DE4221530A1

DE4221530A1 - Vorrichtung zum Reflektieren eines optischen Strahles

Info

Publication number: DE4221530A1
Application number: DE19924221530
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Ing Huonker
Original assignee: Kugler Feinmechanik & Opt GmbH
Current assignee: Kugler Feinmechanik & Opt GmbH
Priority date: 1992-06-16
Filing date: 1992-07-01
Publication date: 1993-12-23

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Spiegeln zum Reflektieren eines optischen Strahles für die Behandlung von Oberflächen, insbesondere zum Härten metallischer Werk stoffe.

Der Einsatz von Laserstrahlen als thermisches Werkzeug fin det einen zunehmenden Anwendungsbereich und ständig wach sende Anwenderkreise, dies vor allem infolge der beeindruckenden Flexibilität von Lasermaterialbearbeitungs systemen. So ist es möglich, mit einer einzigen Anlage - lediglich nach Wechsel des Strahlformers oder Variation verschiedener Betriebsparameter - so unterschiedliche technologische Eingriffe wie Schweißen, Schneiden, Bohren, Abtragen, Umschmelzen und Härten durchzuführen. Der Laser erlaubt, die für einen Prozeß benötigte Energie mit sehr hoher Präzision, örtlich sehr genau definiert und völlig kraftfrei in ein Werkstück einzuleiten und zwar - dank der hohen Leistungsdichte des Laserstrahls - in kürzester Zeit große Energiemengen. Die Folge sind gegenüber konventionel len Verfahren wesentlich höhere Prozeßgeschwindigkeiten bei minimalem Energieeinsatz. Dies führt dazu, daß angrenzende Werkstückbereiche von der Bearbeitung unbeeinflußt bleiben und damit die thermische Belastung des Werkstücks insgesamt sehr gering bleibt. Die bei allen konventionellen Verfahren üblichen Verzüge, die insbesondere beim Härten auftreten, können minimiert oder gar völlig vermieden werden. Das Laserhärten eignet sich besonders für Bearbeitungsaufgaben an Werkstücken, die bereits einen hohen Fertigungsgrad er reicht haben.

Für die Formung von Strahlung hoher Energiedichte, wie sie für die Lasermaterialbearbeitung benötigt wird, sind Bearbeitungsoptiken bekannt, mit denen auf dem Werkstück ein Brennfleck mit dem Bearbeitungszweck angepaßter Form und Intensitätsverteilung erzeugt werden soll. So liefert die defokussierte Schneid-/Schweißoptik einen runden Strahl mit einer Intensitätsverteilung über dem Strahlquerschnitt, die der Intensitätsverteilung in dem von der Strahlquelle kommenden Rohstrahl entspricht.

Der ebenfalls bekannte Kaleidoskopintegrator besteht aus einem innen verspiegelten prismatischen Rohr und erzeugt eine annähernd konstante Intensitätsverteilung über dem in der Regel rechteckigen Strahlquerschnitt.

Sogenannte Multifacettenintegratoren weisen einen Facetten spiegel auf, dessen Facetten Teilstrahlen auf einen Fleck reflektieren. Auch dieser Strahlformer erzeugt eine annähernd konstante Intensitätsverteilung über dem Strahlquerschnitt.

Bei einem Scanner aus einer oder mehreren beweglichen Spie gelflächen überstreicht der fokussierte Strahl den Arbeits fleck in der Regel zeilenweise, die mittlere Energievertei lung im abgescannten Bereich ist abhängig vom Bewegungsge setz des scannenden Strahls bzw. der Spiegel.

Galvanometerscannersysteme - bestehend aus mindestens zwei drehbar gelagerten Spiegeln, deren Drehachsen räumlich um 90° zueinander versetzt sind - können einen fokussierten Strahl in zwei Achsen ablenken. Die Spiegelbewegung ist steuerbar, so daß die Energieverteilung in der Arbeitsfläche variiert zu werden vermag. Die für das Laserhärten optimale Leistungs- bzw. Energieverteilung im abgescannten Bereich weist eine starke In tensitätsüberhöhung im vorderen Bereich (bezogen auf die Vorschubrichtung des Arbeitsflecks) auf, die eine rasche Erwärmung des zu härtenden Materials auf Austenitisierungs temperatur bewirkt. Der prinzipielle Nachteil einer solchen Anlage liegt darin, daß mit Schwingspiegelsystemen aufgrund der Trägheit der Spiegel keine ausreichend hohen Strahlablenkungsgeschwindigkeiten erzielbar sind. Eine zu niedrige Geschwindigkeit des fokussierten Strahls auf dem zu härtenden Werkstück läßt Probleme bei der Einkopplung und Verteilung der Energie in der Werkstückoberfläche entstehen. Als weiterer Mangel ist anzusehen, daß sich der Fokus des Strahls auf einer Kreisbahn um die Spiegelachse bewegt. Da die zu behandelnden Werkstücke in der Regel eben sind, ändert sich der Strahlquerschnitt und damit die Strahlintensität während eines Bearbeitungszyklusses laufend. Dies führt zu örtlich variierender Bearbeitungsqualität.

Im übrigen gehört es zum liquiden Wissenstand, daß eine ge ringe Intensitätsüberhöhung an den Seitenrändern des Strahls den seitlichen Wärmeabfluß kompensiert, was zu ei ner lehnstuhlartigen Intensitätsverteilung führt.

Den oben erwähnten Vorteilen beim Einsatz des Lasers als Werkzeug in der industriellen Fertigung stehen allerdings auch hohe Kosten und ein niedriger Wirkungsgrad bei der Strahlerzeugung als Mängel gegenüber; die hohen Gestehungs kosten des Laserstrahls schränken dessen Verwendung deshalb ein auf Anwendungen, die entweder anderweitig gar nicht re alisierbar sind oder bei denen eine hohe Präzision, hohe Produktqualität, hohe Produktivität oder ein anderer Vorteil gegenüber konventionellen Verfahren ungünstige Ko sten tatsächlich rechtfertigt. Um die unbestreitbaren Vor teile der Lasermaterialbearbeitung für einen breiten Anwen dungsbereich nutzbar zu machen, muß ihre Effektivität wei ter verbessert werden.

Zur Lösung dieser vom Erfinder gesehenen Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Patentanspruches. Weiterführungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Dank dieser erfindungsgemäßen Lehre kann nun die Strahl fleckgeschwindigkeit im Brennfleck gegenüber den mit Galva nometerscannern erzielbaren Werten merklich erhöht, der Fo kusradius auf der Werkstückoberfläche möglichst konstant gehalten sowie die Übertragung von Laserstrahlung im Multikilowattbereich ermöglicht werden. Zudem können ver schiedene variierbare Brennfleckgeometrien erzeugt sowie die Intensitätsverteilung im Brennfleck variabel gestaltet werden.

Erfindungsgemäß wird eine um eine Achse drehbar und in Draufsicht polygone Scheibe - oder ein anderer Körper, etwa ein Rad in Pyramidenform, also mit nicht konstantem Durchmesser - mit von jeweils zwei Ecken des Polygones nach innen ausgehenden Flanken eingesetzt, die miteinander einen Winkel zwischen etwa 80° und 100° - bevorzugt einen rechten Winkel - einschließen und über wenigstens einen Teil der Höhe dieses Polygonrades als einander zugewandte Spiegelflächen ausgebildet sind.

Es wird also ein Polygonspiegelscanner mit als zweiachsige Retroreflektoren ausgeführten Facetten aus einem Spiegelflächenpaar vorgeschlagen mit einem - zum Erzielen einer hohen Auflösung - möglichst großen Verhältnis von Facettenbreite zu Strahldurchmesser bei kleinen Abmessungen des Polygonrades sowie mit möglichst großem Strahlquerschnitt zur Reduktion der auf den Spiegel treffenden Strahlleistungsdichte.

Vorteilhafterweise wird eine einachsige Fokussierung vorgenommen, die bewirkt, daß der einfallende Strahl als Linienfokus mit geringer Ausdehnung in der Umfangsrichtung des Polygons und großer Ausdehnung in der Achsrichtung des Polygons auf die Spiegelflächen trifft.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird zur Laserma terialbearbeitung eine zweite Strahlablenkeinheit - beispielsweise ein herkömmlicher Galvanometerscanner - mit dem oben genannten Polygonspiegelscanner kombiniert, um eine zweiachsige Strahlablenkung anzubieten. Bevorzugt wird die beim Laserhärten geforderte hohe Strahlablenk- bzw. Strahlfleckgeschwindigkeit in einer einzigen Achse mit dem erfindungsgemäßen Polygonspiegelscanner erzeugt, wobei die Ablenkrichtung senkrecht zur Vorschubrichtung des abgescannten Bereichs auf der zu behandelnden Werkstückoberfläche liegt; mit der zweiten Ablenkeinheit wird eine Ablenkbewegung in Vorschubrichtung hergestellt, die einem vom Anwender definierten Bewegungsgesetz folgt, so daß eine dem Bearbeitungszweck angepaßte Energieverteilung im abgescannten Bereich entsteht.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, dem Polygonrad ein fokus sierendes oder defokussierendes optisches Element - etwa einen Fokussierspiegel - nachzuordnen, mit welchem sowohl gewisse Strahlparameter als auch die Ausdehnung des abgescannten Bereichs beeinflußt werden können.

Zudem hat es sich als günstig erwiesen, durch Kombination des Polygonrades mit einer Lichtsende- und Empfangseinheit eine Positionsabfrage des Polygonrades zu ermöglichen, welche ein Signal zum Triggern von Bearbeitungsparametern - z. B. Variation der Laserleistung zum Erzeugen der seitlichen Intensitätsüberhöhung im Arbeitsbereich - zu liefern vermag.

Es hat sich gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrich tung durch Kombination mit geeigneten fokussierenden oder defokussierenden optischen Elementen ein modularer Ausbau des Systems zu einer Mehrzweck-Materialbearbeitungsoptik möglich ist, die sich außer zum Laserhärten auch zum Um schmelzen, Abtragen, Pendelschweißen, Legieren, Dispergie ren, Beschichten oder Glasieren eignet.

Mit der Vorrichtung nach der Erfindung und den damit durch zuführenden Verfahren sind gegenüber den bekannten Schwing spiegel- und Galvanometerscannern noch die anschließend aufgelisteten Vorteile zu erreichen:

- Strahlung hoher Leistung (einige KW) handhabbar;
- Spiegel einfach und aus einem einzigen Stück herstellbar;
- geeignet für sehr hohe Strahlablenkge schwindigkeiten bzw. Scanfrequenzen;
- austretender Strahl macht eine Paral lelversatzbewegung, dadurch Vermeidung optischer Fehler durch Winkelablenkung;
- Eigenkühlung durch Rotationsumströmung;
- Fokus eines fokussierten Strahls bewegt sich in einer Ebene, dadurch keine Kor rektur der Fokuslage durch Flachfeldop tiken erforderlich;
- bei gleichbleibender Drehzahl des Poly gonrades gleichförmige Strahlbewegung; es erfolgt keine sinusförmige Geschwin digkeitsänderung bei sich änderndem Ab lenkwinkel, wie dies bei Scannern mit ebenen Spiegeln der Fall ist, und auch keine Geschwindigkeitsänderung durch überlagerte Schwingungseffekte - wie bei Schwingspiegelscannern -;
- mangels Umkehrpunkten der Bewegung ent fällt der Stillstand des Strahlflecks;
- kleines Polygon und damit nur geringe Antriebsleistung erforderlich durch Zwischenfokussierung;
- geringe Wärmebelastung des Polygonrades durch großen Strahlquerschnitt aufgrund einachsiger Zwischenfokussierung;
- Aufspaltung der Funktionen "Hohe Ab lenkgeschwindigkeit erzeugen" und "Energieverteilung modulieren" auf zwei verschiedene Scannertypen;
- Einsatz des Polygonrades auch für Zwecke der Bild- bzw. Signalverarbei tung und Meßtechnik.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann im Rahmen der Erfindung in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt werden. So ließe sich der Scanner etwa in der Signal- und Bildverarbeitung wegen des parallelen Strahlversatzes sehr vorteilhaft einsetzen, ebenso in der Meßtechnik.

Es gibt beispielsweise ein Meßprinzip zur Durchmesserbestimmung von rotationssymmetrischen Teilen, das darauf beruht, daß ein mit bekannter Geschwindigkeit parallel schwingender Strahl senkrecht zur Achse des Teils bewegt wird. Über die Messung der Abschattungszeit kann dann sehr genau auf den Durchmesser des Objektes geschlossen werden. Mit einem gegebenenfalls mit weniger Facetten leicht modifizierten Polygonscanner könnte man diesen parallelschwingenden Strahl sehr elegant erzeugen, vor allem den Strahl vermutlich "paralleler" und dessen Versatzgeschwindigkeit gleichförmiger machen als mit dem herkömmlichen Verfahren.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus führungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 eine Skizze einer Bearbeitungssta tion für Werkstücke mittels eines Laserstrahles;

Fig. 2 ein axonometrisches Diagramm einer Intensitätsverteilung auf dem Werkstück;

Fig. 3 ein entsprechendes Diagramm der Temperaturverteilung zu Fig. 2;

Fig. 4, 5 axonometrische Diagramme in zuein ander entgegengesetzten Blickrich tungen einer anderen Intensitäts verteilung;

Fig. 6 die Temperaturverteilung zu Fig. 4, 5;

Fig. 7 die Draufsicht auf einen um eine Achse drehbaren Spiegel;

Fig. 8 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 7;

Fig. 9 die Seitenansicht zu Fig. 7;

Fig. 10 Schema eines Strahlenganges mit elliptischem Strahlquerschnitt;

Fig. 11 bis Fig. 12 Schema eines Strahlenganges in Grund- und Aufriß mit zweiachsiger Strahlfokussierung;

Fig. 13 eine der Fig. 11 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführung.

Die Fig. 1 bis 6 sind angelehnt an eine Dissertation des Institutes für Strahlwerkzeuge, Univ. Stuttgart, 1988 von D. Burger, "Beitrag zur Optimierung des Laserhärtens".

Eine Bearbeitungsstation 10 für ein Werkstück 12 mittels eines Laserstrahles 14 läßt in Fig. 1 eine - einen Resonator 16, ein laseraktives Medium und eine Anregungseinrichtung aufweisende - Strahlquelle 18 erkennen sowie ein Strahlführungssystem 20, das den im Resonator 16 erzeugten Laserstrahl 14 mittels eines Systems aus Spiegeln 22 zu dem auf einem Schlitten 24 bewegbaren Werkstück 12 leitet. Diesem ist ein Strahlformer 26 vorgeschaltet, welcher den von der Strahlquelle 18 erzeugten und vom Strahlführungssystem 20 an das Werkstück 12 geleiteten Rohstrahl so formt, daß die Energie des Laserstrahls 14 in einer für die vorzunehmende Bearbeitung geeigneten Art und Weise auf das Werkstück 12 trifft. In der Zeichnung vernachlässigt sind Teile für die Steuerung und Regelung der Abläufe, zur Kühlung und zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen Laserstrahl 14 und Werkstück 12.

Der zum Werkstück 12 benachbarte Strahlformer 26 erlaubt es, den ankommenden Rohstrahl dem Bearbeitungszweck anzu passen, beispielsweise für Schweiß-, Bohr- und Schneidvor gänge den Laserstrahl sehr eng zu bündeln, wobei im Brenn punkt Intensitäten zwischen 10⁶ und 10⁸ W/cm² auftreten. Beim Härten benötigt man einen geringen Leistungsbetrag je Fläche (10³-10⁴ W/cm²), möchte aber größere Bereiche, also breitere Bahnen, am Stück behandeln. Dazu weitet man den Laserstrahl 14 auf zu einem möglichst rechteckigen Querschnitt, um sicherzustellen, daß seine Verweildauer beim Überstreichen des Werkstücks 12 an allen Stellen gleich ist. Außerdem war man bislang bestrebt, dem Laserstrahl 14 ein möglichst gleichmäßiges Intensitätsprofil zu geben. Bei Schwingspiegelscannern etwa wird der Laserstrahl 14 von einem ersten Schwingspiegel auf einen zweiten und von diesem auf das Werkstück 12 reflektiert; die Drehachsen dieser beiden drehbar gelagerten Spiegel sind räumlich um 90° zueinander versetzt. Werden die Spiegel in Drehschwingungen versetzt, schwingt die Strahlachse nach Reflexion an beiden Spiegeln um zwei Achsen - der Laserstrahl 14 bewegt sich auf dem Werkstück 12 in einem rechteckartigen Bereich, dessen Seitenlängen durch die Amplituden der Spiegelschwingungen und den Abstand zwischen den Scannerspiegeln und dem Werkstück 12 bestimmt werden bei einer maximalen Bewegungs frequenz der Spiegel von wenigen 100 Hz.

Bei einer konstanten Intensitätsverteilung nach Fig. 2 - bei einem Vorschub gleich der negativen x-Achse - läßt sich die Temperaturverteilung an der Werkstückoberfläche beim Strahlscannen entsprechend Fig. 3 berechnen. Die Vorschubrichtung ist gleich der negativen -Achse. Fig. 3 zeigt die für das Scannen charakteristische Intensitätsverteilung. Der Scanner hat den Vorteil großer Flexibilität, da er durch Änderung der Spiegelauslenkung eine vielfältige Variation der Brennfleckform und -größe erlaubt.

Nachteilig ist, daß durch die hohe Intensität des scannenden Strahls, verbunden mit der relativ geringen Strahlablenkgeschwindigkeit die Oberflächentemperatur kurzzeitig sehr stark erhöht wird und dadurch das den Einkopplungsvorgang unterstützende Coating teilweise verdampft oder verbrannt wird. Bei diesem Coating handelt es sich i.d.R. um eine wenige µm dicke Graphitschicht zur Verbesserung der Strahlenabsorption.

Infolge der Sinusschwingungen der Spiegel ist deren momentane Winkelgeschwindigkeit in den Umkehrpunkten der Schwingung Null. Daraus resultiert eine größere mittlere Aufenthaltsdauer des Laserstrahls 14 und damit eine Überhö hung der mittleren Intensität an den Rändern und insbeson dere an den Ecken des Brennflecks.

Eine Optimierung der Temperaturverteilung auf einem Werk stück 12 aus Stahl führt zu anderen Intensitäts- und Tempe raturverteilungsverhältnissen. Die das Laserhärten charak terisierenden Umwandlungen erfolgen in sehr kurzen Zeiten, weshalb zum Erzielen einer homogenen Kohlenstoffverteilung und damit eines optimalen Härteergebnisses allenthalben auf der zu härtenden Oberfläche ein möglichst hohes Temperatur niveau vorliegen muß. Dabei darf die Oberfläche des Werk stücks 12 zur Meidung von Rißbildungen, Gefüge- oder Ober flächenschädigungen nicht aufschmelzen. Zudem muß etwa bei der Behandlung von Gußwerkstoffen auch auf niedrigschmel zende Gefügebestandteile Rücksicht genommen werden.

Die kurzen Aufheiz- und Haltezeiten wirken sich insofern vorteilhaft auf das Härteergebnis aus, als die Gefahr der Grobkornbildung und der Korngrenzenoxidation - beides Vor gänge, die auch bei den vorliegenden hohen Temperaturen längere Zeiten benötigen - relativ gering ist.

Unter Berücksichtigung der durch den Werkstoff festgelegten oberen Grenztemperatur, der Schmelztemperatur, und einer durch den Vorschub und die Geometrie des abgescannten Bereichs vorgegebenen Einwirkzeit soll möglichst viel Leistung in das Werkstück eingekoppelt werden:
P = max.

Beim Standhärten ist die Einwirkzeit des Laserstrahls 14 gleich der Einschaltzeit; bei bewegtem Laserstrahl 14 er gibt sich die Einwirkdauer t aus der Beziehung
t=1/V.

Demnach wird in ein kleines Oberflächenelement dxdy die Leistung
n q dxdy = nαI(x, y)dxdy
eingebracht. Die übertragene Strahlleistung muß gleich dem in das Innere des Werkstücks 12 abfließenden Wärmestrom sein:
n q(x, y, O) dxdy = nj(x, y, O)dxdy.

Die Wärmeleitung in das Innere des Werkstückes 12 läßt sich mit der Gleichung für stationäre Wärmeleitung beschreiben:
n j(x, y, O)dxdy = n (-R) grad T dxdy.

Aus Gründen der Energieerhaltung muß sein:
n a l(x,y)dxdy = n (-R) grad T dxdy.

Damit die Ausgangsforderung erfüllt ist und möglichst viel Energie in das Werkstück 12 eingebracht wird, muß gelten:
n (-R) grad T dxdy = max.

Diese Bedingung ist erfüllt, wenn der Normalenvektor und der Temperaturgradient entgegengesetzte Richtungen haben:
-n || grad T.

Es sollte folglich nur ein Temperaturgefälle zum Inneren des Werkstücks 12 hin vorhanden sein; demnach muß in der bestrahlten Zone die Temperatur an der Oberfläche überall konstant sein. Damit ergeben sich die in Fig. 4 dargestell ten Bedingungen für die Intensitätsverteilung mit einer starken Überhöhung an der Vorderseite der bestrahlten Zone; dies führt zu einer sofortigen Erwärmung und damit Austeni tisierung schon zu Beginn der Strahleinwirkzeit auf dem be trachteten Flächenelement. Auf diese Weise kann der größte Teil der Strahleinwirkzeit zur Kohlenstoffdiffusion genutzt werden. Die Intensitätsüberhöhung an den Seiten des Strahls ist notwendig, um die Verluste durch Wärmeleitung quer zur Vorschubrichtung auszugleichen. Die sich ergebende Sessel form für die Intensitätsverteilung ergibt sich auch für an dere Strahlquerschnitte bzw. -formen sowie ebenfalls für andere Vorschubgeschwindigkeiten als die der Rechnung zu grundegelegte Vorschubgeschwindigkeit von 10 mm/sec. Das zu dieser etwa sesselförmigen Intensitätsverteilung gehörende Temperaturfeld ist in Fig. 6 wiedergegeben, wobei die Vor schubrichtung gleich der negativen X-Achse ist.

Ein Spiegelsystem zum Erzeugen solcher Intensitätsvertei lungen zeigen die Fig. 7, 8 anhand eines scheibenartigen Polygonrades 30, das - hier gegen den Uhrzeigersinn - um eine Achse A drehbar ist. Dieses Polygonrad 30 einer Höhe h von hier etwa 26 mm läßt in Draufsicht innerhalb eines äußeren Konstruktionsdurchmessers d von beispielsweise 50 mm zwölf Zähne 32 erkennen, deren Spitzen 33 einen inneren Konstruktionsdurchmesser e von hier etwa 35 mm bestimmen und deren Flankenflächen 34 miteinander rechte Winkel w einschließen; diese Flankenflächen 34 sind als Spiegel ausgebildet. Ein auf eine Flanken- oder Spiegelfläche 34 auftreffender Strahl Q wird von der benachbarten Spiegelfläche 34 in Draufsicht - beidseits einer Radialebene E - parallel als Q′ reflektiert. Fig. 8 läßt erkennen, daß der Einfallwinkel t des einfallenden Strahles Q zu einer rechtwinkelig zur Achse A verlaufenden Ebene H gleich dem Ausfallwinkel t′ ist; der Strahl 14 bzw. Q muß lediglich in einer Ebene parallel reflektiert werden.

Der Parallelabstand k zwischen dem einfallenden Strahl Q sowie dem austretenden Strahl Q′ hängt ab vom Abstand n des Schnittpunktes der Strahlachse des einfallenden Stahls Q mit der Oberfläche der zuerst getroffenen Spiegelfläche 34 von der Schnittlinie 36 der beiden benachbarten Spiegelflächen 34.

Rotiert das Polygonrad 30 um seine Achse A, so verändert sich dieser Abstand k in Abhängigkeit von dem bei der Dre hung überstrichenen Winkel solange, bis sich ein Spiegel paar 34/34 vom einfallenden Strahl Q so weit weggedreht hat, daß dieser auf das nächste Spiegelpaar 34/34 trifft und sich der Vorgang wiederholt. Der Abstand k zwischen einfallendem und austretendem Strahl Q bzw. Q′ variiert damit im Bereich von Null bis zum 1.41-fachen der Breite b einer Spiegelfläche 34, d. h. die Achse des austretenden Strahls Q′ bewegt sich zwischen zwei Punkten, die den Abstand b (2.82 * Spiegelbreite) haben auf einer geraden bzw. leicht bogenförmigen Bahn. Der Strahl Q bewegt sich dabei immer in dieselbe, durch die Drehbewegung des Polygonrades 30 vorgegebene Richtung.

Auf diese Weise wird erreicht, daß der austretende Strahl Q′ eine periodische Parallelversatzbewegung ausführt, die zum Abtasten oder Scannen von Linien mit festgelegter Länge genutzt zu werden vermag.

Um eine möglichst hohe Strahlablenkgeschwindigkeit zu er zielen, muß sich das - zum Erzeugen einer hohen Reflekti vität bevorzugt aus Kupfer gefertigte - Polygonrad 30 mit hoher Drehzahl um seine Achse drehen. Sein Antrieb soll wenig Leistung erfordern, was durch einen möglichst geringen Durchmesser d erreicht wird. Zudem ist es aus Kostengründen sinnvoll, das Polygonrad 30 auf nicht mehr als zwölf Spiegelpaare 34 oder Facetten zu beschränken.

Aus verschiedenen Gründen wird gefordert, den Strahldurch messer gegenüber der Facettenlänge in Umfangsrichtung klein zu halten, wobei man in der Regel von einem Verhältnis von Facettenlänge zu Strahldurchmesser von 5 bis 10 zu 1 ausgeht, damit der Strahl Q möglichst lange ganz auf je weils einer Facette 34/34 verweilt. Es kommt zu einer Mini mierung der beim Übergang von einer Facette 34/34 auf die andere auftretenden Beugungseffekte, außerdem wird eine eventuelle Strahlleistungsmodulation quer zur Vorschubrich tung erleichtert. Im übrigen bedingt ebenfalls die Forde rung nach einem möglichst kleinen Polygonrad 30 - und da mit kleinen Facetten 34/34 -, daß der Strahldurchmesser in Umfangsrichtung klein sein muß. Dem steht jedoch entgegen, daß ein Strahl Q mit kleinem Querschnitt eine sehr hohe Leistungsdichte (ca. 10⁵ W/cm²) aufweist sowie von einer relativ kleinen, schlecht kühlbaren Spiegelfläche 34 reflektiert werden müßte, was zu thermischen Problemen führt.

Um die thermische Spiegelbelastung zu minimieren, wird der Strahlquerschnitt bzw. -Radius mittels eines Zylindertele skops nur in einer Achse reduziert, und erhält so einen - in Fig. 10 bei B verdeutlichten - schlanken, ellipsenför migen Strahlquerschnitt, dessen Strahldurchmesser bezogen auf die Facettenbreite b in Umfangsrichtung sehr gering ist. Die langgezogene Ellipse B, deren andere Achse mit h₁ bezeichnet ist, weist dennoch eine deutlich größere Quer schnittsfläche auf als ein entsprechender runder Quer schnitt, was die thermische Belastung der Spiegel 34 deut lich reduziert; gemäß Fig. 10 kann das Polygonrad 30 bei relativ großem Verhältnis von Facettengröße zu Strahldurch messer trotzdem klein im Durchmesser gehalten werden. Die Verwendung eines Zylinderteleskops bewirkt natürlich, daß der Strahl Q_e astigmatisch wird und deshalb in zwei Achsen fokussiert werden muß, was vorliegend unproblematisch bleibt.

Fig. 11, 12 geben schematisch den Strahlengang mit zweiachsiger Strahlfokussierung getrennt für beide Achsen x, y wieder. In der einen Achse X sind gemäß Fig. 11 ein den Strahldurchmesser in einer Achse reduzierendes Zylin derteleskop 40 mit zwei Spiegeln 41, 42 zu erkennen, daran anschließend das Polygonrad 30 und schließlich ein Fokussierspiegel 44 für die gezeigte Achse - bei einer nicht dargestellten Ausführungsform kann im übrigen für die zweite Achse Y ein zusätzlicher Fokussierspiegel eingesetzt werden. Der erste Teleskopspiegel 41 ist gleichzeitig der Fokussierspiegel für die zweite Achse Y (Fig. 12), ist also als astigmatischer Spiegel konzipiert. Somit kann ein gesonderter Fokussierspiegel für die zweite Achse Y einschließlich Zubehör eingespart werden. In beiden Achsen X, Y ist die Abbildungsebene mit Z bezeichnet, in Fig. 12 ein Schwingspiegel als eine zweite Ablenkeinheit zudem mit 46.

Nach dem Austritt aus dem Zylinderteleskop 40 hat der Strahl - bedingt durch die Verringerung des Querschnitts - eine größere Divergenz als beim Eintritt. Deshalb soll der Abstand m zwischen dem zweiten Teleskopspiegel 42 und dem Polygonrad 30 möglichst gering bleiben, damit sich der Strahl unterwegs nicht zu sehr aufweitet. Im anschließenden Strahlengang ist diese Divergenz wiederum günstig; denn dadurch wird die Fokussierbarkeit des Strahls verbessert.

Der Strahl sollte in der Ebene, die parallel zur Polygonachse steht, unter möglichst kleinem Winkel, d. h. möglichst senkrecht, auf das Polygonrad 30 auftreffen, da der abgelenkte Strahl keine geradlinige Bewegung ausführt; es tritt sonst noch eine Ablenkkomponente senkrecht zur vorgesehenen Ablenkrichtung auf.

Das vor dem Polygonrad 30 angeordnete Zylinderteleskop 40 sollte aus praktischen Erwägungen möglichst lang sein; ein langes Teleskop benötigt Spiegel mit großer Brennweite, was besonders beim zweiten - konvexen - Teleskopspiegel 42 günstig ist, da Spiegel mit sehr kurzen Brennweiten schwierig herzustellen sind. Deshalb sollte der erste Teleskopspiegel 41 in größerer Entfernung vor dem Polygonrad 30 angeordnet sein.

Die gesamte Scannereinrichtung kann direkt in eine Be arbeitungsstation integriert werden. Dann muß der erste Teleskopspiegel 41 an geeigneter Stelle in den Strahlengang eingefügt werden; der erste Teleskopspiegel 41 ist innerhalb der Bearbeitungsstation vorgesehen.

Fig. 13 läßt eine Ausführung erkennen, bei welcher der Spiegel 42 mit dem Fokussierspiegel 44 bei 43 zusammengefaßt ist.

Bei der Berechnung der notwendigen Brennweiten muß darauf geachtet werden, daß sich bei schrägem Einfall die Brenn weiten der Spiegel verändern. Fällt der Strahl in der Ach senebene schräg ein, so verkürzt sich die Brennweite, fällt der Strahl in der zur Achsenebene senkrecht stehenden Ebene schräg ein, so verlängert sie sich.

Claims

1. Vorrichtung mit Spiegeln zum Reflektieren eines opti schen Strahles für die Behandlung von Oberflächen, insbesondere zum Härten metallischer Werkstoffe, gekennzeichnet durch eine um eine Achse (A) drehbare und in Draufsicht polygone Scheibe (30) mit von jeweils zwei be nachbarten Ecken (33) des Polygones nach innen ausge henden Flanken, die miteinander einen Winkel (w) zwi schen etwa 80° und 100° einschließen und über wenig stens einen Teil der Höhe (h) der polygonen Scheibe (30) als Spiegelflächen (34) ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von den benachbarten Spiegelflächen (34) einer Spiegelfacette (34/34) begrenzte Winkel (w) etwa ein rechter Winkel ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwölf Spiegelfacetten (34/34).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des äußeren Durch messers (d) der polygonen Scheibe (30) zu deren von den Schnittlinien (36) der Spiegelpaarung (34, 34) bestimmten inneren Durchmesser (e) etwa 1,3 bis 1,5 beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Höhe (h) der Scheibe (30) zu ihrem äußeren Durchmesser (d) etwa 1 : 2 beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn zeichnet durch eine einachsige Fokussierung, bei wel cher ein einfallender Strahl (Q) als Linienfokus mit geringer Ausdehnung (a) in Umfangsrichtung der Scheibe (30) und mit großer Ausdehnung (h₁) in Richtung der Achse (A) auf die Spiegelfläche (34) auftreffbar vor gesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn zeichnet durch eine weitere Strahlablenkungseinheit (40), welche die polygone Scheibe (30) zu einer zweiachsigen Strahlablenkungseinrichtung ergänzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Scheibe (30) ein Zylinderteleskop (40) mit zwei Teleskopspiegeln (41, 42) unterschiedli chen Durchmessers vorgeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der größere Teleskopspiegel (41) der einen Achse (X) in der anderen Achse (Y) einen Fokus sierspiegel bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fokussierspiegel (41) der anderen Achse (Y) ein Schwingspiegel (46) nachgeordnet ist.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der polyongalen Scheibe (30) ein fokussierendes oder defokussierendes optisches Element (44) nachgeordnet ist, mit welchem sowohl gewisse Strahlparameter als auch die Ausdehnung des abgescannten Bereichs beeinflußbar sind.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibe (30) auf der dem Zylinderteleskop (40) entgegengesetzten Seite ein Fokussierspiegel (44) nachgeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkrichtung der Spiegelflä che/n (34) senkrecht zur Vorschubrichtung des abges cannten Bereiches auf der zu behandelnden Oberfläche des Werkstücks (12) liegt und mit der weiteren Strahl ablenkungseinheit (40) eine Ablenkbewegung in Vor schubrichtung erzeugbar ist, die einem definierten Be wegungsgesetz folgt, und mit der eine für den Bearbei tungszweck vorgegebene Energieverteilung im abgescann ten Bereich steuerbar ist.

14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibe (30) eine Lichtsende- und Empfangseinheit zugeordnet ist, welche ein Signal liefert, das zum Triggern von Bearbeitungs parametern einsetzbar ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Variierbarkeit der Laserleistung zum Erzeugen der seitlichen Intensitätsüberhöhung im Arbeitsbereich.

16. Verwendung der Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Oberflächenwärmebehandlung.

17. Verwendung der Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16 für die Bild- und Signalverarbeitung.

18. Verwendung der Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16 in der Meßtechnik.