DE4231489A1

DE4231489A1 - Mirror with a concave surface for producing an intensity distribution - with a non-spherical mirror surface built up of strips set at an angle to one another

Info

Publication number: DE4231489A1
Application number: DE19924231489
Authority: DE
Inventors: Joachim Arnold
Original assignee: Kugler Feinmechanik & Opt GmbH
Current assignee: Kugler Feinmechanik & Opt GmbH
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1994-03-24

Abstract

The mirror (12) with a concave surface for producing an intensity distribution, in particular, a homogeneous intensity distribution of radiation over the application region, primarily for hardening and melting of materials, is characterised by a polygonal line sequence forming the cross section of the non-spherical mirror surface (10) which is built up of strips set at an angle to one another. Controlled astigmatism is introduced for surface treatment of workpieces. The corner points of the polygonal line sequence lie on a rotationally symmetric curve. This line sequence determines a principal plane (N) of the mirror (12) set at an angle (W) to a horizontal reference plane (H). The strips forming the mirror surface have the same width. The reflected rays (S) from the strips are line-integrated on an axis (R or Q). USE/ADVANTAGE - For welding, surface treatment, zone melting, etc.. Treatment of workpieces with radiation is improved through homogeneous intensity distribution over the application region.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiegel mit konkaver Spiegeloberfläche zur Herstellung einer Intensitätsvertei lung in einem Arbeitsabstand, insbesondere einen Arbeits spiegel zur Erzeugung homogener Intensitätsverteilungen an einer Abbildungsstelle, zur Wärmebehandlung von Werkstoffen mittels Strahlung, bevorzugt zum Härten und Schmelzen von Werkstoffen. Zudem erfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Behandeln eines Werkstückes, beispielsweise eines metalli schen Werkstückes.The invention relates to a concave mirror Mirror surface for the production of an intensity distribution at a working distance, especially a working distance mirror to generate homogeneous intensity distributions an imaging point, for the heat treatment of materials by means of radiation, preferably for hardening and melting Materials. The invention also relates to a method for Treating a workpiece, such as a metal workpiece.

Es ist bekannt, beispielsweise Neodym-Festkörper-Laser oder Kohlendioxid-Laser zum Schweißen von Kunststoffen und Me tallen einzusetzen, aber auch zum Härten von Metalloberflä chen durch Erhitzen oder zum tiegelfreien Zonenschmelzen bei der Kristallzüchtung einzusetzen. Da die berührungslos übertragbare Energie exakt dosiert zu werden vermag und bei Fokussierung des Stahles auch genau gerichtet werden kann, sind mit diesem Verfahren Bauteile geringer Abmessung mit hoher Präzision bearbeitbar.It is known, for example, neodymium solid-state lasers or Carbon dioxide laser for welding plastics and me tallen, but also for hardening metal surfaces by heating or for crucible-free zone melting used in crystal growth. Because the contactless transferable energy can be precisely dosed and at Focusing of the steel can also be precisely directed, are components of small dimensions with this method machinable with high precision.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin der das Ziel gesetzt, das Behandeln von Werkstücken mittels Strahlen weitergehend zu verbessern. Zur Lösung dieser Auf gabe führen die Lehren der unabhängigen Patentansprüche.The Erfin has knowledge of this state of the art which set the goal of treating workpieces by means of To further improve rays. To solve this on gift teach the teachings of independent claims.

Zur Führung von Reflexionsstrahlen wird erfindungsgemäß ein Spiegel mit aspärischer Spiegeloberfläche eingesetzt, die aus zueinander abgewinkelten Streifen besteht; der Quer schnitt der Spiegeloberfläche bildet einen Polygonen Linienzug, dessen Eckpunkte - nach einem anderen Merkmal der Erfindung - auf einer rotationssymmetrischen Funktion liegen sollen, bevorzugt bei parallelem Lichteinfall auf einer Parabel.According to the invention, a is used to guide reflection rays Mirror with aspherical mirror surface used, the consists of angled strips; the cross intersection of the mirror surface forms a polygons Line, whose corner points - according to another characteristic of the invention - on a rotationally symmetrical function should lie, preferably with parallel incidence of light a parabola.

Zudem hat es sich als günstig erwiesen, daß der polygone Linienzug eine Hauptebene des Spiegels bestimmt, die zu ei ner horizontalen Bezugsgeraden in einem Winkel geneigt ist, beispielsweise in einem Winkel von 20 bis 30°.In addition, it has proven advantageous that the polygons Line traces a main plane of the mirror that leads to egg ner horizontal reference line is inclined at an angle, for example at an angle of 20 to 30 °.

Von Streifen der Spiegeloberfläche werden Strahlen (Reflexionsstrahlen) reflektiert, die in einer Achse linienförmig integriert und nachfolgend Integrationslinien genannt werden.Streaks of the mirror surface become rays (Reflection rays) reflected in one axis integrated in a line and then integration lines to be named.

Üblicherweise werden Spiegel in einem Drehprozeß derart hergestellt, daß zur Vermeidung optischer Abbildungsfelder die Rotationsachse des Drehprozesses mit der optischen Achse zusammenfällt. Dabei ist letztere definiert als die Gerade, welche parallel zur Rotationsachse durch den Brenn punkt des optischen Systems verläuft. Erfindungsgemäß soll die Rotationsachse mit der optischen Achse nicht überein stimmen; fallen beide nicht zusammen, besteht Astigmatis mus, der kontrolliert eingesetzt wird, um beliebige Brenn feldgeometrien zu erzeugen.Usually mirrors become like this in a turning process made that to avoid optical imaging fields the axis of rotation of the turning process with the optical one Axis coincides. The latter is defined as the Straight, which is parallel to the axis of rotation through the focal point of the optical system runs. According to the invention the axis of rotation does not match the optical axis vote; if the two do not coincide, there is astigmatism mus, which is used in a controlled manner to burn any to generate field geometries.

So liegt es im Rahmen der Erfindung, daß auf der Rotations achse eine linienförmige Intensitätsverteilung entsteht, in der Brennweite hingegen verteilt sich die Intensität auf eine Fläche, deren Abmessungen in einer ersten Dimension in Richtung der optischen Achse die Länge der Integrationsli nie sowie in einer zweiten Dimension eine Höhe senkrecht dazu sind (s. Fig. 4 der Zeichnung mit Kontext). So it is within the scope of the invention that a linear intensity distribution arises on the axis of rotation, while the focal length distributes the intensity over an area, the dimensions of which in a first dimension in the direction of the optical axis, the length of the integrationsli never and in a second Dimension are a height perpendicular to it (see Fig. 4 of the drawing with context).

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt das Behandeln einer Werkstückfläche mittels eines Spiegels, bei dem ein astig matischer Fehler kontrolliert eingesetzt wird. Dabei werden mit von dem Spiegel reflektierten Strahlen eine Integrati onslinie sowie ein optischer Astigmatismus erzeugt. Das Maß des Astigmatismus ist definiert durch den Abstand zwischen Rotationsachse und optischer Achse, der Arbeitspunkt des Systems wiederum durch die Lage der optischen Achse. Dank dieses Astigmatismus ist an dieser Stelle jede Brennfleck geometrie herstellbar. So entstehen in einer Achse ein Li nienintegrator und in einer dazu rechtwinkeligen zweiten Achse durch Astigmatismus eine weitere Linie; das Überla gern beider Linien - in Abstand zueinander - führt zur gewünschten Fläche.The method according to the invention allows treatment of one Workpiece surface by means of a mirror, in which a knotty matic error is used in a controlled manner. In doing so with rays reflected from the mirror an integrati line and an optical astigmatism. The measure astigmatism is defined by the distance between Rotation axis and optical axis, the working point of the Systems in turn by the position of the optical axis. thanks this astigmatism is every focal spot at this point geometry can be produced. This creates a Li in one axis nienintegrator and in a right-angled second Axis through astigmatism another line; the overload like both lines - at a distance from each other - leads to desired area.

Dank der geschilderten Maßgaben ist jede beliebige Brenn fleckgeometrie zwischen Linienform und Reckteck beliebig herstellbar, dies auch bei sehr geringen Abmessungen. Dazu nutzt man den ansonsten als Fehler angesehenen - und des halb vermiedenen - Astigmatismus bewußt aus. Zu dem bevor zugten Einsatzgebiet der Oberflächenbehandlung trachtet man nach einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung im ge samten Brennfeld, die mit der Erfindung auch erreicht wird; man kommt auch bei großem Umlenkwinkel a zu relativ kleinen Brennweiten, beispielsweiseThanks to the described measures, any kind of distillery is possible Spot geometry between line shape and rectangle arbitrary producible, even with very small dimensions. To you use what is otherwise considered a mistake - and that half avoided - consciously from astigmatism. Before that The intended application of surface treatment is sought after a homogeneous intensity distribution in the ge entire focal field, which is also achieved with the invention; relatively large angles of deflection a lead to relatively small ones Focal lengths, for example

a = 90°
γ ≃ 100 mm.a = 90 °
γ ≃ 100 mm.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt jeweils schematisiert inFurther advantages, features and details of the invention result from the following description more preferred Exemplary embodiments and with reference to the drawing; these each shows schematically in

Fig. 1: die Seitenansicht eines Spiegels mit Strahlengang; FIG. 1 shows the side view of a mirror with a beam path;

Fig. 2: einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 nach deren Feld II; FIG. 2: an enlarged section from FIG. 1 after its field II;

Fig. 3: die Draufsicht auf den Spiegel der Fig. 1; Fig. 3: the top view of the mirror of Fig. 1;

Fig. 4: eine schematische Zeichnung zu De finitionsangaben; Fig. 4: a schematic drawing to de finitions information;

Fig. 5: die Seitenansicht eines Spiegels mit Astigmatismus und zwei Brenn linien; Fig. 5: the side view of a mirror with astigmatism and two focal lines;

Fig. 6: die Draufsicht zu Fig. 5; FIG. 6 shows the top view of FIG. 5;

Fig. 7: eine schematisierte Quer schnittsskizze der theoretisch er zielbaren Intensitätsverteilung eines Laserstrahles unter Verwen dung des Spiegels in den Fig. 5; 6; Fig. 7: a schematic cross-sectional sketch of the theoretically he achievable intensity distribution of a laser beam using the mirror in Fig. 5; 6;

Fig. 8: die Seitenansicht eines Linienin tegrators mit Astigmatismus und flächiger Intensitätsverteilung; FIG. 8 is a side view of lines in tegrators with astigmatism and flat intensity distribution;

Fig. 9, 10: den Fig. 6, 7 entsprechende Dar stellungen zu Fig. 8; Fig. 9, 10: Figures 6, 7 corresponding Dar positions to Fig. 8;

Fig. 11: eine räumliche Darstellung der In tensitätsverteilung gemäß Fig. 10; FIG. 11 is a perspective view of the tensitätsverteilung In accordance with FIG. 10;

Fig. 12, 13, 14: Wiedergaben einer weiteren Spiegelanordnung in Darstellungen entsprechend den Fig. 8 bis 10. Fig. 12, 13, 14: representations of a further mirror arrangement in representations corresponding to Fig 8 to 10..

Die Spiegelfläche 10 eines in Fig. 1 wiedergegebenen Hohlspiegels 12 - dessen bei N angedeutete Hauptebene bei spielsweise mit einer Horizontalen H einen Neigungswinkel w von etwa 220 einschließt und der in nicht dargestellter Weise wassergekühlt wird - weist einen beispielsweisen Durchmesser d von 75 mm auf. Diese Spiegelfläche 10 ist in lamellenartige Facetten oder Streifen 14 der Breite b von hier 7,5 mm unterteilt, deren Anordnung Fig. 2 in vergrößertem Längsschnitt als polygonen Kettenzug K erkenn bar werden läßt. Dessen Eckpunkte liegen auf einer defi nierten rotationssymmetrischen Funktion - im Falle paral lelen Lichteinfalles auf einer Parabel -, wobei die Rota tionsachse R und die optische Achse Q zusammenfallen. Die Rotationsachse R ist die Symmetrieachse einer rotationssym metrischen Oberfläche, aus der die Spiegelfläche 10 ein Ausschnitt ist. Jene optische Achse Q ist als Gerade durch die Brennpunkte von Kegelschnitten definiert bzw. als die Symmetrieachse des abbildenden optischen Systems.The mirror surface 10 of a concave mirror 12 shown in FIG. 1 - whose main plane indicated at N includes an inclination angle w of approximately 220 with a horizontal H, for example, and which is water-cooled in a manner not shown - has an exemplary diameter d of 75 mm. This mirror surface 10 is divided into lamellar facets or strips 14 of width b of here 7.5 mm, the arrangement of which can be seen in an enlarged longitudinal section as a polygonal chain hoist K in FIG . Its cornerstones lie on a defined rotationally symmetrical function - in the case of parallel incidence of light on a parabola - with the rotation axis R and the optical axis Q coinciding. The axis of rotation R is the axis of symmetry of a rotationally symmetrical surface from which the mirror surface 10 is a section. That optical axis Q is defined as a straight line through the focal points of conic sections or as the axis of symmetry of the imaging optical system.

Im ausgewählten Ausführungsbeispiel ist die Spiegelfläche 10 mit Molybdän einer Reflektivität ≧ 97,5% oder mit Gold der Reflektivität ≧ 99,7% beschichtet. Von ihr mit einem Umlenkwinkel a von beispielsweise 30° ausgehende Reflexi onsstrahlen S erzeugen in einem Arbeitsabstand e von etwa 400 mm eine Brennlinie B und entlang dieser ergibt sich eine homogenisierte Intensitätslinie G der Länge n von - hier - etwa 10 mm. Diese Länge n hängt ab von der Breite b der Streifen 14 sowie jenem Umlenkwinkel a.In the selected exemplary embodiment, the mirror surface 10 is coated with molybdenum with a reflectivity ≧ 97.5% or with gold with the reflectivity ≧ 99.7%. From it with a deflection angle a of, for example, 30 °, reflection rays S generate a focal line B at a working distance e of about 400 mm, and along this line there is a homogenized intensity line G of length n of - here - about 10 mm. This length n depends on the width b of the strips 14 and that deflection angle a.

Zum besseren Verständnis der angewendeten Begriffe deutet Fig. 4 die Intensitätsverteilung auf einer Fläche an, deren Abmessungen wie folgt definiert sind:For a better understanding of the terms used, FIG. 4 indicates the intensity distribution on a surface, the dimensions of which are defined as follows:

1st dimension (in the direction of the optical axis Q):
Length e 1 of the integration line;
2nd dimension n (perpendicular to it)

bestehend aus kontinuierlich nebeneinanderliegenden Inte grationslinien.consisting of continuously adjacent inte contour lines.

In Fig. 5ff stimmt die Rotationsachse R der Oberflächen funktion mit der optischen Achse Q nicht überein, und es entsteht ein Astigmatismus, der zur Erzeugung beliebiger rechteckiger Brennfeldgeometrien kontrolliert genutzt wird.In Fig. 5ff, the rotation axis R of the surface function does not match the optical axis Q, and an astigmatism arises which is used in a controlled manner to generate any rectangular focal field geometries.

In Fig. 5 ist ein Spiegel 10 mit Astigmatismus dargestellt, weshalb hier zwei Brennlinien G und E zu erkennen sind; es entsteht in der Rotationsachse R eine Linie G und in der optischen Achse Q quer dazu eine sagittale Linienabbildung E.In FIG. 5, a mirror 10 is shown with astigmatism, which is why this two focal lines G and E are to be recognized; a line G arises in the axis of rotation R and a sagittal line image E transversely to it in the optical axis Q.

Die Durchmesserprojektion d₁ beträgt hier 50 mm, der Ar beitsabstand e₂ in Fig. 5 mißt 200 mm und der Abstand i₂ jener sagittalen Linienabbildung E von der Linie G 32 mm. The diameter projection d ₁ here is 50 mm, the working distance e ₂ in FIG. 5 measures 200 mm and the distance i _{2 of} that sagittal line image E from the line G is 32 mm.

Im zugeordneten Koordinatensystem der Fig. 7 ist an einer Achse M ein Gebilde helmartigen Querschnittes zu erkennen.In the associated coordinate system of FIG. 7, a structure of a helmet-like cross section can be seen on an axis M.

Beim Linienintegrator mit Astigmatismus der Fig. 7 entsteht ein meridionales Bild in Brennlinie B als Fläche F der Höhe n und der Breite in von jeweils 8 mm - in Abstand i₃ von hier 22 mm verläuft eine - hier nicht genutzte - Linie G in der Rotationsachse R.In the line integrator with astigmatism of FIG. 7, a meridional image is formed in focal line B as the area F of the height n and the width in each case of 8 mm - at a distance i ₃ from here 22 mm there is a line G - not used here - in the axis of rotation R.

Der so in diesem System definierbare Astigmatismus erlaubt die beliebige Auswahl einer Brennfeldgeometrie zwischen der beschriebenen Linienform und einer Fläche wie diese in Fig. 10, 14 als Rechteck dargestellt ist.The astigmatism that can be defined in this system allows the arbitrary selection of a focal field geometry between the described line shape and a surface as shown as a rectangle in FIGS. 10, 14.

Die Querschnittsform der Fläche F ist den zugeordneten Ko ordinatenbildern der Fig. 10 mit den Achsen A, M zu entneh men, die räumliche Gestalt der Fig. 11.The cross-sectional shape of the area F can be seen from the associated coordinate images of FIG. 10 with the axes A, M, the spatial shape of FIG. 11.

Schließlich bilden sich in Fig. 12 bis 14 in der Rotations achse R eine Linie G und in Abstand i₂ dazu eine Fläche F in der optischen Achse Q ab.Finally, in FIGS. 12 to 14, a line G is formed in the axis of rotation R and an area F in the optical axis Q at a distance i ₂ from it.

Es wird deutlich, daß eine flächenhafte Intensitätsvertei lung durch ein Auseinanderziehen von Intensitätslinien ent steht. Dank der Aufteilung in Streifen 14 sind diese Linien jeweils intensitätsintegriert. Durch die senkrechte Auftei lung des Linienintegrators sowie dem geschilderten Astigma tismus entsteht ein Flächenintegrator. It becomes clear that a two-dimensional intensity distribution arises by pulling apart intensity lines. Thanks to the division into strips 14 , these lines are each intensity-integrated. The vertical division of the line integrator and the described astigmatism create a surface integrator.

Ausgewählte Anwendungsgrößen für die Erzeugung homogeni sierter Intensitätsprofile entlang der Brennlinie B sind:Selected application sizes for the generation homogeni Intensity profiles along the focal line B are:

Linienlänge n: etwa 2 mm bis 10 mm
Umlenkwinkel a: 45°; 60°; 90°
Spiegeldurchmesser d: 25 mm; 35 mm; 50 mm; 65 mm; 75 mm;
Arbeitsabstand e: etwa 100 min bis 400 mm.Line length n: about 2 mm to 10 mm
Deflection angle a: 45 °; 60 °; 90 °
Mirror diameter d: 25 mm; 35 mm; 50 mm; 65 mm; 75 mm;
Working distance e: about 100 min to 400 mm.

Claims

1. Mirror with concave mirror surface for producing an intensity distribution at a working distance, in particular working mirror for generating homogeneous intensity distributions at an imaging point, for heat treatment of materials by means of radiation, preferably for hardening and melting of materials, characterized by a polygonal line (K) as a cross section of the Aspherical mirror surface ( 10 ) from mutually angled cross sections of strips ( 14 ) forming the mirror surface.

2. Mirror according to claim 1, characterized in that the corner points of the polygonal line (K) on one rotationally symmetrical function.

3. Mirror according to claim 1 or 2, characterized in that the polygonal line (K) determines a main plane (N) of the mirror ( 12 ) which is inclined to a horizon tal reference line (H) at an angle (W).

4. Mirror according to one of claims 1 to 3, characterized in that the widths (b) of the strips ( 14 ) are the same.

5. Mirror according to one of claims 1 to 4, characterized in that from strips ( 14 ) of the mirror surface ( 10 ) emanate reflection rays (S) which are integrated in a line or form a line integrator (G).

6. Mirror according to one of claims 1 to 5, characterized in that the line integrator (G) in the Ro tion axis (R) and the optical axis (Q) of the system consists ( Fig. 1, 4).

7. Mirror according to claim 6, characterized in that the axis of rotation (R) in the optical axis (Q) runs ver ( Fig. 1).

8. Mirror according to one of claims 1 to 5, characterized ge indicates that the line integrator (G) in the Ro tion axis (R) or in the optical axis (Q) of the System exists.

9. Mirror according to claim 8, characterized in that with its reflection rays (S) in one axis (M) an astigmatism can be generated.

10. Mirror according to at least one of claims 1 to 5 or 8, 9, characterized by a linear In intensity distribution on the axis of rotation (R).

11. Mirror according to at least one of claims 1 to 5 or 10, characterized in that in the focal line (B) a surface (F) and at a distance (i ₂ ) behind it a vertical line integrator (G) can be generated ( Fig. 7) .

12. Mirror according to at least one of claims 1 to 5 or 8 to 10, characterized in that in the focal line (B) a surface (F) and in front of this stood (i ₁ ), a vertical line integrator (G) can be generated bar ( Fig. 11).

13. Method for treating a workpiece by means of an egg nes mirror, especially a mirror after a little least one of the preceding claims, in which Treatment of a surface of the workpiece astigmatic error is used in a controlled manner.

14. The method according to claim 13, characterized in that reflects from strips of the mirror and rays be integrated linearly in one axis.

15. The method according to claim 13 or 14, characterized records that with reflexes emanating from the mirror a line integrator and an optical one Astigmatism are generated.

16. The method according to any one of claims 13 to 15, characterized characterized in that a lini on the axis of rotation shaped intensity distribution is produced.

17. The method according to any one of claims 13 to 16, characterized characterized in that a line integra gate and in a right-angled second axis a line is created by astigmatism.

18. The method according to at least one of claims 13 to 17, characterized by the manufacture of the surface by overlaying at a distance from each other lines.