DE4024299C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fokus
sieren eines Lichtstrahles in mehreren Fokuspunkten
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einer Reihe von Anwendungen ist es erforderlich, einen
Lichtstrahl in mehr als einem Fokuspunkt bzw. -fleck zu
fokussieren; dabei müssen in der Regel die einzelnen Fo
kuspunkte in einer vorgebbaren Positionsbeziehung zueinan
der stehen; ferner ist es häufig erforderlich, die Inten
sität des Lichtstrahles in bestimmter Weise auf die ein
zelnen Fokuspunkte aufzuteilen:
So ist beispielsweise aus der DE 35 02 382 A1 eine Anordnung
zur Strahlenteilung eines Laserstrahles bekannt, die einen
Laserstrahl in mehrere parallele, in einer Ebene oder
räumlich divergierende Teilstrahlen mit gleicher Intensi
tät zerlegt. Die Anordnung sieht jedoch nur die Möglich
keit der Vielfach-Zerlegung eines nicht fokussierten
Laserstrahls vor und dient zudem für meßtechnische oder
sicherheitstechnische Anwendungen, für die eine unabhängige
Einstellung von Intensitätsverteilung und gegenseitige
Beabstandung der einzelnen Strahlen keine Rolle spielt.
Anders ist dies jedoch beim Laserstrahl-Schweißen. Bei
spielsweise können die beim Laserstrahl-Schweißen bei
hohen Prozeßgeschwindigkeiten auftretenden Nahtfehler, wie
Nahtaufwürfe, Löcher etc. durch Strahlteilung bzw. Verwen
dung mehrerer diskreter Fokuspunkte eliminiert werden;
(hierbei wird - wie auch in der folgenden Beschreibung -
unter einem Fokuspunkt bzw. Fokusfleck kein Punkt im ma
thematischen Sinne, sondern der Bereich "der kleinsten
Einschnürung" des Licht- bzw. Laserstrahles verstanden).
Bei den bekannten Vorrichtungen zum Fokussieren eines
Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunkten werden ent
weder getrennte Licht- bzw. Laserstrahlen jeweils einzeln
fokussiert oder ein Laserstrahl wird mittels teildurchläs
siger Optiken vor oder in der Fokussierung geteilt.
In diesem Zusammenhang ist auf die DE 33 46 144 C1 zu verwei
sen, aus der eine Vorrichtung für das Schweifen mit
optischen Energiestrahlen hoher Energiedichte hervorgeht.
Diese Vorrichtung kann als "schneller Strahlschalter"
angesehen werden, der zwar bei jedem Schaltvorgang eine
zeitliche und örtliche Variation der Teilstrahlinten
sitäten bewirkt, jedoch ist die Variation der Ortsbezie
hung nicht unabhängig von der Variation der Intensitäts
beziehung. Ferner sind die Strahlwege über die einzelnen
Umlenkspiegel unterschiedlich lang, wodurch der eine
Strahl fokussiert und der andere Strahl defokussiert auf
das zu bearbeitende Werkstück abgebildet wird.
Nachteilig bei diesen bekannten Vorrichtungen ist zudem,
daß trotz vergleichsweise grobem Aufwand für die Strahl
formung weder die Anordnung der einzelnen Fokuspunkte noch
die Intensitätsverteilung variiert und damit exakt nur auf
eine ganz bestimmte Parameterkombination von Prozeßge
schwindigkeit, Werkstückdicke, Werkstoff etc. abgestimmt
werden können.
In der US 46 91 093 wird vorgeschlagen, zur Variation
der Anordnung der Fokuspunkte und der Intensitätsvertei
lung einen Fokussier-Spiegel mechanisch zu deformieren.
Die Deformation eines Fokussier-Spiegels führt in der
Praxis jedoch zu einer Verschlechterung der Fokussierung
bzw. zu einer verzerrten Fokusgeometrie, die in vielen
Fällen unerwünscht ist.
Darüber hinaus kann ein Fokussier-Spiegel in der Regel
nicht so deformiert werden, daß die Fokuspunkt-Intensitä
ten und -Abstände beispielsweise bei der Eliminierung von
Nahtfehlern auf den jeweiligen Prozeßdaten-Bereich abge
stimmt werden können, so daß es auch bei dieser bekannten
Vorrichtung erforderlich ist, zusätzlich optische Kompo
nenten oder die gesamte Strahlformungsoptik austauschbar
zu gestalten, um die Daten über die gesamte Variations
breite anpassen zu können.
Schließlich beschreibt die französische Druckschrift
FR 9 63 291, von der bei der Formulierung des Oberbegriffes des
Anspruchs 1 ausgegangen wird, eine Vorrichtung zur Bild
verdopplung, bei der ein Fokussierelement den Strahlengang
auf zwei gegeneinander geneigte Planspiegel projiziert,
und im weiteren Verlauf des Strahlengang nach einer zwei
ten Reflexion zwei gewünschte Bildpunkte entstehen. Eine
Variation des Abstandes zwischen den Bildpunkten sowie
deren Intensitätsverteilung wird hierbei weder angeben
noch ist sie erwünscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zum Fokussieren eines Lichtstrahles in mehreren
Fokuspunkten anzugeben, bei der eine einfache Variation
sowohl der Lichtintensität in den einzelnen Fokuspunkten
als auch des Abstandes der Fokuspunkte
zueinander möglich ist.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Fokussieren
eines Lichtbündels in mehreren Fokuspunkten, welche ein
Fokussierelement und eine im Lichtbündel nach dem
Fokussierelement angeordnete, keilförmige Spiegelanordnung
aufweist, die aus mehreren, gegeneinander geneigten
und unabhängig voneinander reflektierenden Teilspiegeln
besteht, die das Lichtbündel in eine der Anzahl der
Fokuspunkte entsprechende Anzahl von Teilbündel aufteilen,
derart weitergebildet, daß die Spiegelanordnung relativ
zu dem von dem Fokussierelement abgegebenen,
fokussierten Lichtbündel bewegbar ist, wobei eine
Bewegung der Spiegelanordnung senkrecht zu dem
fokussierten Lichtbündel eine stufenlose Einstellung
der prozentualen Strahlungsintensitäten in den
Fokuspunkten bei konstantem Abstand der Fokuspunkte von
einander ermöglicht, und wobei eine Bewegung der Spiegelanordnung (3) paral
lel zu dem fokussierten Lichtenbündel (1) eine stufen
lose Einstellung des Abstandes der Fokuspunkte voneinan
der bei konstanten prozentualen Strahlungsintensitäten
in den Fokuspunkten ermöglicht.
Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung ist eine Anpassung
der Strahlformung an unterschiedliche Vorgaben ohne Aus
wechseln von Bauteilen möglich. Die Variabilität der
Strahlformung, d. h. der Anordnung der einzelnen Fokuspunk
te und der Intensitätsaufteilung ist zudem stufenlos.
Das Spiegelelement kann dabei sowohl von Hand als auch
durch eine an sich bekannte (mehrachsige) Verstellvor
richtung bewegt werden, die wiederum von einer
Steuer- bzw. Regeleinheit oder dgl. betätigt wird. Gemäß Anspruch
2 ist die Spiegelanordnung relativ zu dem von dem
Fokussierelement abgegebenen, fokussierten Lichtbündel
drehbar oder kippbar.
Die einzelnen Spiegelflächen können dabei nicht nur den
Lichtstrahl aufteilen, sondern auch eine optische Wirkung
haben, d. h. die einzelnen Spiegelflächen können
Konkav- oder Konvex-Spiegelelemente mit einer gegebenenfalls
asphärischen Krümmung sein. Darüber hinaus ist es auch
möglich, daß die einzelnen Spiegelflächen in ihren Haupt
schnitten unterschiedliche Krümmungen haben, so daß sie
zusätzlich zu einer fokussierenden Wirkung auch eine ana
morphotische Wirkung haben können.
Eine besonders einfache Ausbildung des erfindungsgemäßen
Spiegelelements erhält man jedoch dann, wenn ein getrenn
tes Fokussierelement vorgesehen und das Spiegelelement
zwischen diesem Fokussierelement und dem Ort der Fokus
punkte angeordnet ist.
In diesem Falle ist es ausreichend, wenn die einzelnen
Spiegelflächen Planflächen sind, das Spiegelelement gemäß
Anspruch 3 also ein gefaster Planspiegel ist.
Selbstverständlich ist es aber auch bei Ver
wendung eines getrennten Fokussierelementes möglich, den
Spiegelelementen eine optische Wirkung zu geben, um bei
spielsweise die Form des "Fokusfleckes" in bestimmter
Weise zu beeinflussen.
Wenn beispielsweise der Lichtstrahl lediglich in zwei
Fokuspunkte aufgeteilt werden soll und ein zusätzliches
Fokussierelement verwendet wird, ist - wie bereits erwähnt
- das Spiegelelement bevorzugt ein einfach gefaster Plan
spiegel. So kann dieser einfach gefaste Planspiegel zur
Aufteilung der Strahlintensität auf die beiden Fokuspunkte
senkrecht zum auftreffenden Lichtstrahl sowie zur Fase und
zur Variation des Abstandes der beiden Fokuspunkte in
Richtung des auftreffenden Lichtstrahles verschoben wer
den.
Insbesondere dann, wenn als Lichtquelle ein Laser hoher
Leistung oder ein im UV-Bereich arbeitender Laser verwen
det wird, ist es von besonderem Vorteil, wenn als Fokus
sierelement kein transmittierendes Element, sondern ein
reflektierendes Element wie beispielsweise ein Konkavspie
gel verwendet wird (Anspruch 4).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann immer dann einge
setzt werden, wenn es erforderlich ist, einen Lichtstrahl
in mehrere fokussierte Teilstrahlen aufzuspalten, wie dies
beispielsweise beim Bearbeiten und insbesondere beim
Schweißen einer Oberfläche mittels eines Lasers erforder
lich ist.
Beispielsweise beim Schweißen von Dosen ist es zum Umstel
len auf verschiedene Formate von Vorteil, wenn die Ein
stellung des Abstandes der einzelnen Fokuspunkte und die
Intensitätsaufteilung kontinuierlich erfolgen kann, wie
dies bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Fokussieren eines Lichtstrahles in wenigstens zwei
Fokuspunkten der Fall ist.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all
gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch
beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung
aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen
Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen
Fig. 1a-3a eine erfindungsgemäße Vorrichtung in drei
unterschiedlichen Stellungen, und
Fig. 1b-3b den zugehörigen Abstand der Fokuspunkte
und die Intensitätsaufteilung.
In den Fig. 1a bis 3a ist eine Ausführungsform einer er
findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die ohne Be
schränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens einen
Lichtstrahl 1 in zwei Teilstrahlen 11 und 12 aufspaltet,
die an getrennten Orten in der Fokusebene fokussiert
werden. Mit s1 ist der Abstand der "Schwerpunkte" der bei
den "Fokuspunkte", d. h. genauer gesagt der beiden Fokus
flecke in der Fokusebene bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Konkavspiegel
2 auf, der den Lichtstrahl 1 fokussiert. Im Lichtweg nach
dem Konkavspiegel 2 ist ein Spiegelelement 3 angeordnet,
das bei der gezeigten Ausführungsform zwei Spiegelflächen
31 und 32 aufweist, die sich längs einer Linie berühren
und deren Flächennormale längs dieser Linie (bzw. Fase)
einen Winkel << 0° einschließen; anders ausgedrückt ist
das Spiegelelement 3 ein gefaster Planspiegel. Ferner
lenkt das Spiegelelement 3 den Lichtstrahl 1 um ca. 90°
um.
Das Spiegelelement 3 ist an zwei Linearführungen 4 und 5
in x- und z-Richtung verschiebbar gehalten.
Fig. 1a zeigt eine Stellung des Spiegelelements 3 im
Lichtstrahl 1, in der der Lichtstrahl derart aufgeteilt
wird, daß die Intensitäten I1 und I2 in den beiden Fokus
punkten mit dem Abstand s1 gleich sind (vgl. Fig. 1b).
Fig. 2a zeigt eine Anordnung, bei der das Spiegelelement 3
in Richtung der z-Achse von der Fokusebene weg verscho
ben ist. Hierdurch wird - wie Fig. 2b zeigt - die Inten
sität des Teilstrahls 11 erhöht und entsprechend die des
Teilstrahls 12 erniedrigt. Da das Spiegelelement 3 die
gleiche x-Koordinate wie in Fig. 1a hat, ist der Abstand
s1 der beiden Fokuspunkte gleich.
Fig. 3a zeigt eine Anordnung, bei der das Spiegelelement 3
in Richtung der x-Achse von dem Konkavspiegel 2 weg ver
schoben ist. Hierdurch werden - wie Fig. 3b zeigt - die
beiden Fokuspunkte näher zusammengeschoben, so daß sie
nunmehr den Abstand s2 haben. Da das Spiegelelement 3 die
gleiche z-Koordinate wie in Fig. 1a hat, ist die Intensi
tätsverteilung in den beiden Fokuspunkten gleich.
Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan
kens beschrieben worden, innerhalb dessen selbstverständ
lich die verschiedensten Modifikationen möglich sind:
Beispielsweise ist es möglich, das Spiegelelement 3 nicht
nur translatorisch, sondern auch rotatorisch, beispiels
weise durch Schwenken in einer in der Fase oder außerhalb
der Fase liegende Schwenkachse zu bewegen. Ferner kann das
Spiegelelement 3 auch mehr als zwei Spiegelflächen aufwei
sen, so daß mehr als zwei Fokuspunkte entstehen.
Claims (4)
1. Vorrichtung zum Fokussieren eines Lichtbündels in
mehreren Fokuspunkten, welche ein Fokussierelement (2) und
eine im Lichtbündel (1) nach dem Fokussierelement (2)
angeordnete, keilförmige Spiegelanordnung (3) aufweist,
die aus mehreren, gegeneinander geneigten und unabhängig
voneinander reflektierenden Teilspiegeln (31, 32) besteht,
die das Lichtbündel (1) in eine der Anzahl der
Fokuspunkte entsprechende Anzahl von Teilbündel (11, 12)
aufteilen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung (3) relativ
zu dem von dem Fokussierelement (2) abgegebenen,
fokussierten Lichtbündel (1) bewegbar ist, wobei eine
Bewegung der Spiegelanordnung (3) senkrecht zu dem
fokussierten Lichtbündel (1) eine stufenlose Einstellung
der prozentualen Strahlungsintensitäten in den
Fokuspunkten bei konstantem Abstand der Fokuspunkte von
einander ermöglicht, und wobei eine Bewegung der Spiegelanordnung (3) paral
lel zu dem fokussierten Lichtenbündel (1) eine stufen
lose Einstellung des Abstandes der Fokuspunkte voneinan
der bei konstanten prozentualen Strahlungsintensitäten
in den Fokuspunkten ermöglicht.
2. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung (3)
relativ zu dem von dem Fokussierelement (2) abgegebenen,
fokussierten Lichtbündel (1) drehbar oder kippbar ist.
3. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung (3) aus
planen Reflexionsflächen gebildet ist.
4. Fokussiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Fokussierelement (2) als
Konkavspiegel ausgebildet ist.
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |