargestellt. Man erkennt das Sicherungsgehäuse (20). Dieses Sicherungsgehäuse dient der Absicherung der Sektoren, die nicht von einem Laserstrahl bestrichen werden dürfen. Sollte durch Softwarefehler oder durch Beschädigung des Ablenksystems der reflektierte Laser­ strahl fehlgelenkt werden, wird er durch das Sicherungs­ gehäuse absorbiert. Weiterhin erkennt man das Spiegelsystem (21) und die Erregermagneten (22). Der Laser ist durch (23) dargestellt und die Projektionsfläche durch (24).

Die Projektionsfläche kann nach Bedarf ersetzt werden durch eine Nebelwolke. Die Partikel der Nebelwolke werden den Laserstrahl reflektieren.

Der Laser kann nach Bedarf durch den Schieber unterbrochen werden. Dadurch kann der Laserstrahl unstetig geführt wer­ den. Diese Forderung ist wichtig z. B. bei der Darstellung von Zahlen oder Worten (25).

Die Erregermagneten und der Schieber werden mit einer Steuerungs-/Regelungseinheit verbunden (26). Nach Bedarf kann diese Regelungseinheit mit einer eigenen Intelligenz in Form eines Rechners ausgestattet sein (27). Dieser Rechner gestattet über Tastaturen und Programmspeicher die einmalige oder wiederholte Darstellung von Bildern. Die Rechnereinheit kann mit zahlreichen Sensoren (28) aus­ gerüstet sein, die eine Selbstjustage des Spiegelsystems sicherstellen.

Darüberhinaus können diese Sensoren ausgerüstet sein zur Erfassung von Prozeßzuständen und können damit zu Programmänderungen führen. Man denke z. B. an die Anzeige von Prozeßzuständen, Produktionsstückzahlen etc.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.

Alle neuen in der Beschreibung und den Zeichnungen dar­ gestellten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims (22)

1. Verfahren zur Ablenkung eines Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl über eine bewegliche Spiegelfläche mehrdimensional abgelenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche durch einen elastischen Stab z. B. in Form eines Federdrahtes oder eines Glasfiberstabes ge­ halten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel mit Hilfe eines Kugelgelenks dreidimensional gelagert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel frei schwebt und nur durch ein elektrisches bzw. magnetisches Feld gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß am Spiegel Dauermagnete bzw. elektrische Spulen be­ festigt sind, die dazu beitragen, daß durch Aufbringen eines elektrischen/magnetischen Feldes sich die Lage/Stellung des Spiegels verändern läßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zu Anspruch 5 der Spiegel Werkstoffe z. B. in Form metallischer Werkstoffe enthält, die bei Anlegen eines elektrischen/magnetischen Feldes eine Änderung der Lage/ Stellung der Spiegelfläche herbeiführen.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel alternativ oder zusätzlich durch ela­ stische Bänder oder Federn fixiert ist, die bei Ausbleiben der Stromversorgung eine Dejustage des Spiegels unter­ bindet.

8. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel in Form einer flexiblen, elastischen Folie ausgeführt ist, die durch Änderungen elektrischer, magnetischer Felder oder durch Änderungen von Luftströ­ mungen ihre Form ändert, so daß der Lichtstrahl in beliebige Richtungen reflektiert werden kann.

9. Verfahren nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem sich in einem evakuierten, laser­ strahldurchlässigen Behälter befindet zur Verminderung der Luftreibung.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß den elektrischen Spulen, Dauermagneten oder metallischen Flächen elektrische Spulen zu geordnet sind, die durch eine Änderung des elek­ trischen/magnetischen Feldes zu einer Änderung der Lage/ Stellung der Spiegelfläche führen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zur planen Spiegelfläche, kugelförmige, zylindrische, prismatische oder andere Spiegelflächen zum Einsatz kommen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem sich in einem evakuierten durchsichti­ gen Behälter befindet, und die Erregerspulen außerhalb des Behälters positioniert sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß Erregerspulen und Spiegelsystem leicht voneinander lösbar verbunden sind, so daß im Falle der Wartung oder Reparatur ein einfaches Auswechseln der Teilekomponenten möglich ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10-13, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem mit passiven oder aktiven Kühlelementen verbunden ist, die eine Erwärmung des Spiegels durch den nicht reflektierten Anteil des Energiestrahls vermin­ dern.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10-14, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich oder alternativ zu Anspruch 14 sich das Spiegelsystem in einem kühlen Luft- oder Gasstrom befindet zur Ableitung der überflüssigen Wärme.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10-15, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem von unterschiedlichen Medien (Flüssig­ keiten oder Gasen) umströmt wird, und sich dadurch die Farbe und Form des reflektierten Laserstrahls ändern läßt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10-16, dadurch gekennzeichnet, daß durch Steuer- und Regelsysteme z. B. ausgeführt durch Rechnersysteme mit Eingabetastaturen, Sensoranschlüssen und Speichern sich die Stellung des Spiegels einmalig oder wiederholt - je nach Kundenwunsch - beliebig verändern läßt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 10-17, dadurch gekennzeichnet, daß durch Steuer- und Regelsysteme sich die Farben des reflektierten Strahls nach Wunsch verändern lassen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 10-18, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einsatz von Steuer- und Regelsystemen sich das Spiegelsystem immer selbsttätig justiert.

20. Vorrichtung nach Anspruch 10-19, dadurch gekennzeichnet, daß durch Festlegung bestimmter Gehäuseöffnungen des Spiegel­ systems der Laserstrahl nur in zulässigen Bereichen austreten kann.

21. Vorrichtung nach Anspruch 10-20, dadurch gekennzeichnet, daß durch magnetisch oder elektromotorisch betriebene Schieber der Laserstrahl nach Bedarf unterbrochen werden kann.

22. Vorrichtung nach Anspruch 10-20, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zum Anspruch 21 der Schieber durch Piezoele­ mente betrieben wird.