DE60017051T2

DE60017051T2 - Optischer Spiegel, optischer Abtaster und Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60017051T2
Application number: DE60017051T
Authority: DE
Inventors: Hidehiko Ashiya-shi Karasaki; Kimiko Osaka-shi Kawazoe
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2020-10-21
Also published as: JP3531554B2; KR20010040117A; KR100678809B1; US6633422B2; TW460353B; EP1094343A3; US20020196512A1; EP1094343A2; DE60017051D1; US6556331B1; JP2001116911A; EP1094343B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen schnell drehbaren optischen Spiegel und eine optische Abtasteinrichtung und eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die den verbesserten Spiegel benutzen.
Im weiteren wird der optische Spiegel nach dem Stand der Technik mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Die 10A und 10B zeigen die Struktur eines konventionellen leichtgewichtigen optischen Spiegels 120.
Der optische Spiegel 120, wie in 10A gezeigt, umfasst eine reflektierende Fläche 121 und einen Halter 128 mit einer daran angebrachten Motorwelle (nicht gezeigt). Der Halter 128 umfasst weiterhin eine im Querschnitt halbrunde Kerbe 122 für die Motorwelle und Schraubenlöcher 123.
10B zeigt die Struktur des Spiegels von der hinteren Fläche aus gesehen. Wie in der 10B gezeigt, besitzt die reflektierende Fläche 121 auf ihrer Rückseite:

(1) einen Halteträger 124, der sich von dem Halter 128 aus erstreckt;
(2) eine Vielzahl von Verstärkungsrippen 125, die sich von den beiden Seiten des Halteträgers 124 aus auf den Rand der Rückseite der reflektierenden Fläche 121 zu erstrecken; und
(3) Umfangsrippen 126, die nahe an dem Halter 128 angebracht sind und sich entlang des Randes der hinteren Fläche der reflektierenden Fläche 121 erstrecken.

Der, wie oben geschildert strukturierte, optische Spiegel funktioniert in einer Weise, die im folgenden beschrieben wird. Der optische Spiegel 120 (10A, 10B) ist direkt an der drehbaren Welle des Motors (nicht gezeigt) angebracht und wird in einer Galvanometer-Abtasteinrichtung verwendet, in welcher der Rotationswinkel des Motors eine Reflexionsrichtung des Lichts definiert.
Ein Laserstrahl und ein Ausleuchtungslicht werden von der Spiegeloberfläche 121 reflektiert. Die Form und das Gebiet des reflektierten Lichts hängen von der Form des einfallenden Lichts und dem Rotationswinkel des optischen Spiegels ab.
Um den optischen Spiegel 120 an der Motorwelle anzubringen, wird die Motorwelle in die halbrunde Kerbe 122 gebracht und mit einem Rückhaltering (nicht gezeigt), der auch eine halbrunde Kerbe aufweist, gehalten und dann mit Schrauben in den Schraubenlöchern 123 befestigt. Der Durchmesser sowohl der Kerbe 122 als auch der Kerbe des Rückhalterings ist im allgemeinen einige Mikrometer größer als derjenige der Motorwelle. Der Umfang der Motorwelle ist jedoch größer als der Umfang von beinahe halbrunder Form, der von den sich gegenüberliegenden halbrunden Bereichen der Kerbe 122 und der Kerbe des Rückhalterings gebildet wird. Somit übt das Befestigen der Schrauben, um den optischen Spiegel mit der Motorwelle zu verbinden, eine ungewünschte Spannung auf die Schraubenlöcher 123 vertikal zu der reflektierenden Fläche 121 aus.
Es ist erforderlich, dass der optische Spiegel 120 eine genügende Festigkeit gegenüber Verformungen beibehält, die zwischen der reflektierenden Fläche 121 und dem Halter 128 auftreten können, wenn der Motor sich dreht. Um eine genügende Festigkeit zu behalten, sind ein Spiegel-Halteträger 124, eine Vielzahl von Rippen 125 und Umfangsrippen 126 nahe dem Halter 128 auf der Rückseite der reflektierenden Fläche ausgebildet. Zudem sind, wie in den 10A und 10B gezeigt, die reflektierende Fläche 121 des optischen Spiegels 120 und der Halter 128 aus einem Stück gefertigt.
Der Spiegel-Halteträger 124 wirkt als Dämpfungselement für die in axialer Richtung erzeugten Vibrationen der Motorwelle, wenn sich der Motor dreht. Zudem tragen die Rippen 125 und 126 maßgeblich dazu bei, die Gleichlaufschwankungen des Spiegels, wenn er sich dreht, zu minimieren.
Gemäß der oben beschriebenen Struktur tritt jedoch lokal eine Verformung der Spiegeloberfläche auf, wenn die Schrauben angezogen werden. Wenn eine optische Abtasteinrichtung mit einem solchen optischen Spiegel verwendet wird, um den Weg eines Laserstrahls in einer Laserbearbeitungsvorrichtung zu kontrollieren, werden häufig Fehler außerhalb des Haupt-Bearbeitungslochs eines Werkstücks festgestellt.
13 zeigt eine Verformung in der Spiegeloberfläche, wenn die Motorwelle angebracht und mit den Schrauben an dem konventionellen optischen Spiegel befestigt wird, wobei verformte Gebiete durch die Kurven gekennzeichnet sind.
Es wird aus 11 deutlich, dass die Verformung, die an den Schraubenlöchern, die auf beiden Seiten der Kerbe 122 angebracht sind, auftritt, über die Umfangsrippen, die an dem Rand der Spiegeloberfläche angebracht sind, auf die Spiegeloberfläche nahe dem Halter übertragen wird.
Gemäß dem mit einem Interferometer gemessenen Grad der Verformung bemisst sich für einen optischen Spiegel, der aus Gründen der Gewichtsreduktion aus einem Material gefertigt ist, das Beryllium enthält, der Berg-Tal-(P-V)-Wert für die Präzision der Spiegeloberfläche auf nicht weniger als 4 μm. Diesem Grad der Verformung entspricht eine Differenz des Lichtwegs von etwa der halben Wellenlänge (etwa 10 μm) eines Kohlenstoffdioxid-Lasers mit einer relativ großen Wellenlänge. Im allgemeinen wird 1/20 der Laserwellenlänge als ein optisch aberrationsfreier Wert (das ist etwa 0,5 μm im Fall eines Kohlenstoffdioxid-Lasers) definiert. Der P-V-Wert weist in 11 jedoch einen bis zu 10 mal größeren Wert als den aberrationsfreien Wert für den Kohlenstoffdioxid-Laser auf.
Es wird nun mit Bezug auf 12 eine zweidimensionale optische Abtasteinrichtung beschrieben, die einen konventionellen optischen Spiegel benutzt. Die konventionelle zweidimensionale Abtasteinrichtung, wie in 12 gezeigt, umfasst zwei Sätze von Galvano-Spiegeln 140A, 140B und eine Positionskontrolleinrichtung 148. In 12 umfasst der Galvano-Spiegel 140A weiterhin einen Motor 143A mit einer Motorwelle 142A und einen optischen Spiegel 141A, der an der Motorwelle 142A angebracht ist. Der Motor 143A enthält einen Positionssensor (nicht gezeigt) zur Positionskontrolle. Ein Ausgangssignal von dem Positionssensor wird in die Positionskontrolleinheit 148 eingespeist, um die Position des optischen Spiegels zu regulieren. Eine weitere Erläuterung des Galvano-Spiegels 140B erübrigt sich, das der Spiegel dieselbe Struktur aufweist wie der oben beschriebene Spiegel 140A. Im weiteren wird der Buchstabe „A" oder „B" den entsprechenden Bezugszeichen angehängt, je nachdem, ob das betreffende Teil zu dem Spiegel 140A oder 140B gehört.
Der optischen Spiegel 141A des Galvano-Spiegels 140A, wie in 12 gezeigt, dreht sich horizontal um die Motorwelle 142A, während der Spiegel 141B des Galvano-Spiegels 140B sich vertikal um die Motorwelle 142B dreht.
Die optische Abtasteinrichtung, wie oben beschrieben strukturiert, funktioniert auf eine Art, wie sie im weiteren beschrieben wird. Der optischen Spiegel 141A reflektiert einen Laserstrahl 145, der in 14 gezeigt ist, damit dieser auf eine gewünschte Position auf den optischen Spiegel 141B gelenkt wird. Als Reaktion auf die Reflexion detektiert der Positionssensor, der in dem Motor 143A des Galvano-Spiegels 140A angebracht ist, die Orientierung des Spiegels 141A. Nachdem sie das Signal von dem Positionssensor zurückerhalten hat, reguliert die Positionskontrolleinheit 148 die Reflexionsrichtung.
Ebenso detektiert der Positionssensor, der in dem Motor 143B angebracht ist, als Reaktion auf den Lichteinfall auf den Spiegel 140B die Orientierung des Spiegels 141B. Nachdem sie das Signal von dem Positionssensor zurückerhalten hat, reguliert die Positionskontrolleinheit 148 die Reflexionsrichtung.
Mit der zweidimensionalen Abtasteinrichtung, die die Spiegel 141A und 141B verwendet, die eine konventionelle Struktur aufweisen, kann die Zieloberfläche jedoch aufgrund einer starken Verformung nicht mit dem Laserstrahl, der von den Spiegeln 141A und 141B reflektiert wird, bestrahlt werden.
13 zeigt ein optisches System für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die mit einer optischen Abtasteinrichtung ausgestattet ist, die in 12 illustriert ist. In 13 umfasst die konventionelle Laserbearbeitungsvorrichtung:

a) einen Laseroszillator 151, der einen Laserstrahl erzeugt;
b) einen Kollimator 152, der den Laserstrahl, der von dem Laseroszillator 151 ausgesendet wird, kollimiert;
c) einen Maskenwechsler 153, der den kollimierten Laserstrahl maskiert;
d) einen reflektierenden Spiegel 154, der den durch den Maskenwechsler 153 hindurch gekommenen Laserstrahl reflektiert;
e) eine zweidimensionale optische Abtasteinrichtung 155, die den einfallenden Laserstrahl durch den reflektierenden Spiegel 154 abtastet;
f) eine Abtastlinse 156, die den einfallenden Laserstrahl durch die optische Abtasteinrichtung 155 projiziert, und
g) einen zweidimensionalen Arbeitstisch 158, um ein Werkstück 157, das mit dem projizierten Laserstrahl bearbeitet werden soll, anzubringen. (Das Werkstück 157 ist ein Objekt, das auf dem Arbeitstisch 158 bearbeitet werden soll.)

Die wie oben beschrieben strukturierte Laserbearbeitungsvorrichtung funktioniert auf eine Art, die im weiteren beschrieben wird. Der Laseroszillator 151 erzeugt einen Laserstrahl. Nachdem der Strahldurchmesser mithilfe des Kollimators 152 verändert worden ist, wird der Laserstrahl durch die auf dem Maskenwechsler 153 angebrachte Maske gestrahlt. Ein Teil des Laserstrahls, der durch die Maske verläuft, wird zum Kontrollieren der Abtastrichtung in eine optische Abtasteinrichtung 155 gestrahlt. Die Abtastlinse 156 projiziert die Form der Maske auf das Werkstück 157, das sich auf dem zweidimensionalen Arbeitstisch befindet. Das Werkstück 157 wird nach Maßgabe der projizierten Maskenform bearbeitet.
14 zeigt die Intensitätsverteilung von Laserpunkten, die die Intensität an einigen Orten des gesamten Abtastgebiets vergleicht. Wenn eine Verformung des optischen Spiegels auftritt, variiert die Intensitätsverteilung der Laserpunkte in Abhängigkeit von der Position innerhalb des Abtastgebiets. 14 zeigt schematisch die Verteilung. Die Intensitätsverteilung von Laserpunkten, die die Ver formung des Spiegels anzeigt, wird durch eine Bereich-für-Bereich erfolgende Berechnung des Abtastgebiets unter Benutzung des optischen Bearbeitungssystems, wie in 13 gezeigt, und mithilfe der Daten, die von einem Interferometer gemessen werden, erhalten. 14 zeigt die berechnete Intensitätsverteilung von Laserpunkten, die die Intensität an neun Orten des gesamten Abtastgebiets vergleicht.
An dem zentralen Punkt 161 des Abtastgebiets, wie in 14 gezeigt, behält der Hauptstrahl 161A zum Bearbeiten seine Durchmesserform, die kreisförmig (das heißt symmetrisch) ist, bei. An einem peripheren Punkt des Abtastgebiets, wie 162 zum Beispiel, besitzt der Hauptstrahl 162A zum Bearbeiten jedoch nicht mehr eine symmetrische Form. Weiterhin werden einige Strahlen mit asymmetrischem Strahldurchmesser, zum Beispiel, 162B, 162C und 162D außerhalb des Hauptstrahls 162A beobachtet. Jeder asymmetrische Strahl weist eine deutliche Strahlintensität auf. Dieser Tatbestand hat einen negativen Einfluss auf die Bearbeitung eines Werkstücks, das aus Kunstharz mit einem relativ niedrigen Bearbeitungsschwellwert besteht. Das bedeutet, das an dem zentralen Punkt 161, wo der Hauptstrahl 161A seinen symmetrischen Strahldurchmesser beibehält, das Bearbeitungsloch auf einem Werkstück seine kreisförmige (d.h. symmetrische) Form beibehält. An dem peripheren Punkt 162 beispielsweise erfährt das Bearbeitungsloch auf dem Werkstück jedoch eine Verformung aufgrund einer asymmetrischen Form des Strahldurchmessers. Zudem erzeugen einige asymmetrische Strahlen außerhalb des Hauptstrahls unerwünschte Löcher nahe dem Haupt-Bearbeitungsloch in einem Werkstück. Ein solches Werkstück muss, aufgrund der Fehler nahe dem Haupt-Bearbeitungsloch, als ein schwerwiegend ungenügendes Stück angesehen werden.
Ein optischer Spiegel mit Stützrippen auf seiner Rückseite, und der an einer drehbaren Welle anbringbar ist, ist, zum Beispiel, aus dem Dokument des Stands der Technik EP-A-0 459 010 bekannt. Das Dokument des Stands der Technik US-4 655 543 beschreibt einen optischen Spiegel mit einer geringeren Verformung der Spiegeloberfläche, die durch Spannungsentkopplung zwischen der Welle und dem Spiegel erreicht wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Spiegel zur Verfügung zu stellen, der an eine drehbare Welle in einer Weise anbringbar ist, die eine sehr niedrige Verformung der Spiegeloberfläche verursacht.
Die Lösung gemäß der Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet. Bevorzugte Ausführungsformen werden durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche spezifiziert.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht von der Hinterseite des optischen Spiegels gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform aus gesehen.
2 illustriert eine Verformung, die in dem Spiegel, der in 1 gezeigt ist, auftritt.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht von der Hinterseite eines anderen optischen Spiegels gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform aus gesehen.
4 illustriert eine Verformung, die in dem Spiegel, der in 3 gezeigt ist, auftritt.
5 zeigt das Verhältnis zwischen der Verformung in der Spiegeloberfläche und der Schlitzlänge „L" in den Rippen, die nahe dem Halter gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform angeordnet sind.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht von der Hinterseite eines im wesentlichen rechtwinkligen optischen Spiegels gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform aus gesehen.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer konfigurierten zweidimensionalen optischen Abtasteinrichtung.
8 zeigt eine schematische Ansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung, die die optische Abtasteinrichtung verwendet.
9 zeigt die Intensitätsverteilung der Laserpunkte, die Punkte miteinander vergleichend, in dem gesamten Gebiet, das die Laserbearbeitungsvorrichtung, die in 8 gezeigt ist, abtasten kann.
10A zeigt eine perspektivische Ansicht eines konventionellen optischen Spiegels von der Vorderseite des Spiegels aus gesehen.
10B zeigt eine perspektivische Ansicht des konventionellen optischen Spiegels, der in 10A gezeigt ist, von der Rückseite des Spiegels aus gesehen.
11 illustriert eine Verformung, die in dem konventionellen Spiegel, der in den 10A und 10B gezeigt ist, auftritt, wenn die Motorwelle an dem Spiegel angebracht und mit Schrauben befestigt wird.
12 zeigt eine perspektivische Ansicht einer konfigurierten konventionellen zweidimensionalen optischen Abtasteinrichtung.
13 zeigt eine schematische Ansicht einer konventionellen Laserbearbeitungsvorrichtung, die die konventionelle optische Abtasteinrichtung verwendet.
14 zeigt die Intensitätsverteilung der Laserpunkte, die Punkte miteinander vergleichend, in dem gesamten Gebiet, das die konventionelle Laserbearbeitungsvorrichtung abtasten kann.
Mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen wird im folgenden der optische Spiegel der vorliegenden Erfindung, die optische Abtasteinrichtung, die den optischen Spiegel verwendet, und die konventionelle Laserbearbeitungsvorrichtung, die die optische Abtasteinrichtung verwendet, beschrieben.
Erste bevorzugte Ausführungsform
1 zeigt eine perspektivische Ansicht von der Hinterseite der reflektierenden Fläche 11 des optischen Spiegels 10 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform aus gesehen. Die reflektierende Fläche 10 des optischen Spiegels 11 besitzt dieselbe Konstruktion wie der konventionelle optische Spiegel 120, der in 10A gezeigt ist. Der optische Spiegel gemäß der Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, umfasst eine reflektierende Fläche 11 und einen Halter 18, an dem eine Motorwelle (nicht gezeigt) angebracht ist. Der Halter 18 umfasst weiterhin eine halbrunde Kerbe 12 für die Motorwelle und Schraubenlöcher 13.
Die reflektierende Fläche 11, wie in 1 gezeigt, umfasst auf ihrer Rückseite:

(1) einen Halteträger 14, der sich von dem Halter 18 aus erstreckt;
(2) eine Vielzahl von Verstärkungsrippen 15, die sich von den beiden Seiten des Halteträgers 14 aus auf den Rand der Rückseite der reflektierenden Fläche 11 zu erstrecken; und
(3) Umfangsrippen 16, die nahe an dem Halter 18 angebracht sind und sich entlang des Randes des Spiegels 10 erstrecken. Zusätzlich sind Schlitze 17 zwischen dem Spiegel-Halteträger 14 und den nahe an dem Träger angeordneten Rippen 16 ausgebildet.

Mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen wird im folgenden eine solche Spiegelstruktur 10 der Ausführungsform beschrieben.
Um den optischen Spiegel 10 an der Motorwelle anzubringen, wird die Motorwelle in die halbrunde Kerbe 12 verbracht und mit einem Rückhaltering (nicht gezeigt) gehalten, der ebenso eine halbrunde Kerbe aufweist, und sodann mit Schrauben in den Schraubenlöchern 13 befestigt. Die Durchmesser sowohl der Kerbe 12 als auch der Kerbe des Rückhalterings sind allgemein so dimensioniert, dass sie einige Mikrometer größer sind als der Durchmesser der Motorwelle.
Der Umfang der Motorwelle ist jedoch größer als der Umfang von beinahe halbrunder Form, der von den sich gegenüberliegenden halbrunden Bereichen der Kerbe 12 und der Kerbe des Rückhalterings gebildet wird. Somit übt das Befestigen der Schrauben, um den optischen Spiegel mit der Motorwelle zu verbinden, eine ungewünschte Spannung vertikal auf die Schraubenlöcher 13 entlang der reflektierenden Fläche 11 aus.
Der optischen Spiegel 10 muss genügend Festigkeit gegenüber einer Verformung aufweisen, die zwischen der reflektierenden Fläche 11 und dem Halter 18 auftritt, während der Motor sich dreht. Um eine genügende Festigkeit beizubehalten, sind der Spiegel-Halteträger 14, eine Vielzahl von Rippen 15 und Umfangsrippen 16 nahe dem Halter 18 auf der Rückseite der reflektierenden Fläche 11 ausgebildet. Zusätzlich sind die reflektierende Fläche 11 und der Halter 18 aus einem Stück gefertigt.
Der Spiegel-Halteträger 14 wirkt als Dämpfungselement für die in axialer Richtung erzeugten Vibrationen der Motorwelle, wenn sich der Motor dreht. Zudem tragen die Rippen 15 und 16 maßgeblich dazu bei, die Gleichlaufschwankungen des Spiegels, wenn er sich dreht, zu minimieren.
2 zeigt eine Verformung, die sich in der reflektierenden Fläche 11 ausbildet, wenn der optische Spiegel der Ausführungsform an der Motorwelle angebracht wird. In der 2 zeigen die Kurven die auf den Messergebnissen beruhenden Verformungen. Die in den Rippen 16 ausgebildeten Schlitze 17 hemmen eine Verformung, die an den Schraubenlöchern 13, die auf beiden Seiten der halbrunden Kerbe 12 angeordnet sind, auftritt. Das bedeutet, dass die Schlitze 17 die Ausbreitung der Verformung zu den Rippen 16, die entlang dem Rand der Rückseite der reflektierenden Fläche 11 angeordnet sind, minimieren können. Als Ergebnis weist die reflektierende Fläche 11 in der Nähe des Halters 18 eine geringere Verformung als der konventionelle optische Spiegel, der in den 10A und 10B gezeigt ist, auf. Die in den Rippen 16 ausgebildeten Schlitze 17 können die Spannung aufgrund des Anziehens der Schrauben, um die reflektierende Fläche 11 zutragen, minimieren und somit die Verformung in der Fläche 11 reduzieren.
3 zeigt eine andere Struktur gemäß der Ausführungsform, von der Hinterseite der reflektierenden Fläche 31 des optischen Spiegels 30 aus gesehen. Die reflektierende Fläche 31 des optischen Spiegels 30 besitzt dieselbe Konstruktion wie der konventionelle optische Spiegel 120, der in 10A gezeigt ist. Der optische Spiegel 30 der Ausführungsform, wie in 3 gezeigt, umfasst eine re flektierende Fläche 31 und einen Halter 38, an dem eine Motorwelle (nicht gezeigt) angebracht ist. Der Halter 38 umfasst weiterhin eine halbrunde Kerbe 32 für die Motorwelle und Schraubenlöcher 33.
Wie in 3 gezeigt, weist die reflektierende Fläche 31 auf ihrer Rückseite auf:

(1) einen Halteträger 34, der sich von dem Halter 38 aus erstreckt;
(2) eine Vielzahl von Verstärkungsrippen 35, die sich von den beiden Seiten des Halteträgers 34 aus auf den Rand der Rückseite der reflektierenden Fläche 31 zu erstrecken.

Der optische Spiegel 30, der in 3 gezeigt ist, unterscheidet sich von dem optischen Spiegel 10, der in 1 gezeigt ist, darin, dass die Rippen 16 aus seiner Konstitution entfernt worden sind.
Mit Bezug auf 3 wird im folgenden der so strukturierte Spiegel 30 der Ausführungsform beschrieben. Um den optischen Spiegel 30 an der Motorwelle anzubringen, wird die Motorwelle in die halbrunde Kerbe 32 verbracht und mit einem Rückhaltering (nicht gezeigt) gehalten, der ebenso eine halbrunde Kerbe aufweist, und sodann mit Schrauben in den Schraubenlöchern 33 befestigt. Die Durchmesser sowohl der Kerbe 32 als auch der Kerbe des Rückhalterings sind allgemein so dimensioniert, dass sie einige Mikrometer größer sind als der Durchmesser der Motorwelle. Der Umfang der Motorwelle ist jedoch größer als der Umfang von beinahe halbrunder Form, der von den sich gegenüberliegenden halbrunden Bereichen der Kerbe 32 und der Kerbe des Rückhalterings gebildet wird. Somit übt das Befestigen der Schrauben, um den optischen Spiegel mit der Motorwelle zu verbinden, eine ungewünschte vertikale Spannung auf die Schraubenlöcher 33 entlang der reflektierenden Fläche 31 aus.
Der optischen Spiegel 30 muss genügend Festigkeit gegenüber einer Verformung aufweisen, die zwischen der reflektierenden Fläche 31 und dem Halter 38 auftritt, während der Motor sich dreht. Um eine genügende Festigkeit beizubehalten, sind der Spiegel-Halteträger 34 und eine Vielzahl von Rippen 35 auf der Rückseite der reflektierenden Fläche 31 ausgebildet. Zusätzlich sind die reflektierende Fläche 31 und der Halter 38 aus einem Stück gefertigt.
Der Spiegel-Halteträger 34 wirkt als Dämpfungselement für die in axialer Richtung erzeugten Vibrationen der Motorwelle, wenn sich der Motor dreht. Zudem tragen die Rippen 35 maßgeblich dazu bei, die Gleichlaufschwankungen des Spiegels, wenn er sich dreht, zu minimieren.
4 zeigt eine Verformung, die in der reflektierenden Fläche des in 3 gezeigten Spiegels auftritt. In der 4 zeigen die Kurven die auf den Messergebnissen basierende Verformung. Wie in 4 gezeigt, tritt die Verformung an den Schraubenlöchern 33 auf, die auf den beiden Seiten der halbrunden Kerbe 32 angeordnet sind, und ihre Ausbreitung zu der reflektierenden Fläche 31 ist gehemmt. Als Ergebnis weist der optischen Spiegel 30 in der Nähe des Halters 38 eine geringere Verformung als der konventionelle optische Spiegel, der in den 10A und 10B gezeigt ist, auf. Das bedeutet, dass der optische Spiegel 30, der in 1 gezeigt ist, die Spannung, die von dem Festziehen der Schrauben resultiert, und die auf die reflektierende Fläche 31 übertragen wird, minimieren und dadurch die Verformung der Fläche 31 reduzieren kann.
5 zeigt die Beziehung zwischen der Verformung der Spiegeloberfläche und der Schlitzlänge „L" in den Rippen, die nahe dem Halter angeordnet sind. Die Verformung der reflektierenden Fläche, die in 5 gezeigt ist, wird gemessen, wenn die Motorwelle an dem optischen Spiegel angebracht wird. Der für die Messung verwendete optische Spiegel ist aus Material gefertigt ist, das Beryllium enthält. Im allgemeinen liegt die akzeptable Verformung mit Hinsicht auf die erforderliche Präzision der Fläche des optischen Spiegels, wie oben beschrieben, bei höchsten 900 nm. Das ist zu einer Differenz des Lichtwegs von maximal eineinhalb Wellenlängen äquivalent, wenn das Licht mit einem Strahldurchmesser von mehr als 25 mm reflektiert und mit einem Interferometer unter Verwendung eines Helium-Neon-Lasers gemessen wird.
Wie in 5 gezeigt, kann der Grad der Verformung in der Oberfläche auf einen akzeptablen Wert von höchsten 900 nm gedrückt werden, wenn ein Schlitz von wenigstens 1 mm (dessen Länge mit „L" gekennzeichnet ist) in der Rippe, die nahe an dem Halter angeordnet ist, ausgebildet wird. Wie in 5 gezeigt, weist der Schlitz, dessen Länge „L" größer als 2 mm ist, keinen weiteren Vorteil bezüglich des P-V-Werts für die Oberflächenpräzision der reflektierenden Fläche auf.
Das Ausbilden von Schlitzen 17 (1) in den Rippen 16 nahe dem Halter ist somit eine entscheidende Determinante hinsichtlich der Minimisierung der durch das Festziehen der Schrauben, um die reflektierende Fläche zu tragen, verursachten Verformung.
Die reflektierenden Flächen sind in den 1 und 3 als im wesentlichen kreisförmige gezeigt.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines anderen optischen Spiegels der Ausführungsform von der Rückseite des im wesentlichen rechtwinkligen Spiegels aus gesehen. Die reflektierende Fläche, wie in 6 gezeigt, weist eine im wesentliche rechtwinklige Form auf.
Die reflektierende Fläche 61 besitzt auf ihrer Rückseite:

(1) einen Halteträger 64, der sich von dem Halter 68 aus erstreckt;
(2) eine Vielzahl von Verstärkungsrippen 65, die sich von den beiden Seiten des Halteträgers 14 aus auf den Rand der Rückseite der reflektierenden Fläche 61 zu erstrecken; und
(3) Umfangsrippen 66, die nahe an dem Halter 68 angebracht sind und sich entlang des Randes des Spiegels 60 erstrecken. Zusätzlich sind Schlitze 67 zwischen dem Spiegel-Halteträger 64 und den nahe an dem Träger angeordneten Rippen 66 ausgebildet.

Wie der in 1 gezeigte Spiegel ist auch der in 6 gezeigte optische Spiegel wirkungsvoll. Ebenso wie in der Struktur, die in 3 gezeigt ist, können die Rippen 66, die nahe an dem Halter angeordnet sind, von der Konstitution entfernt werden.
Zweite bevorzugte Ausführungsform
Die Ausführungsform betrifft eine zweidimensionale optische Abtasteinrichtung, die mit dem optischen Spiegel, der in der vorherigen Ausführungsform beschrieben wurde, ausgestattet ist. Im weiteren wird die optische Abtasteinrichtung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Die zweidimensionale optische Abtasteinrichtung der Ausführungsform umfasst, wie in 7 gezeigt, zwei Sätze von Galvano-Spiegeln 90A, 90B und eine Positionskontrolleinheit 98. Der in der ersten bevorzugten Ausführungsform beschriebene optische Spiegel wird als optischer Spiegel 91A und 91B für die Galvano-Spiegel 90A und 90B verwendet.
Da die Struktur hinsichtlich des Motors und der Motorwelle von der konventionellen Art ist, wie in 12 gezeigt, erübrigt sich eine weitere Erklärung.
Der optische Spiegel 91A des Galvano-Spiegels 90A, wie in 7 gezeigt, dreht sich horizontal um die Motorwelle 92A, während der Spiegel 91B des Galvano-Spiegels 90B sich schnell vertikal um die Motorwelle 92B (nicht gezeigt) dreht.
Die optische Abtasteinrichtung, wie oben beschrieben strukturiert, funktioniert auf eine Art, wie sie im weiteren beschrieben wird. Der optischen Spiegel 91A reflektiert einen Laserstrahl 95, der in 9 gezeigt ist, um diesen auf eine gewünschte Position auf den optischen Spiegel 91B zu leiten. Als Reaktion auf die Reflexion detektiert der Positionssensor, der in dem Motor 93A des Galvano-Spiegels 90A angebracht ist, die Orientierung des Spiegels.
Die optische Abtasteinrichtung wie oben beschrieben funktioniert auf eine Art, wie sie im weiteren beschrieben wird. Der optischen Spiegel 91A reflektiert einen Laserstrahl 95, der in 9 gezeigt ist, um diesen auf eine gewünschte Position auf den optischen Spiegel 91B zu leiten. Als Reaktion auf die Reflexion detektiert der Positionssensor, der in dem Motor 93A des Galvano-Spiegels 90A angebracht ist, die Orientierung des Spiegels 91A. Nachdem sie das Signal von dem Positionssensor zurückerhalten hat, reguliert die Positionskontrolleinheit 98 die Reflexionsrichtung.
Ebenso detektiert der Positionssensor, der in dem Motor 93B angebracht ist, als Reaktion auf den Lichteinfall auf den Spiegel 90B die Orientierung des Spiegels 91B. Nachdem sie das Signal von dem Positionssensor zurückerhalten hat, reguliert die Positionskontrolleinheit 98 die Reflexionsrichtung.
Auf diese Weise wird es der zweidimensionalen Abtasteinrichtung der Ausführungsform ermöglicht, das Licht 95, das aus einer festen Richtung einfällt, geeignet auf eine gewünschte Position der Oberfläche zu leiten.
Die Abtasteinrichtung der Ausführungsform verwendet die optischen Spiegel 91A und 91B, die zuvor in der ersten bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurden. Der Laserstrahl wird durch die Spiegel 91A und 91B reflektiert und dann geeignet mit einer sehr kleinen Verformung auf die gewünschte Oberfläche gestrahlt.
Wenn auch die reflektierende Fläche des optischen Spiegels der Ausführungsform im wesentlichen kreisförmig ist, ist es auch möglich eine im wesentlichen rechtwinklige reflektierende Fläche für den optischen Spiegel zu demselben Zweck zu verwenden, wie es in 6 gezeigt ist. Eine Kombination dieser verschieden geformten Spiegel ist ebenso möglich: ein optischer Spiegel kann einen im wesentlichen runden Spiegel aufweisen, während der andere einen im wesentlichen rechtwinkligen aufweisen kann.
Dritte bevorzugte Ausführungsform
Die Ausführungsform betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die mit der zweidimensionalen optischen Abtasteinrichtung ausgestattet ist, die in der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde.
8 zeigt ein optisches System, das eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die die optische Abtasteinrichtung, die in 7 gezeigt ist, verwendet. Die in der zweiten bevorzugten Ausführungsform beschriebene Abtasteinrichtung wird für die zweidimensionale Abtasteinrichtung 105 (8) verwendet, die von der Laserbearbeitungsvorrichtung der Ausführungsform verwendet wird. Die Abtasteinrichtung 105 besitzt natürlich den optischen Spiegel, der in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Ein Laseroszillator und die übrige Struktur, mit Ausnahme des optischen Spiegels für die Abtasteinrichtung 105 sind dieselben, wie die in der konventionellen Art in 12 gezeigt gezeigten, sodass sich eine Beschreibung erübrigt.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung, die wie oben beschrieben strukturiert ist, funktioniert in einer Weise, die im folgenden beschrieben wird. Der Laseroszillator 101 erzeugt einen Laserstrahl. Nachdem der Strahldurchmesser mithilfe des Kollimators 102 verändert worden ist, wird der Laserstrahl durch die auf dem Maskenwechsler 103 angebrachte Maske gestrahlt. Ein Teil des Laserstrahls, der durch die Maske verläuft, wird zum Kontrollieren der Abtastrichtung über einen reflektierenden Spiegel 104 in eine optische Abtasteinrichtung 105 gestrahlt. Die Abtastlinse 106 projiziert die Form der Maske auf das Werkstück 107, das sich auf dem zweidimensionalen Arbeitstisch befindet. Das Werkstück 107 wird nach Maßgabe der projizierten Maskenform bearbeitet.
9 zeigt die Intensitätsverteilung von Laserpunkten, die die Intensität an neun Orten des gesamten Abtastgebiets vergleicht. An sämtlichen Punkten in dem Zentrum und der Peripherie, wie in 9 gezeigt, behält jeder Hauptstrahl zur Bearbeitung seine kreisförmige, d.h. symmetrische, Durchmesserform bei. Während der Bearbeitung eines Werkstücks aus Kunstharz mit einem relativ niedrigen Bearbeitungsschwellwert kann jeder Hauptstrahl gleichmäßig ein Loch mit seiner kreisförmigen oder symmetrischen Durchmesserform erzeugen. Anders als mithilfe der konventionellen Vorrichtung, weisen die Werkstücke keine Fehler, wie unerwünschte Löcher nahe dem Haupt-Bearbeitungsloch, auf.
Wenngleich die reflektierende Fläche des optischen Spiegels der Ausführungsform im wesentlichen kreisförmig geformt ist, so ist es auch möglich eine im wesentlichen rechtwinklig geformte reflektierende Fläche, wie in 6 gezeigt, für den optischen Spiegel mit demselben Resultat zu verwenden. Wie in 8 gezeigt, ist auch eine Kombination dieser verschieden geformten Spiegel möglich: ein optischer Spiegel kann einen im wesentlichen runden Spiegel aufweisen, während der andere einen im wesentlichen rechtwinkligen aufweisen kann.
Bei dem optischen Spiegel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen von den Verstärkungsrippen, die an der Rückseite angeordnet sind, die Rippen nahe dem Halter Schlitze angrenzend an dem Halteträger, der sich quer über die Rückseite der reflektierenden Fläche erstreckt, auf. Sodann ist gemäß einer anderen Ausführungsform der Halter des optischen Spiegels so strukturiert, dass die Fläche des Halters, an der die Motorwelle anzubringen ist, beinahe senkrecht entlang der reflektierenden Fläche angeordnet ist. Bei einer solcherart verbesserten Struktur ist die Verformung, die in der reflektierenden Fläche aufgrund des Anziehens der Schrauben auftritt, lokal begrenzt und vernachlässigbar. Bei der Laserbearbeitung erlaubt der reflektierende Spiegel der vorliegenden Erfindung die Bearbeitung eines Werkstücks ohne Fehler außerhalb des Haupt-Bearbeitungslochs.

Claims

Drehbarer optischer Spiegel (10, 30, 60), der an einer Motorwelle angebracht werden kann, wobei der optische Spiegel (10, 30, 60) umfasst: eine reflektierende Fläche (11, 31. 61) mit einem Rand und einer Rückseite; einen Halter (18, 38, 68), mit dem der optische Spiegel (10, 30, 60) an der Motorwelle angebracht werden kann; einen Halteträger (14, 34, 64), der an der Rückseite angeordnet ist und sich von dem Halter (18, 38, 68) erstreckt; und eine Vielzahl erster Rippen (15, 35, 65), die sich von dem Halteträger (14, 34, 64) auf den Rand zu erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass: Umfangsrippen (16, 36, 66) nahe an dem Halter (18, 38, 68) angeordnet sind und sich an dem Rand entlang erstrecken, und dass Schlitze (17, 37, 67) zwischen dem Halter (18, 38, 68) und den Umfangsrippen (16, 36, 66) vorhanden sind.
Drehbarer Spiegel nach Anspruch 1, wobei die Umfangsrippen (16, 36, 66) am Umfang der Rückseite entlang angeordnet sind.
Drehbarer Spiegel nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die Umfangsrippen (16, 36, 66) wenigstens 1 mm von dem Halteträger (14, 34, 64) beabstandet sind.
Optische Abtasteinrichtung, die einen optischen Spiegel (91A, 91B) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und einen Motor (92A, 92B) mit einer Motorwelle umfasst.
Laserbearbeitungsvorrichtung, die eine optische Abtasteinrichtung (155) nach Anspruch 4 umfasst, wobei die optische Abtasteinrichtung (155) auf einem Lichtweg eines Laserstrahls von einem Laseroszillator (101) angeordnet ist.