DE4026130C2

DE4026130C2 - Einrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE4026130C2
Application number: DE4026130A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Verboven
Original assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Current assignee: Rafin Sinar Laser 22113 Hamburg De GmbH
Priority date: 1990-08-17
Filing date: 1990-08-17
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2010-08-18
Also published as: DE4026130A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls in ver schiedene Richtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 wie sie beispielsweise aus der US-Patentschrift 4,874,215 bekannt ist.

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 δ/2 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.

Zum Scannen mittels eines Laserstrahls sind beispielsweise aus den US-Patent schriften 4 477 152 und 4 874 215 auch Ablenkeinrichtungen bekannt, die mehr als zwei Ablenkspiegel umfassen. Eine Vermeidung oder eine Verringerung von Verzerrungen wird jedoch auch durch diese bekannten Einrichtungen nicht erzielt.

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.

Durch Auslenkung des zusätzlichen sowie des ersten Ab lenkspiegels um jeweils einen bestimmten, in Patentanspruch 1 angegebenen 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 identisch.

Andere Weiterbildungen der Erfindung 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 zusätzliche 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 erneuten 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 δ/2 ausgelenkt wird, den Zielpunkt Z in der Mitte der Spiegeloberfläche trifft. Da bei gilt für den Ablenkwinkel δ die Winkelbeziehung

δ = 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 . sin2α

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 α = δ/2, β = δ 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 Bezie hungen angegeben werden. Damit der Lichtstrahl an den Ablenk spiegeln Asz, As1, As2 jeweils nicht abgeschnitten wird, muß gelten:

Bz ≧ d/sin (45° - α)
Hz ≧ d
B1 ≧ (d + E . sin2α)/sin (45° + 2α - β)
H1 ≧ d
B2 ≧ d/sin (45° - y')
H2 ≧ d/cosδ

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.

E = d/2 + (B1/2) sin (45° - β)
D = (B1/2) sin (45° - β) + (B2) sin (45° - y')

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:

β = y' = 10° = δ
α = δ/2 = 5°
E = D = 12 mm
H = 12,2 mm
B = 20,9 mm.

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 Ve

rwendung 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

1. Einrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls (Ls) in verschiedene Richtungen mit jeweils um einen Drehwinkel unabhängig voneinander auslenkbaren und auf verschiedenen Drehachsen in einem Abstand (D) voneinander angeordne ten 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, wobei ein zusätzlicher Ablenkspie gel (Asz) vorgesehen ist, der in einem Abstand (E) vor dem ersten Ablenkspie gel (As1) auf einer parallel zu dessen Drehachse verlaufenden Drehachse an geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel (β) des ersten Ab lenkspiegels (As1) und der Drehwinkel (α) des zusätzlichen Ablenkspiegels (Asz) aus dem Ablenkwinkel (δ) und den Abständen (D, E) der Ablenkspiegel zueinander durch die Beziehungen δ = 2β - 2α und D . sinδ = E . sin2α festgelegt sind.

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.