DE69636668T2

DE69636668T2 - Laserablenkungssystem mit reflexionsoptik

Info

Publication number: DE69636668T2
Application number: DE69636668T
Authority: DE
Inventors: John A. Santa Rosa Macken
Original assignee: Optical Engineering Inc
Current assignee: Utica Enterprises Inc
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1996-03-06
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: EP0813696A4; US5561544A; ES2276399T3; EP0813696B8; PT813696E; WO1996027814A1; JPH11501738A; ATE344469T1; EP0813696B1; USRE38165E1; DE69636668D1; EP0813696A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Lasergeräte, die sowohl einen Laserstrahl ablenken sowie die optische Bahn einstellen können, um eine variable Brennweite des Laserstrahls zu erhalten.
Hintergrund
Laserablenkungssysteme verwenden typischerweise Galvanometermotoren, um den Winkel von Ablenkspiegeln zu verändern. Üblicherweise wird die X- und Y-Richtung durch separate Motoren gesteuert. Bei vielen Anwendungen wird ein Laserstrahl auf ein Werkstück gelenkt. Um eine hohe Leistungsdichte zu erhalten, wird der Laserstrahl üblicherweise an diesem Werkstück fokussiert. Spezielle Linsen wurden entwickelt, um eine gute Fokussierung an einer flachen Werkstückoberfläche selbst bei einem großen Übertragungswinkel zu erreichen. Einige Anwendungen erfordern es, dass der Laserstrahl unabhängig fokussierbar ist, um einer konturierten Oberfläche Rechnung zu tragen. Normalerweise erfolgt diese Fokussierung durch das Verschieben einer oder mehrerer Linsen in einem optischen System, um eine variable Brennweite zu erreichen. Nachteilhafterweise können durch leistungsstarke CO₂-Laser thermische Verzerrungen in Linsen hervorgerufen werden, welche die Qualität des Laserstrahls verschlechtern. Darüber hinaus sind Linsen kurzlebiger als Metallspiegel für Hochleistungslaseranwendungen. Daher ist es von Vorteil, vollreflektierende optische Komponenten für Anwendungen mit leistungsstarken CO₂-Lasern zu verwenden. Ein Problem besteht hierbei in der Herstellung eines Ablenksystems für verschiedene Anwendungen. Dabei besteht ein Problem in der Herstellung eines Ablenkungssystems mit einer variablen Brennweite. Eine Veränderung der Brennweite erfordert eine Veränderung der Länge der optischen Bahn. Bei reflektierenden Optiken hat eine Veränderung der Bahnlänge üblicherweise auch eine unerwünschte Ablenkung des Strahls zur Folge. Die hierin vorgeschlagene Erfindung betrifft ein vollreflektierendes Laserablenkungssystem, bei dem eine Fokuseinstellung mit einer minimalen Translationsbewegung und darüber hinaus ohne ein Herbeiführen irgendeiner Ablenkung oder Verschiebung des Laserstrahls erfolgen kann. Ein diesbezügliches reflektierendes Laserablenkungssystem ist aus der US 4 812 613 A bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserablenkungssystem mit reflektierender Optik. Um eine einstellbare Brennweite für den abgelenkten Laserstrahl zu erreichen, ist es erforderlich, die Länge der optischen Bahn zwischen zwei Spiegeln, die eine optische Eigenschaft besitzen (gekrümmte Spiegelflächen) zu verändern. Um dies zu erreichen, sind zwei zusätzliche Flachspiegel, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind, in der optischen Bahn zwischen den gebogenen Spiegeln angeordnet. Eine Verschiebung der beiden senkrechten Spiegel in einer bestimmten Richtung verändert die Länge der optischen Bahn zwischen den gekrümmten Spiegeln, wodurch wiederum eine einstellbare Fokussierung des abgelenkten Strahls erfolgt, ohne eine zusätzliche Streuung des abgelenkten Strahls zu verursachen. In einem allgemeinen Aspekt der Erfindung wird ein Laserablenkungssystem gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. In einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren gemäß Anspruch 4 vorgeschlagen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht eines vollreflektierenden Laserablenkungssystems;
2 ist eine Draufsicht eines vollreflektierenden Laserablenkungssystems, in der die optischen Komponenten vor den Ablenkspiegeln gezeigt sind.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vollreflektierenden Ablenkungssystems 10. Ein Laserstrahl 20, der in Richtung des Pfeils 28 propagiert, trifft auf einen gekrümmten Reflektor 11. In dieser Darstellung ist der Reflektor 11 vorzugsweise ein außeraxialer Parabolspiegel, der den Laserstrahl 20 an einem Fokussierpunkt 21 fokussiert. Dieser Laserstrahl trifft anschließend auf die Flachspiegel 12 und 13. Der Laserstrahl trifft anschließend auf den gekrümmten Spiegel 14. Dieser gekrümmte Spiegel 14 ist vorzugsweise ein außeraxialer Ellipsenspiegel. Der Laserstrahl pflanzt sich fort, um auf die Ablenkspiegel 15 und 16 aufzutreffen. Diese Ablenkspiegel können gedreht werden, um den Strahl zu steuern. Beispielsweise kann der Spiegel 15 um die Achse 25 und der Spiegel 16 um die Achse 26 gedreht werden. Ein einzelner Ablenkspiegel könnte ebenfalls verwendet werden. 1 zeigt den Laserstrahl, der an drei alternativen Fokussierpunkten, die mit 22A, 22B oder 22C bezeichnet sind, fokussiert wird. Diese werden lediglich zum Zwecke der Darstellung verwendet. Der Laserstrahl würde jeweils nur auf einen Punkt treffen. Der tatsächliche Fokussierungspunkt 22 wird als der "externe Fokus" bezeichnet, da er außerhalb der optischen Komponenten liegt.
In 1 ist ein Werkstück 30 in Form einer im Wesentlichen flachen Platte dargestellt. Um einen Laserstrahl zu fokussieren, ist auch an einer flachen Oberfläche eine Brennweiteneinstellung erforderlich, um die Veränderung der Bahnlänge, die durch eine Veränderung des Ablenkwinkels hervorgerufen wird, zu kompensieren. Wenn das Werkstück 30 eine konturierte Oberfläche hätte, wäre der Bereich der Brennweiteneinstellung sogar noch größer. In 1 sind die Spiegel 12 und 13 in etwa senkrecht zueinander an einer Basis 17 angebracht. Diese Spiegel können in einer Richtung 27 verschoben werden, während sie ihre relative Orientierung in etwa beibehalten. Die Richtung 27 ist im Wesentlichen parallel zur Ausbreitungsrichtung des Strahls zwischen dem Fokussierpunkt 21 und dem Mittelpunkt des Spiegels 12, auf den der Strahl auftrifft. Die vier Spiegel 11, 12, 13 und 14 können als der erste, zweite, dritte bzw. vierte Spiegel bezeichnet werden.
2 ist eine Draufsicht eines Teils des in 1 gezeigten Ablenkungssystems. In 2 ist ein Laser 19 gezeigt. Darüber hinaus ist ein Laserstrahl 20 gezeigt, der einen Strahl 20A hat, der im Folgenden als die "mittlere optische Bahn" bezeichnet wird. In 2 sind die Spiegel 12 und 13 sowie die Basis 17 in zwei verschiedenen möglichen Positionen gezeigt. Diese beiden Positionen werden durch das Hinzufügen der Buchstaben N oder M zu den Nummern 12, 13 und 17 unterschieden. Die Translationsbewegung, die zur Erreichung dieser neuen Position erforderlich ist, entspricht einem Abstand E, der in 2 dargestellt ist. 2 zeigt darüber hinaus einen Punkt 23, der als der Punkt definiert ist, an dem die mittlere optische Bahn 20A auf den Spiegel 14 trifft. Darüber hinaus ist der Abstand von dem Fokussierungspunkt 21 zum Spiegel 12 entlang der mittleren optischen Bahn als der Abstand B angegeben. Darüber hinaus ist der Abstand der mittleren optischen Bahn zwischen dem Spiegel 13 und dem Spiegel 14 als der Abstand D angegeben. Die mittlere optische Bahn zwischen den Spiegeln 12N und 13N oder 12M und 13M ist als der Abstand C angegeben. Schließlich ist die mittlere optische Bahn zwischen dem vierten Spiegel (Punkt 23) und dem externen Fokussierungspunkt 22M als der Abstand S(M) angegeben. Dieser Fokussierungspunkt entsteht, wenn die Spiegelpositionen 12M und 13M verwendet werden. Wenn die Spiegelpositionen 12N und 13N verwendet werden, wird der Fokussierungspunkt 22N in einem Abstand S(N) von dem Punkt 23 erhalten. Der Abstand zwischen den Fokussierungspunkten 22N und 22M [S(N) – S(M)] ist im Vergleich zu dem in 2 gezeigten Verschiebeabstand E nicht maßstabsgetreu gezeigt. Tatsächlich besteht einer der Vorteile des Anordnens der Klappspiegel 12 und 13 in der optischen Bahn zwischen dem Spiegel 11 und dem Spiegel 14 darin, dass diese Aufstellung die größtmögliche Veränderung der Brennweite [S(N) – S(M)] für die kleinste Veränderung des Abstandes E bewirkt. Darüber hinaus sind Spiegel 15 und 16 in 1 jedoch nicht in 2 gezeigt.
Die mittlere optische Bahnlänge zwischen dem Fokussierungspunkt 21 und dem Punkt 23 wird als "s" bezeichnet. Folglich ist s = B + C + D, wenn die Spiegel 12 und 13 sich in Stellungen befinden, die in 2 mit 12N und 13N angegeben sind. Wenn diese Spiegel in die Stellungen 12M und 13M bewegt werden, dann ist s = B + E + C + E + D. Der Hohlspiegel 14 besitzt eine wirksame Brennweite "F", die als die Brennweite des Spiegels definiert ist, wenn paralleles Licht fokussiert wird. Wenn das einfallende Licht nicht parallel ist, dann gilt die Formel 1/s + 1/S = 1/F.
Der Abstand S ist definiert als die Länge der optischen Bahn zwischen dem externen Fokussierungspunkt 22 und dem Punkt 23. Dieser betrifft den vorher festgelegten Teil des Laserstrahls, der durch die Ablenkspiegel 15 und 16 abgelenkt wird. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zu verhindern, dass durch die Fokussierungseinstellung eine wesentliche Ablenkung dieses vorher festgelegten Abschnitts des Laserstrahls erfolgt. Bei CO2-Laseranwendungen sollte die Winkelablenkung, die durch eine Veränderung des externen Fokussierungspunktes bewirkt wird, auf weniger als 3 Milliradian bei einer Änderung des Abstandes S um 10% gehalten werden. Durch ein präzises Verschieben der Spiegel 12 und 13 in Richtung 27 (1) während die senkrechte Ausrichtung beibehalten wird, kann dieses Ziel erreicht werden.
In 2 sind die optischen Strahlen unter der Annahme gezeichnet, dass der Spiegel 11 außeraxial konkav ist. Eine weitere Möglichkeit wäre, dass der Spiegel 11 ein konvexer außeraxialer Parabolspiegel ist. Wenn dies der Fall wäre, dann würden die Strahlen, die von dem Spiegel 11 reflektiert werden, von dem Spiegel 11 divergieren. Diese divergierenden Strahlen hätten einen virtuellen Fokussierungspunkt hinter dem Spiegel 11, und es würde ein Abstand B von diesem virtuellen Fokussierungspunkt aus gemessen. Der Fokussierungspunkt 21 würde dann als dieser virtuelle Fokussierungspunkt definiert werden. Folglich kann für beide Fälle festgehalten werden, dass der Spiegel 11 eine gekrümmte Fläche aufweist. Der Spiegel 14 muss jedoch immer eine konkav gekrümmte Fläche haben, um richtig zu funktionieren. Es ist darüber hinaus festzuhalten, dass die bevorzugte Krümmung des Spiegels 14 eine außeraxiale Ellipse ist. Es ist jedoch auch festzuhalten, dass weniger ideale Krümmungen ebenfalls eine entsprechende Wirkung haben. Zum Beispiel würde eine halbkugelförmige Fläche am Spiegel 14 einen größeren Fokussierungspunkt erzeugen. Ein Fokussierungspunkt mit einem größeren Durchmesser kann jedoch zweckmäßig sein, um die gewünschte Funktion zu erfüllen. Daher kann der Spiegel 14 allgemein als eine konkav gekrümmte Oberfläche bezeichnet werden. In ähnlicher Weise wurde der Spiegel 11 als ein außeraxialer Parabolspiegel bezeichnet. Dies betrifft die bevorzugte Oberfläche, wenn der Laserstrahl 20 im Wesentlichen parallel ist, wie dargestellt. Eine außeraxiale Ellipse wäre die bevorzugte Oberfläche, wenn der Laserstrahl 20 entweder konvergent oder divergent ist. Jedoch können, wie bereits erwähnt, auch andere gekrümmte Oberflächen, wie z. B. eine kugelförmige Fläche, akzeptable Ergebnisse liefern.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben wurde, können selbstverständlich andere Modifizierungen erfolgen, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie in den beigefügten Ansprüchen festgelegt.

Claims

Laserablenkungssystem (10) umfassend: – einen Laserstrahlgenerator (19) zur Erzeugung eines Laserstrahls (20) mit einer mittleren optischen Bahn (20A); – einen ersten Spiegel (11), der gekrümmt ist und zu dem der Laserstrahl propagiert und von dem dieser reflektiert wird; – einen zweiten Spiegel (12), der flach ist und zu dem der von dem ersten Spiegel reflektierte Laserstrahl propagiert und von dem dieser reflektiert wird; – einen dritten Spiegel (13), der flach ist und zu dem der von dem zweiten Spiegel reflektierte Laserstrahl propagiert und von dem dieser reflektiert wird; – einen vierten Spiegel (14), der gekrümmt und konkav ist und zu dem der von dem dritten Spiegel reflektierte Laserstrahl propagiert und von dem dieser auf einen Fokussierungspunkt (22) in einem Abstand S reflektiert wird; – wenigstens einen Ablenkungsspiegel (15, 16), der den von dem vierten Spiegel reflektierten Laserstrahl umlenkt, bevor er den Fokussierungspunkt (22) erreicht; und – eine Basis (17), an welcher der zweite und der dritte Spiegel (12, 13) senkrecht zueinander angebracht sind, und von welcher der zweite und der dritte Spiegel auf den ersten und den vierten Spiegel (11, 14) zu bewegt und von diesen wegbewegt werden, um den Stahlabstand S zum Fokussierungspunkt (22) zu verändern.
Laserstrahlablenkungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem die Krümmung des ersten und des vierten Spiegels (11, 14) außeraxial ist.
Laserstrahlablenkungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem der erste Spiegel den Strahl durch einen Fokussierungspunkt fokussiert.
Verfahren zum Ablenken eines Laserstrahls, umfassend: – das Propagieren eines Laserstrahls (20) mit einer mittleren optischen Bahn (20A) zu einem ersten Spiegel (11), der gekrümmt ist und von dem der Laserstrahl auf einen zweiten Spiegel (12) reflektiert wird, der flach ist und von dem der Laserstrahl auf einen dritten Spiegel (13) reflektiert wird, der flach ist und von dem der Laserstrahl auf einen vierten Spiegel (14) reflektiert wird, der gekrümmt und konkav ist und von dem der Laserstrahl auf einen Fokussierungspunkt (22) in einem Abstand S reflektiert wird; – das Umlenken des Laserstrahls mit wenigstens einem Ablenkspiegel (15, 16) nach dem Reflektieren durch den vierten Spiegel (14), jedoch vor dem Erreichen des Fokussierungspunktes (22); und – das Bewegen des zweiten und des dritten Spiegels (12, 13) in Richtung (27) auf den ersten und den vierten Spiegel (11, 14) oder davon weg, während diese senkrecht zueinander sind, um den Abstand zum Fokussierungspunkt (22) bei Bedarf zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Bewegen des zweiten und des dritten Spiegels eine Winkelablenkung des Laserstrahls (20) von weniger als 3 Milliradiant bei einer Änderung des Abstandes S um 10% bewirkt.