DE4026130A1 - Einrichtung zur ablenkung eines lichtstrahls - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ablenkung eines
Lichtstrahls in verschiedene Richtungen gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
Bekannte Ablenkeinrichtungen weisen zwei Ablenkspiegel auf, die
auf verschiedenen Drehachsen angeordnet sind. Die Ablenkung
eines Lichtstrahls in horizontaler und vertikaler Richtung wird
dadurch gesteuert, daß jeder Ablenkspiegel um einen Drehwinkel
auslenkbar ist. Der Lichtstrahl wird beispielsweise von einer
Lasereinrichtung geliefert, deren emittiertes Laserstrahlbündel
bei der Bearbeitung von Werkstücken, bei der Laserabtastung so
wie insbesondere der Laserbeschriftung eines Gegenstandes ver
wendet wird.
Für das Schreiben auf eine Zielebene sind in den Strahlengang
des Lichtstrahls nacheinander ein Objektiv und die entsprechend
der Beschriftungsaufgabe um einen Drehwinkel ausgelenkten Ab
lenkspiegel angeordnet. Dabei unterscheidet man zwischen einer
ersten Anordnung, bei der der eintreffende Lichtstrahl zuerst
vom Objektiv gebündelt und anschließend von den Spiegeln abge
lenkt wird (postobjective scanning), und einer zweiten Anord
nung, bei der der bereits abgelenkte Lichtstrahl vom Objektiv
auf die Zielebene fokussiert wird (preobjective scanning).
Mit Hilfe derartiger Anordnungen können Teile aus Metall, Kera
mik, Halbleitermaterialien sowie eine Vielzahl von Kunststof
fen mit Buchstaben, Ziffern, Markierungen, Firmensymbolen oder
grafischen Darstellungen beschriftet werden, wobei die Be
schriftung in Gravierschrift, Schmelzschrift oder in Verdamp
fungsschrift ausgeführt werden kann. Als Ablenkspiegel werden
kleine, sehr leichte Spiegel eingesetzt, die beispielsweise an
Galvanometermotoren befestigt sind. Sie zeichnen sich durch ge
ringe Trägheitsmomente und eine geringe Reibung der beweglichen
Teile aus und lassen somit eine Laserbeschriftung mit hoher
Auflösung und Geschwindigkeit zu.
Aus "Laser Beam Scanning" by G.F. Marshall, Dekker, Basel,
1985, Seiten 226 ff, sind Ablenkeinrichtungen mit zwei Ablenk
spiegeln zur zweidimensionalen (x, y) Ablenkung eines Laser
strahls bekannt. Insbesondere bei Anordnung des Objektivs vor
den Ablenkspiegeln (postobjective scanning) treten Verzerrun
gen auf, beispielsweise in Form von Kissenverzerrungen, die
dann nachträglich elektronisch korrigiert werden müssen.
Die Ursache hierfür liegt in der Drehbewegung der einzelnen
Spiegel um verschiedene Achsen. So wird beispielsweise bei Aus
lenkung des ersten Ablenkspiegels um einen Drehwinkel der
Lichtstrahl in einem Ablenkwinkel δ auf den zweiten Ablenk
spiegel umgelenkt.
In "Distortion correction formulas pre-objective dual galvano
meter laser scanning" by P.E. Verboven, APPLIED OPTICS, Vol.
27, No. 20, 1988, sind Formeln zur elektronischen Korrektur von
Ablenkfehlern angegeben, die bei Anordnung des Objektivs nach
den Ablenkspiegeln auftreten können. Die Korrekturformeln be
ziehen sich auf die Berechnung der Winkelwerte, um die die
Spiegel in einem nachträglichen Korrekturschritt auszulenken
sind, damit der Laserstrahl vorgegebene Koordinaten (x, y) auf
einer Zielebene, beispielsweise beschreibbar durch ein karte
sisches Koordinatensystem, erreicht.
Es liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Einrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls zu schaffen, durch
die Verzerrungen vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Demnach weist die Einrichtung einen weiteren Ablenkspiegel auf,
der vor dem ersten Ablenkspiegel auf einer Drehachse angeordnet
ist, die parallel zur Drehachse des ersten Ablenkspiegels ver
läuft. Durch Auslenkung des zusätzlichen sowie des ersten Ab
lenkspiegels um jeweils einen bestimmten Drehwinkel wird der
Lichtstrahl derart abgelenkt, daß er in die Mitte des zweiten
Ablenkspiegels trifft. Somit kann der Lichtstrahl dann vom
zweiten Ablenkspiegel exakt auf einen vorgegebenen Zielpunkt
bzw. auf die Eintrittspupille eines nachfolgend angeordneten
Objektivs abgelenkt werden, ohne daß Verzerrungen auftreten.
Die Festlegung der Drehwinkel erfolgt abhängig vom Ablenkwin
kel und den Abständen der Ablenkspiegel zueinander.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ablenkeinrichtung
besteht darin, daß die geometrischen Abmessungen der einzelnen
Ablenkspiegel noch kleiner als bei einer Doppelablenkspiegelan
ordnung gewählt werden können.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Abstand des er
sten Ablenkspiegels vom zusätzlichen Ablenkspiegel mit dem Ab
stand des ersten Ablenkspiegels vom zweiten Ablenkspiegel iden
tisch. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
sind die geometrischen Abmessungen aller Ablenkspiegel diesel
ben.
Andere Weiterbildungen der Erfindungen beziehen sich auf die
Verwendung der Ablenkeinrichtung für das Schreiben auf eine
bzw. für das Lesen von einer Zieloberfläche.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls
mit drei aufeinanderfolgend angeordneten Ablenkspiegeln.
Die Einrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls ist in stark
vereinfachter, schematischer Darstellung gezeigt. Sie besteht
aus mehreren Ablenkspiegeln Asz, As1, As2, denen eine Laserein
richtung L zur Erzeugung eines Laserstrahls Ls vorgeschaltet
ist. Ein Planfeldobjektiv zur Bündelung des emittierten Laser
strahls Ls bzw. zur Fokussierung des vom Ablenkspiegel As2 um
gelenkten Laserstrahls auf die Oberfläche eines zu beschriften
den Gegenstandes kann im Strahlengang vor bzw. nach den Ablenk
spiegeln angeordnet sein. Der zu beschriftende Gegenstand be
findet sich dabei parallel zur Zeichenebene. Die Ablenkspiegel
Asz, As1, As2 weisen jeweils eine identische, rechteckige Form
mit den Abmessungen B für die Spiegelbreite und H für die Spie
gelhöhe sowie gegebenenfalls mit abgerundeten Ecken auf und
sind auf identischen Ablenkmotoren, beispielsweise Galvanome
termotoren, montiert.
Der im Vergleich zu bekannten Anordnungen mit jeweils zwei Ab
lenkspiegeln zusätzlich vorhandene Ablenkspiegel Asz ist zur
Ablenkung des eintreffenden Laserstrahls Ls in der x-Richtung
in Richtung des Doppelpfeiles x′ drehbar, so daß bei Auslenkung
des Ablenkspiegels Asz um einen mechanischen Drehwinkel α aus
seiner Ruheposition, die hier beispielhaft zu 45° festgelegt
ist, der Laserstrahl gemäß der gestrichelten Linie auf den
nächstfolgenden Ablenkspiegel As1 trifft. Wird der Ablenkspie
gel As1 ebenfalls um einen zugehörigen mechanischen Drehwinkel
aus seiner 45°-Stellung ausgelenkt, so kommt es zu einer erneu
ten Ablenkung des Laserstrahls, jedoch auf den Ablenkspiegel
As2. Der Ablenkspiegel As1 ist ebenfalls in Richtung des Dop
pelpfeiles x′ drehbar, wobei die Drehachsen der Ablenkspiegel
Asz, As1 in parallel zueinander verlaufenden Richtungen im Ab
stand E voneinander entfernt sind.
Vom Ablenkspiegel As1 wird der Laserstrahl in einem Ablenkwin
kel δ auf den Ablenkspiegel As2 abgelenkt, wobei im Gegensatz
zu bekannten Anordnungen, bei denen der erste von zwei Ablenk
spiegeln um einen mechanischen Drehwinkel ausgelenkt wird,
den Zielpunkt Z in der Mitte der Spiegeloberfläche trifft. Dabei
gilt für den Ablenkwinkel δ die Winkelbeziehung
w = 2β-2α
Der Ablenkspiegel As2 ist zum Zwecke der Ablenkung des Laser
strahls auf die Oberfläche des zu beschriftenden Gegenstandes
in Richtung des Doppelpfeiles y′ um eine Achse drehbar, die
senkrecht zur Drehachse des Ablenkspiegels As1 angeordnet und
von ihr im Abstand D entfernt ist. Die Abstände D, E zwischen
den auf ihren zugehörigen Drehachsen angeordneten Ablenkspie
geln As1, As2 sowie As1, Asz sind durch den Zusammenhang
D · sin δ = E · sin 2α
festgelegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Ablenkeinrichtung
sind die Abstände D, E identisch (D=E), so daß sich für die
Auslenkung der Ablenkspiegel Asz, As1 die Drehwinkel
ergeben. Das Ansteuersignal für die Auslenkung des zusätzlichen
Ablenkspiegels um den Drehwinkel α kann in einfacher Weise mit
Hilfe eines Operationsverstärkers (analog) oder durch Bitstel
lenverschiebung (digital) aus dem Ansteuersignal für die Aus
lenkung des ersten Ablenkspiegels um den Drehwinkel β abgelei
tet werden.
Eine Dimensionierung der Ablenkeinrichtung wird anhand eines
Beispiels durchgeführt, indem die Abmessungen Bz × Hz, B1 × H1,
B2 × H2 der zugehörigen Ablenkspiegel sowie die Abstände D, E
berechnet werden. In Abhängigkeit von einem Laserstrahl Ls mit
dem Durchmesser d sowie mit den zu den Ablenkspiegeln gehörigen
mechanischen Drehwinkeln ± α, ± β, ± y′ können allgemeine Beziehungen
angegeben werden. Damit der Lichtstrahl an den Ablenkspiegeln
Asz, As1, As2 jeweils nicht abgeschnitten wird, muß
gelten:
Bz ≧ d/sin (45°-α)
Hz ≧ d
B1 ≧ (d + E · sin 2α)/sin (45° + 2α - β)
B2 ≧ d
B2 ≧ d/sin (45°-y′)
H2 ≧ d/cos δ
Die Abstände D, E sind dabei so zu bemessen, daß der Ablenk
spiegel As1 weder in den Laserstrahl schneidet, noch den Ab
lenkspiegel As2 berührt.
Wegen günstiger Lagerung, Kosten usw. weisen die Ablenkspiegel
Asz, As1, As2 identische geometrische Abmessungen auf, so daß
Bz = B1 = B2 = B
Hz = H1 = H2 = H.
Für eine optimale Dimensionierung der Ablenkeinrichtung werden
die Ungleichungen durch Gleichungen ersetzt und die Abstände D,
E gleich gewählt. Somit resultieren die Formeln
B = d/sin (45° - y′)
H = d/cos y′
E = D = d
Geht man von einem Laserstrahl mit dem Durchmesser d=12 mm und
von Ablenkmotoren aus, die jeweils um einen maximalen mechani
schen Drehwinkel ±10° ausgelenkt werden können, so folgt aus
den oben genannten Formeln:
Bei Vergleich mit bekannten Ablenkeinrichtungen aus zwei Ab
lenkspiegeln ist festzustellen, daß die Spiegel der neuen Ab
lenkeinrichtung lediglich ungefähr halb so groß und somit deren
Trägheitsmomente noch kleiner sind.
Ein weiterer Vorteil der neuen Anordnung liegt darin, daß bei
Verwendung eines Planfeldobjektivs nach den Ablenkspiegeln
(preobjective scanning) die Eintrittspupille des Objektivs in
bezug auf die Lage des letzten Ablenkspiegels As2 exakt festge
legt werden kann. Dies wirkt sich gegenüber einer Anordnung mit
zwei Ablenkspiegeln, bei der die Pupille zwischen die beiden
Spiegel nur ungenau gelegt wird, in Form einer feineren Fokus
sierung besonders bei kleinem Verhältnis der effektiven Objek
tivbrennweite zum Laserstrahldurchmesser vorteilhaft aus.
Die Ablenkeinrichtung kann zur Beschriftung oder Abtastung
eines Gegenstandes eingesetzt werden. Beim Schreiben auf eine
Zieloberfläche durchläuft der von einer Lichtquelle erzeugte
Lichtstrahl die Ablenkeinrichtung, beginnend beim zusätzlichen
Ablenkspiegel, bis zum zweiten Ablenkspiegel, von dem er
schließlich auf den gewünschten Zielort abgelenkt wird.
Bei einem Lesevorgang ergibt sich für einen von der Zielober
fläche kommenden Lichtstrahl derselbe Strahlengang, jedoch
durchläuft er die Ablenkeinrichtung in umgekehrter Reihenfolge,
d. h. beginnend mit dem zweiten Ablenkspiegel.
Claims (5)
1. Einrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls (Ls) in ver
schiedene Richtungen mit jeweils um einen Drehwinkel unabhängig
voneinander auslenkbaren und auf verschiedenen Drehachsen in
einem Abstand (D) voneinander angeordneten Ablenkspiegeln (As1,
As2), von denen ein erster Ablenkspiegel (As1) den Lichtstrahl
(Ls) abhängig von seiner Auslenkung in einem Ablenkwinkel (δ)
auf einen zweiten Ablenkspiegel (As2) umlenkt, da
durch gekennzeichnet, daß ein zusätzli
cher Ablenkspiegel (Asz) vorgesehen ist, der in einem Abstand
(E) vor dem ersten Ablenkspiegel (As1) auf einer parallel zu
dessen Drehachse verlaufenden Drehachse angeordnet ist, und daß
der zusätzliche Ablenkspiegel (Asz) sowie der erste Ablenkspie
gel (Asz, As1) um Drehwinkel (α, β) auslenkbar sind, die aus dem
Ablenkwinkel (δ) und den Abständen (D, E) der Ablenkspiegel zu
einander durch die Beziehungen δ = 2B-2α und D·sinδ = E·sin2α
bestimmt werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Abstände (D, E) des ersten
Ablenkspiegels (As1) zum zusätzlichen Ablenkspiegel (Asz) so
wie zum zweiten Ablenkspiegel (As2) identisch sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß die geometri
schen Abmessungen der Ablenkspiegel (Asz, As1, As2) identisch
sind.
4. Einrichtung zum Schreiben auf eine Zieloberfläche unter Ver
wendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der von
einer Lichtquelle erzeugte Lichtstrahl (Ls) die Ablenkeinrich
tung vom zusätzlichen Ablenkspiegel (Asz) bis zum zweiten Ab
lenkspiegel (As2) durchläuft, von dem er auf die Zieloberfläche
abgelenkt wird.
5. Einrichtung zum Lesen von einer Zieloberfläche unter Verwen
dung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der von der
Zieloberfläche kommende Lichtstrahl die Ablenkeinrichtung, be
ginnend mit dem zweiten Ablenkspiegel (As2), bis zum zusätzlichen
Ablenkspiegel (Asz) durchläuft.
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