DE69714799T2

DE69714799T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Ablenkung eines Laserstrahles mittels eines einzelnen Spiegels

Info

Publication number: DE69714799T2
Application number: DE69714799T
Authority: DE
Inventors: Angelo Bove; Gabriele Clementi; Leonardo Masotti
Original assignee: El En SpA
Current assignee: El En SpA
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: DE69714799D1; ITFI960024A0; EP0790512B1; EP0790512A1; US5754327A; ES2180914T3; IT1286550B1; ITFI960024A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ablenken eines Laserstrahles, von der Art, dass ein Spiegel sowie Mittel enthalten sind, die den Spiegel gemäß einer vorbestimmten Gleichung ausrichten, um einen Laserstrahl abzulenken.

Allgemeiner Stand der Technik

Laser werden gegenwärtig in zahlreichen Anwendungsfällen eingesetzt, in denen es erforderlich ist, den Laserstrahl gemäß einer speziellen Bewegungsgleichung zu kontrollieren. Beispielsweise wird ein Laserkopf, in dem der Strahl durch die Reflexion von zwei Spiegeln abgelenkt wird, die von zwei Galvanometern kontrolliert werden, üblicherweise für die Kennzeichnung von Metallen benutzt. Jeder Spiegel ist so gestaltet, dass er durch das entsprechende Galvanometer auf kontrollierte Weise um seine eigene Achse oszilliert, und die zwei Achsen sind in Bezug zueinander orthogonal. Auf diese Weise kann der abgehende Strahl gemäß einem Koordinatensystem abgelenkt werden, und sein Weg kann kontrolliert werden, um die gewünschte Funktionsfähigkeit zu erhalten.
Auf medizinischem Gebiet gibt es verschiedene Behandlungen, bei denen ein Laserstrahl eingesetzt wird, der mittels eines Paares von Galvanometern kontrolliert wird, um eine Abtastbewegung auszuführen.
Die gegenwärtig bekannten Ablenksysteme, die zwei durch entsprechende Galvanometer gesteuerte Spiegel benutzen, sind kompliziert und umständlich.
Die US-A-4157861 offenbart ein optisches Strahlsteuersystem, welches einen Spiegel sowie Mittel zur Ausrichtung des Spiegels gemäß einer vorbestimmten Gleichung für die kontrollierte Ablenkung des Laserstrahls enthält, wobei der Spiegel in einer solchen Weise gehalten wird, dass er um zwei Achsen oszillieren kann; die Mittel zur Ausrichtung des Spiegels eine Vielzahl von Elektromagneten umfassen, die mit Strömen versorgt werden, welche kontrolliert werden und zeitvariabel sind, um Magnetkräfte auf den Spiegel auszuüben. Es sind elastische Mittel vorgesehen, welche auf den Spiegel Kräfte ausüben, welche den Magnetkräften entgegen wirken. Die elastischen Mittel liegen dabei in Form einer Vielzahl von Schraubenfedern vor.
Die S-A-5239361 offenbart eine dynamische Spiegelausrichtvorrichtung für das Interferometer eines Infrarot-Spektrometers, welche einen Spiegel enthält, der von einem Kugelgelenk auf einer Unterlage gehalten wird, und ein Paar von elektromagnetischen Spulen für das gesteuerte Kippen des Spiegels. Zwischen dem Spiegel und der Unterlage sind vier Schraubenfedern angeordnet, die vorgesehen sind, das Gleichgewicht der elektromagnetischen Kräfte herzustellen.

Aufgaben und Offenbarung der Erfindung

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ablenkvorrichtung für einen Laserstrahl vorzusehen, die einfacher, kompakt und wirtschaftlich ist und die einen umfangreicheren Einsatz des Strahls sogar in Anordnungen und Situationen erlaubt, in denen die gewöhnlichen Ablenksysteme mit doppelten Spiegeln ungeeignet wären.
Diese Aufgaben werden mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 erfüllt. Weitere vorteilhafte Merkmale werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
In der Praxis kann das System zwei Paare von Polstücken aufweisen; ein gewöhnlicher elektrischer Leiter ist um die Polstücke eines jeden Paares gewickelt. Auf diese Weise wirken auf den Spiegel zwei Kräftepaare (wobei jedes aus den anziehenden und den abstoßenden Kräften besteht, die von den entsprechenden zwei gegenüberliegenden Polstücken ausgeübt werden). Auf diese Weise wird ein besonders vorteilhaftes System erhalten, da es nur noch erforderlich ist, zwei Ströme (einen für jedes Paar von Polstücken) zu regeln, um die Bewegungen des Spiegels zu kontrollieren.
Da es von Vorteil ist, ein symmetrisches System zu benutzen, sind in der Praxis die zwei Polstücke von jedem Paar in Position, diametral gegenüber in Bezug auf den Spiegel und in 90º zueinander angebracht.
Das elastische Glied, das um das Kugelgelenk herum angeordnet ist, kann beispielsweise eine Schraubenfeder sein, die zwischen einem festen Aufbau und der Auflage des Spiegels wirkt. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das elastische Glied aus einem ringförmigen Körper oder einer Hülse aus einem elastischen Material, beispielsweise einem Elastomer oder etwas Entsprechendem. Das elastische Glied tendiert, den Spiegel in eine Position von minimaler Energie zurück zu bringen, bei der die Normale seiner Fläche parallel zu den Achsen der Polstücke ist. Wenn die elektrischen Wicklungen, die auf die Polstücke gewickelt sind, Magnetkräfte auf den Spiegel erzeugen, tendieren die Kräfte, den Spiegel aus seiner oder in seine Ruheposition zu bewegen, wobei sie das elastische Glied verformen und somit die Kräfte der elastischen Reaktion erzeugen. Die Position des Spiegels wird durch das Gleichgewicht zwischen den Magnetkräften und den elastischen Kräften bestimmt und verändert sich so, wie die Stärke des Stromes in den verschiedenen Polstücken gemäß einer spezifischen Gleichung verändert wird.
Die Vorrichtung kann in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, die am Ende der Beschreibung einer Ausführungsform der Vorrichtung angegeben werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen, die eine nicht einschränkende praktische Ausführungsform der Erfindung darstellen, besser verstanden. Dabei zeigt in den Zeichnungen:
Fig. 1 eine Seitenansicht und einen Teilschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 einen quergeführten Schnitt längs II-II in Fig. 1; und
Fig. 3 eine schematische Perspektivdarstellung der Vorrichtung, bei der einige Teile weggelassen worden sind.

Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung

Die Vorrichtung umfasst einen Spiegel 1, der in dem in den Zeichnungen dargestellten Beispiel kreisförmig ist und der von einer Unterlage 3 aus einem ferromagnetischen Material gehalten wird. Die Unterlage ist an einer Auflage 5 fest angebracht, die mittels eines Kugelgelenks 7 mit einem Aufbau 9 verbunden ist.
Zwei Paare von Polstücken 11A, 11B und 13A, 13B sind am Aufbau 9 befestigt. Die Polstücke eines jeden Paares liegen einander diametral gegenüber. Ein erster gemeinsamer Leiter 15, durch welchen ein zeitvariabler Strom I&sub1;&sub5; geleitet wird, ist um die beiden Polstücke 11A, 11B des ersten Paares gewickelt. Ein Leiter 17, durch welchen ein Strom I&sub1;&sub7; geleitet wird, der auch zeitvariabel ist, ist um die Polstücke 13A, 13B des anderen Paares gewickelt. Der Durchfluss der Ströme I&sub1;&sub5; und I&sub1;&sub7; erzeugt einen magnetischen Fluss, welcher seinen Kreis schließt, indem er durch die haltende Unterlage 3 des Spiegels 1 tritt. Dies erzeugt eine Anziehungskraft an einem Polstück eines jeden Paares und eine Abstoßungskraft am gegenüber liegenden Polstück eines jeden Paares, wobei diese Kräfte auf die Unterlage 3 des Spiegels 1 ausgeübt werden. Diese Kräfte sind in Fig. 3 gezeigt und mit F&sub1;&sub1;, F&sub1;&sub3; gekennzeichnet. Jedes Paar der Kräfte F&sub1;&sub1;, F&sub1;&sub1; und F&sub1;&sub3;, F&sub1;&sub3; bewirkt, dass sich die Unterlage 3 des Spiegels um eine entsprechende Achse dreht. Dabei sind zwei Achsen orthogonal zueinander und führen durch die Mitte des Kugelgelenks 7.
Den Kräften F&sub1;&sub1;, F&sub1;&sub3;, die von den Elektromagneten ausgeübt werden, welche aus den Polstücken 11, 13 und den entsprechenden Wicklungen 15, 17 bestehen, steht eine elastische Kraft gegenüber, die auf die Auflage 5 für eine elastische Hülse 19 ausgeübt wird, welche eine ringförmige oder entsprechende Gestalt aufweist und beispielsweise aus einem Elastomer besteht. Die elastische Hülse 19 ruht auf zwei kegelstumpfartigen Kegelflächen der Auflage 5 und des Aufbaus 9.
Durch entsprechendes Verändern der Ströme I&sub1;&sub5; und I&sub1;&sub7;, die durch die zwei Leiter 15 und 17 fließen, wird eine geeignete Neigung des Spiegels 1 erreicht. Bringt man die oben beschriebene Vorrichtung in den Weg eines Laserstrahls (F) in eine Position, so dass der von der Quelle ankommende Strahl den Spiegel 1 trifft, so bewirkt die Drehung des Spiegels um die Mitte des Kugelgelenkes 7 (verursacht durch das Zusammenwirken der Kräfte F&sub1;&sub5;, F&sub1;&sub7; und der elastischen Kräfte, die von der elastischen Hülse 19 ausgeübt werden) eine kontrollierte Ablenkung des Laserstrahls.

Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten genutzt werden.
Beispielsweise kann sie in das Endteil des Armes eines Lasergerätes für verschiedene Verwendungen eingesetzt werden. Ein Beispiel für einen Arm, in welchem die Vorrichtung genutzt werden kann, wird in der US-A-5,000,553 beschrieben. Dieser Arm weist an den Verbindungsstellen eine Vielzahl von Spiegeln auf. Einer dieser Spiegel, normalerweise der Letzte vor dem Endteil, kann aus dem Spiegel der oben beschriebenen Vorrichtung bestehen.
Ein Teil dieser Bauart kann für die Restaurierung von Kunstwerken oder Kunstgegenständen benutzt werden, indem man einen Laserstrahl benutzt, der zum Abtasten gemäß Gleichungen mit Zufallsgrößen oder bestimmten Gleichungen mittels der beschriebenen Vorrichtung eingerichtet wird, um eine Wirkungsfläche des Laserstrahles in der Nähe des Punktes zu erzeugen, an dem die Bedienungsperson die Anlage anbringt.
Eine weitere Verwendung einer Anlage dieser Art kann auf dem Gebiet der kosmetischen Medizin für die Hautentfernung oder in der Fettspaltung liegen oder bei anderen Behandlungen, welche eine gewisse Energiedichte und eine programmierte Bewegungsgleichung des Laserstrahles verlangen.
Auf dem mehr reinen industriellen Gebiet kann die Vorrichtung mit einer Einheit oder einem Roboterkopf zum Reinigen von Gießformen oder allgemein für den Einsatz des Lasers in all den Anwendungsfällen verbunden werden, die eine Bewegung des Laserstrahles gegen eine Zielrichtung gemäß einer bekannten Gleichung verlangen.
Abermals auf dem Gebiet der medizinischen Anwendungen kann die Vorrichtung vor dem einfachen herkömmlichen Ablenkungssystem mit zwei Spiegeln mit galvanometrischer Abtastbewegung angebracht werden. Auf diese Weise wird der Strahl vorabgetastet, wenn er an den zwei Spiegeln ankommt, und daher wird eine gleichmäßige Verteilung der Energie über das Zielzentrum erzeugt. Dies ermöglicht den doppelten Vorteil, nämlich den der Erzeugung einer Energiedichte, die kontrolliert wird gemäß der Laserleistung und der vorabtast- Konfiguration und -Geschwindigkeit einerseits und andererseits den der erhöhten Sicherheit für den Patienten in der therapeutischen Anwendung des Lasers, da das Stoppen der Abtastgalvanometer des üblichen Abtastsystems keinerlei Verbrennung des Patienten infolge einer hohen Energiedichte hervorruft, die erzeugt werden würde, wenn der Laserstrahl stationär wäre.
Die Vorrichtung kann auch zum Kennzeichnen oder für andere industrielle Anwendungsmöglichkeiten benutzt werden, bei denen ein Abtastsystem mit Galvanometern und einem doppelten Spiegel normalerweise benutzt wird. Falls erforderlich, kann die Vorrichtung auf ein System von Gleitschienen aufgebaut werden, die ihre Bewegung in zwei kartesischen Achsen kontrolliert, so dass durch das Bewegen der Vorrichtung es auch möglich ist, sehr große Oberflächen zu bearbeiten.
Es ist klar, dass die Zeichnung nur ein Beispiel zeigt, das lediglich eine zweckmäßige Darstellung der Erfindung bereitstellt und dass diese Erfindung in ihren Ausgestaltungen und Abmessungen verändert werden kann, ohne dass vom Umfang des Leitprinzips der Erfindung abgewichen wird. Das Vorhandensein von Bezugszahlen in den beigefügten Ansprüchen hat den Zweck, das Lesen der Ansprüche unter Bezug auf die Beschreibung und die Zeichnungen zu erleichtern, und grenzt den Schutzumfang, der durch die Ansprüche zum Ausdruck gebracht wird, nicht ein.

Claims

1. Vorrichtung zum Ablenken eines Laserstrahls, umfassend:

einen Spiegel (1), der derart gehalten ist, dass er um zwei Achsen oszillieren kann;

Mittel zur Ausrichtung des Spiegels gemäß einer vorbestimmten Gleichung für die kontrollierte Ablenkung des Laserstrahls (F), wobei die Mittel zur Ausrichtung des Spiegels eine Vielzahl von Elektromagneten (11A, 11B, 15; 13A, 13B, 17) umfassen, die mit Strömen (I&sub1;&sub5;, I&sub1;&sub7;) versorgt werden, welche geregelt werden und zeitvariabel sind, um Magnetkräfte auf den Spiegel (1) auszuüben;

elastische Mittel (19), die auf den Spiegel Kräfte ausüben, welche den Magnetkräften entgegen wirken;

wobei der Spiegel (1) mittels eines Kugelgelenks (7) auf einem Aufbau (9) gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastisches Glied (19) rund um das Kugelgelenk angeordnet ist, um den Spiegel (1) in seine Position von minimaler Energie zurück zu bringen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das elastische Glied (19) aus einer Hülse aus Elastomer besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elastische Glied (19) zwischen einer Auflage (5) des Spiegels (1) und einem Aufbau (9) angeordnet ist, wobei die Auflage (5) und der Aufbau (9) mittels des Kugelgelenks (7) gelenkig miteinander verbunden sind und jeweils die Form eines Kegelstumpfes haben, mit den konischen Teilen entgegengesetzt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zwei Paare von Polstücken (11A; 11B; 13A, 13B), wobei um die Polstücke jedes Paares ein gemeinsamer elektrischer Leiter (15, 17) gewickelt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zwei Polstücke von jedem Paar in Position diametral gegenüber in Bezug auf den Spiegel und in 90º zueinander angebracht sind.