DE4424492A1 - Laser beam focal spot for working workpiece surface - Google Patents

Laser beam focal spot for working workpiece surface

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Abstract

The assembly to work a workpiece surface, by the focal spot of a focused laser beam, has a focusing lens (7) with at least one distorting mirror (5) controlled by an electronic control system (15). The curvature of the mirror (5) is set by the control (15) according to the gap (s) between at least one swing axis (9) of the scanner mirror (8) and each position of the focal spot (A,B,A',B') at the surface (12) of the workpiece (13), with a variable setting.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Anordnung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines auf einen Brennfleck fokussierbaren Lasers, ins­ besondere für langwellige Laserstrahlung, umfassend wenigstens eine Fo­ kussierungslinse und ein um wenigstens eine Achse variabel strahlablenk­ bares System, wie ein schwenkbarer, gesteuerter Scanner- oder Polygon- Spiegel.The invention relates to an arrangement for processing a Workpiece by means of a laser that can be focused on a focal spot, ins especially for long-wave laser radiation, comprising at least one Fo kissing lens and a variable beam deflection around at least one axis system, such as a swiveling, controlled scanner or polygon Mirror.

Derartige Anordnungen mit einem Schwenk-, Scanner-, oder Polygon-Spiegel werden dort eingesetzt, wo der Brennfleck des Lasers mit hoher Geschwin­ digkeit über das zu bearbeitende Werkstück geführt werden muß. Da bei derartigen hohen Geschwindigkeiten naturgemäß hohe Beschleunigungen auftreten, lassen sich solche Systeme nicht mit einem bewegten Werkstück realisieren, da sonst geringe Bearbeitungsgeschwindigkeiten, Abweichungen der Bearbeitungsgeschwindigkeit und Ungenauigkeiten in der Relativbewe­ gung auftreten würden.Such arrangements with a pan, scanner, or polygon mirror are used where the focal spot of the laser is at high speed must be guided over the workpiece to be machined. There with such high speeds naturally high accelerations Such systems cannot be used with a moving workpiece realize, otherwise low processing speeds, deviations the processing speed and inaccuracies in the relative movement would occur.

Dementsprechend erfolgt bei derartigen scannenden Systemen die Brenn­ fleckpositionierung durch Kippbewegungen oder Linearbewegungen eines Spiegels oder durch einen rotierenden Polygon-Spiegel. Wenn man zwei un­ abhängige Kippachsen des Spiegels vorsieht, ist eine zweidimensionale Be­ wegung des Brennflecks möglich. Dies führt allerdings dazu, daß sich der Brennfleck nicht exakt in einer Ebene, sondern auf der Oberfläche eines Toroids bewegt, was bei einem ebenen Werkstück zu Abweichungen der Lage des Brennflecks von der optimalen Bearbeitungsposition führt.Accordingly, the burning takes place in such scanning systems spot positioning by tilting movements or linear movements of a Mirror or a rotating polygon mirror. If you have two un dependent tilting axes of the mirror is a two-dimensional Be focal spot movement possible. However, this leads to the fact that the Focal spot not exactly in one plane, but on the surface of one Toroids move, causing deviations in a flat workpiece  Location of the focal spot leads from the optimal processing position.

Durch den Einsatz sogenannter Planfeldoptiken kann man eine gewisse Korrektur bewerkstelligen, wobei aber solche Planfeldoptiken bei einer langwelligen Laserstrahlung, wie z. B. bei der Verwendung von CO₂-La­ sern, nur für kleine Arbeitsbereiche verfügbar sind. Aufgrund der be­ schränkten Auswahl an Linsenmaterialien für diesen Wellenlängenbereich können Abbildungsfehler nur begrenzt korrigiert werden. Weiterhin sind Planfeldoptiken relativ kostenaufwendig.By using so-called plan field optics you can achieve a certain Make correction, but such plan field optics at a long-wave laser radiation, such as. B. when using CO₂-La are only available for small work areas. Because of the be limited selection of lens materials for this wavelength range imaging errors can only be corrected to a limited extent. Furthermore are Plan field optics are relatively expensive.

Eine weitere Möglichkeit zur Brennfleckbeeinflussung besteht in der la­ teralen Verschiebung der Fokussierlinse, was allerdings eine schnelle Nachstellung aufgrund der Trägheit derselben ebenfalls nicht möglich macht.Another possibility for influencing the focal spot is in la teral shift of the focusing lens, but this is a quick one Adjustment also not possible due to the inertia of the same power.

Das gleiche gilt für in den Strahlengang einbringbare optische Elemente, die die Lage des Brennflecks über eine zusätzliche, linear bewegte Linse anpassen. Hierbei ist eine Bewegung in der Größenordnung von mehreren Millimetern bzw. Zentimetern erforderlich, so daß die Dynamik des Systems beschränkt ist.The same applies to optical elements that can be introduced into the beam path, the location of the focal spot via an additional, linearly moving lens to adjust. Here is a movement in the order of several Millimeters or centimeters required so that the dynamics of the system is limited.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung mit einem variabel strahlablenkenden System mit hoher Dynamik eine aktive Brennfleckpositionierung so zu realisieren, daß über die Vor­ wahl des Abstandes zwischen dem Fokus des Laserstrahls und der Werk­ stückoberfläche ein definierter Durchmesser des Brennflecks auf dem Werk­ stück eingestellt werden kann und zwar bei einem ebenen Werkstück auch außerhalb eines Zentralbereiches und bei unebenen Werkstücken in Abhän­ gigkeit von der Geometrie der Werkstückoberfläche.Proceeding from this, the invention is based on the object in a Arrangement with a variable beam deflecting system with high dynamics to realize an active focal spot positioning so that the above choice of the distance between the focus of the laser beam and the work a defined diameter of the focal spot on the work piece can be adjusted, even with a flat workpiece outside a central area and with uneven workpieces depending the geometry of the workpiece surface.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Fokussie­ rungslinse ein über eine elektronische Steuer- oder Regeleinrichtung an­ steuerbarer deformierbarer Spiegel vorgeordnet ist, wobei die Krümmung des deformierbaren Spiegels über die Regel- oder Steuereinrichtung in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der wenigstens einen Schwenk­ achse des Scanner-Spiegels und der jeweiligen Position des Brennflecks auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks veränderbar ist.This object is achieved in that the focus rungslinse on via an electronic control or regulating device controllable deformable mirror is arranged, the curvature of the deformable mirror via the regulating or control device in Dependence on the distance between the at least one swivel  axis of the scanner mirror and the respective position of the focal spot is changeable on the surface of the workpiece to be machined.

Die Integration eines deformierbaren Spiegels in eine Anordnung zur Werkstückbearbeitung mittels eines Laserstrahls ist aus der DE 42 17 705 AI an sich bekannt. Bei derartigen kommerziell verfügbaren deformierbaren Spiegeln werden Spiegelflächen aus elastischem Material durch einen Aktuator definiert deformiert. Vorteilhafterweise werden als Aktuatoren piezoelektrische Stellelemente verwendet, da sie den Vorteil außerordentlich kurzer Stellzeiten aufweisen. Erfindungsgemäß macht man sich zunutze, daß die Divergenz des Laserstrahls direkten Einfluß hat auf die Lage des Brennflecks. Trifft nämlich der Laserstrahl konvergent auf die Linse, liegt der Fokus vor dem Brennpunkt. Bei divergentem Laser­ strahl liegt der Fokus nach dem Brennpunkt. Hieraus wird deutlich, daß durch eine Einflußnahme auf die Divergenz die Lage des Brennflecks ver­ änderbar ist.The integration of a deformable mirror in an arrangement for Workpiece processing by means of a laser beam is from the DE 42 17 705 AI known per se. With such commercially available deformable mirrors become mirror surfaces made of elastic material deformed defined by an actuator. Advantageously, as Actuators used piezoelectric actuators because they have the advantage have extremely short positioning times. According to the invention take advantage of the fact that the divergence of the laser beam has a direct influence on the location of the focal spot. This is because the laser beam strikes convergent the lens, the focus is in front of the focal point. With divergent lasers beam is the focus after the focal point. It is clear from this that by influencing the divergence ver the location of the focal spot is changeable.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen geben die Unteransprüche an. Dabei ist insbesondere auf die Möglichkeit der automatischen Abstandserfassung über eine Sensoreinrichtung hinzuweisen, durch die gerade bei Werk­ stücken mit nicht ebener Oberfläche selbsttätig über den deformierbaren Spiegel und die diesem vorgeschaltete Regel- bzw. Steuereinrichtung und die Strahlkonvergenz eine optimierte Brennfleckeinstellung erfolgen kann.The subclaims indicate further advantageous measures. It is especially the possibility of automatic distance detection to point out a sensor device, especially at the factory pieces with a non-flat surface automatically over the deformable Mirror and the regulating or control device connected upstream thereof the beam convergence an optimized focal spot adjustment can take place.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.In the following the invention is illustrated by a preferred embodiment game described in connection with the drawing. This shows is a schematic representation of an arrangement according to the invention.

In der Zeichnung ist ein Laser 1, beispielsweise in Form eines CO₂-Lasers mit einer Wellenlänge von 10,6 µm dargestellt. Von diesem Laser ausge­ hend trifft ein annähernd paralleles Strahlenbündel 2 auf einen Planspie­ gel 3 und wird dort aufgrund der Propagationseigenschaften von Laser­ strahlen in Form eines leicht divergenten Strahlenbündels 4 umgelenkt auf einen deformierbaren Spiegel 5 mit piezoelektrischen Aktoren, die durch den Pfeil 6 veranschaulicht sind und, wie durch den Pfeil 6 angedeutet, die Oberfläche des deformierbaren Spiegels 5 so verformen, daß deren Brennweite verändert wird.In the drawing, a laser 1 is shown , for example in the form of a CO₂ laser with a wavelength of 10.6 microns. Starting from this laser, an approximately parallel beam 2 strikes a plane mirror 3 and, due to the propagation properties of laser beams in the form of a slightly divergent beam 4, is deflected onto a deformable mirror 5 with piezoelectric actuators, which are illustrated by the arrow 6 and , as indicated by the arrow 6 , deform the surface of the deformable mirror 5 so that its focal length is changed.

In Abhängigkeit hiervon verändert sich die Divergenz des den deformier­ baren Spiegel 5 verlassenden Strahlenbündels 6a (gestrichelt eingezeich­ net) bzw. 6b (durchgehend eingezeichnet), wobei die beiden Strahlenbün­ del 6a bzw. 6b durch unterschiedliche Brennweite erzeugt werden.Depending on this, the divergence of the deformable mirror 5 leaving the beam 6 a (dashed net) or 6 b (shown throughout) changes, the two rays del 6 a and 6 b being generated by different focal lengths.

Das Strahlenbündel 6a bzw. 6b passiert eine Fokussierlinse 7 und trifft dann auf einen schwenkbar gelagerten Planspiegel 8, der um zwei zuein­ ander senkrechte Schwenkachsen schwenkbar sein kann, wobei in der Zeichnung eine dieser Schwenkachsen 9 für eine Schwenkbewegung in Richtung des Pfeils 10 erkennbar ist, eine Schwenkachse also, die senk­ recht zur Zeichenebene verläuft.The beam 6 a or 6 b passes a focusing lens 7 and then strikes a pivotably mounted plane mirror 8 , which can be pivoted about two mutually perpendicular pivot axes, one of these pivot axes 9 being recognizable in the drawing for a pivoting movement in the direction of arrow 10 is a pivot axis that is perpendicular to the plane of the drawing.

Die den Planspiegel 8, also den Scanner-Spiegel, verlassenden Strahlen­ bündel 11a bzw. 11b korrespondieren zu den auftreffenden Strahlenbündeln 6a bzw. 6b.The beams 11 a and 11 b leaving the plane mirror 8 , that is, the scanner mirror, correspond to the incident beams 6 a and 6 b.

Die konvergierenden Strahlenbündel 11a bzw. 11b treffen auf die Oberflä­ che 12 eines in der Zeichnung rechts dargestellten ebenen Werkstücks 13 auf, wobei das Strahlenbündel 11b in der Zeichnung bei dem Punkt A und das Strahlenbündel 11a zu einem späteren Zeitpunkt bei um den Winkel Alpha geschwenktem Scanner-Spiegel 8 im Punkt B auftrifft, wobei die Punkte A und den B den Abstand X aufweisen.The converging beams 11 a and 11 b hit the surface 12 of a planar workpiece 13 shown on the right in the drawing, the beam 11 b in the drawing at point A and the beam 11 a at a later date in order to Angle alpha-pivoted scanner mirror 8 hits point B, points A and B being at a distance X.

Der Abstand des Punktes A von der Schwenkachse 9 beträgt s, wobei der Abstand des Punktes B von der Schwenkachse 9 um einen Betrag Delta S größer ist.The distance of the point A from the swivel axis 9 is s, the distance of the point B from the swivel axis 9 being larger by an amount Delta S.

Durch eine schematisch angedeutete Sensoreinrichtung 14 kann der jewei­ lige Abstand der Schwenkachse 9 von der Werkstückoberfläche 12 gemessen werden und der Meßwert dem Eingang einer Regel- bzw. Steuereinrichtung 15 zugeführt werden, die ihrerseits zur Ansteuerung des deformierbaren Spiegels 5 dient. By means of a schematically indicated sensor device 14 , the respective distance of the pivot axis 9 from the workpiece surface 12 can be measured and the measured value can be fed to the input of a regulating or control device 15 , which in turn serves to control the deformable mirror 5 .

In der Zeichnung links ist eine Werkstückvariante 13′ mit einer gekrümm­ ten Oberfläche 12′ dargestellt, wobei sich in diesem Fall eine Abweichung Delta s im Abstand der Schwenkachse 9 von der Werkstückoberfläche 12′ dadurch ergibt, daß die Oberfläche von der eines Toroids um einen Be­ trag Delta s in der rechts in der Teilzeichnung dargestellten Position abweicht.In the drawing on the left, a workpiece variant 13 'is shown with a curved surface 12 ', in which case a deviation Delta s in the distance of the pivot axis 9 from the workpiece surface 12 'results from the fact that the surface of a toroid by a loading Delta s differs in the position shown on the right in the partial drawing.

Die Punkte A, B in der rechten Teilzeichnung und A′, B′ in der linken Teilzeichnung entsprechen dem jeweiligen Brennfleck der Strahlen 11a, 11b.The points A, B in the right partial drawing and A ', B' in the left partial drawing correspond to the respective focal spot of the rays 11 a, 11 b.

Die erfindungsgemäße Anordnung sorgt dafür, daß ausgehend von einer optimalen Positionierung des Werkstücks 13, 13′ zum Brennfleck A bzw. A′ auch bei einer seitlichen Verlagerung des Brennflecks hin zu den Brenn­ flecken B bzw. B′ und der damit einhergehenden Veränderung des ur­ sprünglichen Abstandes der Schwenkachse 9 von dem jeweiligen Brennpunkt um einen Betrag Delta s durch Veränderung der Divergenz des Strahlen­ bündels 6a bzw. 6b mit Hilfe des deformierbaren Spiegels 5 gleichwohl ein konstanter Brennfleckdurchmesser und eine Brennflecknachführung erreicht wird, wie dies durch die Strahlenbündel 11a veranschaulicht wird.The arrangement according to the invention ensures that starting from an optimal positioning of the workpiece 13 , 13 'to the focal spot A or A' even with a lateral shift of the focal spot towards the focal spots B or B 'and the associated change in the original Distance of the pivot axis 9 from the respective focal point by an amount Delta s by changing the divergence of the beam 6 a or 6 b with the aid of the deformable mirror 5 a constant focal spot diameter and focal spot tracking is achieved, as illustrated by the beam 11 a becomes.

Es ist also mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung sowohl möglich, ebene Werkstücke unter Einsparung aufwendiger Planfeldoptiken als auch dreidimensionale Werkstücke unter Einsatz eines Scanner-Spiegels mit ho­ her Dynamik zu bearbeiten.With the arrangement according to the invention it is therefore possible both flat workpieces while saving complex plane field optics as well three-dimensional workpieces using a scanner mirror with ho forth dynamics to edit.

Claims (6)

1. Anordnung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines auf einen Brennfleck fokussierbaren Lasers, insbesondere für langwellige Laser­ strahlung, umfassend wenigstens eine Fokussierungslinse und ein um wenigstens eine Achse variabel strahlablenkendes System, wie ein schwenkbarer, gesteuerter Scanner-Spiegel oder rotierender Polygon- Spiegel, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierungslinse (7) minde­ stens ein über eine elektronische Steuer- oder Regeleinrichtung (15) an­ steuerbarer deformierbarer Spiegel (5) vorgeordnet ist, wobei die Krüm­ mung des deformierbaren Spiegels (5) über die Regel- oder Steuereinrich­ tung (15) in Abhängigkeit von dem Abstand (s) zwischen der wenigstens einen Schwenkachse (9) des Scanner-Spiegels (8) und der jeweiligen Posi­ tion des Brennflecks (A, B, A′, B′) der Oberfläche (12) des zu bearbei­ tenden Werkstücks (13) veränderbar ist.1. Arrangement for machining a workpiece by means of a laser that can be focused on a focal spot, in particular for long-wave laser radiation, comprising at least one focusing lens and a variable beam deflecting system such as a pivotable, controlled scanner mirror or rotating polygon mirror, thereby characterized in that the focusing lens ( 7 ) is arranged at least one via an electronic control or regulating device ( 15 ) on controllable deformable mirror ( 5 ), the curvature of the deformable mirror ( 5 ) via the regulating or control device ( 15 ) depending on the distance (s) between the at least one pivot axis ( 9 ) of the scanner mirror ( 8 ) and the respective position of the focal spot (A, B, A ', B') of the surface ( 12 ) of the to be processed tendency workpiece ( 13 ) is changeable. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel- oder Steuereinrichtung (15) den deformierbaren Spiegel (5) derart an­ steuert, daß eine Brennfleckverlagerung bei gleichzeitig konstantem Brennfleckdurchmesser realisiert wird.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the regulating or control device ( 15 ) controls the deformable mirror ( 5 ) in such a way that a focal spot shift is realized with a constant focal spot diameter. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn­ fleckdurchmesser auf der Werkstückoberfläche durch die aktive Brenn­ fleckverlagerung auf einen definierten Wert eingestellt wird.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the burning spot diameter on the workpiece surface due to active firing stain shift is set to a defined value. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der defor­ mierbare Spiegel (5) durch piezoelektrische Aktuatoren zur Veränderung der Spiegelflächenkrümmung des deformierbaren Spiegels (5) beaufschlagt wird.4. An arrangement according to claim 1, characterized in that the DEFOR-programmable mirror (5) is pressurized by piezoelectric actuators for changing the curvature of the mirror surface of the deformable mirror (5). 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensor­ einrichtung (14) zur Bestimmung des Abstandes (s) zwischen der Schwenk­ achse (9) des Scanner-Spiegels (8) und Werkstückoberfläche (12) vorge­ sehen ist, wobei der Ausgang der Sensoreinrichtung (14) mit dem Eingang der Regel- oder Steuereinrichtung (15) für den deformierbaren Spiegel (5) verbunden ist.5. Arrangement according to claim 1, characterized in that a sensor device ( 14 ) for determining the distance (s) between the pivot axis ( 9 ) of the scanner mirror ( 8 ) and workpiece surface ( 12 ) is easily seen, the output the sensor device ( 14 ) is connected to the input of the regulating or control device ( 15 ) for the deformable mirror ( 5 ). 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrich­ tung zur Strahlablenkung vor dem fokussierenden Element in den Strah­ lengang integriert ist.6. Arrangement according to claim 1, characterized in that the Einrich device for beam deflection in front of the focusing element in the beam lengang is integrated.
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