ES2276399T3 - Sistema de barrido laser con optica reflexiva. - Google Patents

Abstract

UN SISTEMA DETECTOR POR RAYO LASER (10) QUE CONSISTE EN OPTICA REFLECTIVA. EL SISTEMA DETECTOR POR RAYO LASER (10) INCLUYE UN PRIMER ESPEJO CURVO (11), UN SEGUNDO Y TERCER ESPEJOS EN GENERAL PLANOS (12, 13) APROXIMADAMENTE ORIENTADOS DE FORMA PERPENDICULAR UNO RESPECTO AL OTRO, UN CUARTO ESPEJO CONCAVO (14), Y UN ESPEJO DETECTOR (15). EL SISTEMA DETECTOR POR RAYO LASER (10) TIENE UN ANGULO DE DETECCION Y UNA LONGITUD FOCAL VARIABLES. LA LONGITUD FOCAL VARIABLE EN EL SISTEMA DETECTOR REFLECTIVO, SE LOGRA GRACIAS AL MOVIMIENTO SIMULTANEO DE LOS DOS ESPEJOS PERPENDICULARES (12, 13).

Description

Sistema de barrido láser con óptica reflexiva.

Campo de la invención

Esta invención está relacionada con equipos láser que puedan barrer con un haz láser y a la vez ajustar el camino óptico para obtener una longitud focal variable del haz láser.

Antecedentes de la invención

Los sistemas de barrido láser utilizan típicamente motores galvanométricos para cambiar el ángulo de los espejos de barrido. Normalmente las direcciones X e Y se barren con motores independientes. En muchas aplicaciones un haz láser barre una pieza de trabajo. Para conseguir una alta densidad de potencia, normalmente se enfoca el haz láser sobre esta pieza de trabajo. Se han desarrollado lentes especializadas para conseguir un buen enfoque sobre una pieza de trabajo de superficie plana incluso con un ángulo de transmisión elevado. Sin embargo, algunas aplicaciones requieren que el haz láser pueda ser enfocado independientemente para adaptarse a una superficie contorneada. Normalmente este enfoque se realiza trasladando una o más lentes de un sistema óptico para conseguir una longitud focal variable. Desafortunadamente, los láseres de CO_{2} pueden causar una distorsión térmica en las lentes que degrada la calidad del haz láser. Adicionalmente, en las aplicaciones con haz láser de alta potencia las lentes no son tan duraderas como los espejos metálicos. Por lo tanto, en las aplicaciones con láser de CO_{2} de alta potencia es deseable utilizar componentes ópticos totalmente reflexivos. Se presenta un problema cuando se fabrica un sistema de barrido para una aplicación variable. Se presenta un problema cuando se fabrica un sistema de barrido con una longitud focal variable. Un cambio en la longitud focal requiere un cambio en la longitud del camino óptico. Con las ópticas reflexivas, un cambio en la longitud del camino suele producir también una desviación indeseable del haz. La invención que aquí se presenta es un sistema de barrido láser totalmente reflexivo en el cual puede hacerse un ajuste de enfoque con un mínimo de movimiento de traslación y además sin introducir ninguna desviación o traslación del haz. La invención que aquí se presenta es un sistema de barrido láser totalmente reflexivo en el cual puede hacerse un ajuste de enfoque con un mínimo de movimiento de traslación y además sin introducir ninguna desviación o traslación del haz láser.

Por el documento US 4 812 613 A se conoce un sistema relacionado de barrido láser reflexivo.

Descripción de la invención

La presente invención es un sistema de barrido láser con óptica reflexiva. Para conseguir una longitud focal ajustable del haz láser de barrido es necesario producir un cambio del camino óptico entre dos espejos que presenten potencia óptica (superficies de espejo curvadas). Para conseguir esto, se colocan en el camino óptico entre los espejos curvados dos espejos planos adicionales orientados perpendicularmente entre si. Un desplazamiento de los dos espejos perpendiculares en una dirección predeterminada cambiará la dirección del camino óptico entre los espejos curvados y a su vez producirá un foco ajustable del haz de barrido sin producir una desviación adicional del haz de barrido. En un aspecto amplio de la invención, se proporciona un sistema de barrido láser según la reivindicación 1. En un segundo aspecto se proporciona un procedimiento según la reivindicación 4.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista en perspectiva de un sistema de barrido láser totalmente reflexivo.

La Figura 2 es una vista superior de un sistema de barrido láser totalmente reflexivo ilustrando los componentes ópticos anteriores a los espejos de barrido.

Mejor modo de poner en práctica la invención

La Figura 1 muestra una vista en perspectiva de un sistema 10 de barrido láser totalmente reflexivo. Un haz láser 20 que se propaga en la dirección de la flecha 28 incide sobre un reflector curvado 11. En esta ilustración, el reflector 11 es preferiblemente una parábola de eje descentrado que enfoca el haz láser 20 sobre un punto focal 21. Este haz láser incide luego sobre los espejos planos 12 y 13. El haz láser incide luego sobre el espejo curvado 14. Este espejo curvado 14 es preferiblemente una elipse de eje descentrado. A continuación el haz láser incide sobre los espejos de barrido 15 y 16. Estos espejos de barrido pueden girar para desviar el haz. Por ejemplo, el espejo 15 puede girar sobre el eje 25 y el espejo 16 puede girar sobre el eje 26. También podría usarse un único espejo de barrido. La Figura 1 ilustra el haz láser enfocado en tres manchas focales alternativas denominadas 22A, 22B ó 22C. Estas se usan únicamente como ilustración. El haz láser sólo incidirá sobre un punto cada vez. El punto de enfoque real (22) se denominará "foco externo" porque queda fuera de los componentes ópticos.

En la Figura 1, la pieza de trabajo 30 se ha ilustrado como una placa generalmente plana. Para enfocar un haz láser sobre una superficie plana uniforme se requiere un ajuste de la longitud focal para compensar el cambio de la longitud del camino introducido por un cambio en el ángulo de deflexión. Si la pieza de trabajo 30 tiene una superficie contorneada, el margen de ajuste de la distancia focal será aún mayor. En la Figura 1, los espejos 12 y 13 son aproximadamente perpendiculares entre si y están montados sobre la base 17. Estos espejos pueden trasladarse en una dirección 27 manteniendo aproximadamente su orientación relativa. La dirección 27 es generalmente paralela a la dirección de propagación del haz entre el punto focal 21 y el centro del espejo 12 en el que incide el haz. Los cuatro espejos 11, 12, 13 y 14 pueden ser denominados respectivamente 1º, 2º, 3º y 4º espejo.

La Figura 2 es la vista superior de una porción del sistema de barrido representado en la Figura 1. En la Figura 2 puede apreciarse un láser 19. Además se muestra que el haz láser 20 tiene un rayo 20A que será denominado "camino óptico central". En la Figura 2, los espejos 12 y 13 así como la base 17 están representados en dos posibles posiciones diferentes. Estas dos posiciones se diferencian añadiendo las letras N o M a los números 12, 13 y 17. La traslación requerida para obtener esta nueva posición es la distancia E representada en la Figura 2. La Figura 2 muestra también el punto 23, definido como el punto en el cual el camino óptico central 20A incide sobre el espejo 14. Además, la distancia entre el punto focal 21 y el espejo 12 a lo largo del camino óptico central aparece como distancia B. Adicionalmente, la distancia del camino óptico central entre el espejo 13 y el espejo 14 está definida como distancia D. La distancia del camino óptico central entre los espejos 12N y 13N ó 12M y 13M aparece como distancia C. Finalmente, la distancia del camino óptico central entre el cuarto espejo (punto 23) y el punto focal externo 22M aparece como distancia S(M). Este punto focal se produce cuando se usan las posiciones 12N y 13N de los espejos. Cuando se usan las posiciones 12N y 13N de los espejos se obtiene el punto focal 22N a una distancia S(N) del punto 23. La distancia entre los puntos focales 22N y 22M [S(N) - S(M)] no está representada a la misma escala que la distancia de desplazamiento E representada en la Figura 2. De hecho, una de las ventajas de colocar los espejos plegables 12 y 13 en el camino óptico entre el espejo 11 y el espejo 14, es que esta localización produce el mayor cambio posible de longitud focal [S(N) - S(M)] con el menor cambio en la distancia E. Además, los espejos de barrido 15 y 16 están representados en la Figura 1, pero no en la Figura 2.

La longitud del camino óptico central entre el foco 21 y el punto 23 se denominará "s". Por lo tanto, s=B+C+D cuando los espejos 12 y 13 se encuentran en las localizaciones representadas en la Figura 2 por 12N y 13N. Cuando estos espejos se desplazan hasta las localizaciones 12M y 13M, entonces s=B++E+C+E+D. El espejo cóncavo 14 tiene una longitud focal efectiva "F", que se define como la longitud focal de un espejo cuando enfoca luz paralela. Cuando la luz incidente no es paralela, entonces la fórmula es:

1/s + 1/S = 1/F

La distancia S se define como la longitud del camino óptico hasta el punto focal externo 22 desde el punto 23. Esta es la porción predeterminada del haz láser barrida por los espejos de barrido 15 y 16. El objetivo de esta invención es evitar que el ajuste del foco introduzca un barrido substancial de esta porción predeterminada del haz láser. En las aplicaciones con láser de CO_{2}, la desviación angular introducida por un cambio del foco externo se mantendrá inferior a 3 milirradianes por cada 10% de variación de la distancia S. Trasladando adecuadamente los espejos 12 y 13 en la dirección 27 (Figura 1) mientras se mantiene la orientación perpendicular, se conseguirá este objetivo.

En la Figura 2, los rayos ópticos se han dibujado suponiendo que el espejo 11 es una parábola cóncava de eje descentrado. Otra posibilidad sería que el espejo 11 fuera una parábola convexa de eje descentrado. Si este fuera el caso, los rayos reflejados por el espejo 11 aparecerían divergiendo desde el espejo 11. Estos rayos divergentes aparecerían formando un punto de enfoque virtual detrás del espejo 11, y la distancia B se mediría desde ese punto de enfoque virtual. El punto focal 21 estaría entonces definido por este punto de enfoque virtual. Por lo tanto, en cualquiera de los casos puede decirse que el espejo 11 es una superficie curvada. El espejo 14, sin embargo, debe ser siempre una superficie curvada cóncava para que funcione adecuadamente. Deberá entenderse también que la curvatura preferida para el espejo 14 es una elipse de eje descentrado. No obstante, deberá entenderse que curvaturas menos ideales también harán un trabajo adecuado. Por ejemplo, una superficie esférica en el espejo 14 produciría una mancha focal más grande. No obstante, una mancha focal de mayor diámetro aún puede ser adecuada para realizar la función deseada. Por consiguiente, el espejo 14 puede ser denominado en general como una superficie curvada cóncava. Similarmente, el espejo ha sido denominado como una parábola de eje descentrado. Esta es la superficie preferida si el haz láser 20 es generalmente paralelo, según se ha ilustrado. Una elipse de eje descentrado sería la superficie preferida si el haz láser 20 fuera convergente o divergente. No obstante, una vez más, con otras superficies curvadas tales como una superficie esférica también podrían obtenerse resultados aceptables.

Aunque se ha mostrado y descrito una realización preferida, debe entenderse que pueden hacerse otras modificaciones sin salirse del alcance de la invención según se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (5)

1. Un sistema (10) de barrido láser, que comprende:

un generador (19) de haz láser para propagar un haz láser (20) que tiene un camino óptico central (20A);

un primer espejo (11) que está curvado y hacia el cual se propaga el haz láser y desde el cual se refleja;

un segundo espejo (12) que es plano y hacia el cual se propaga el haz láser reflejado por el primer espejo y desde el cual se refleja;

un tercer espejo (13) que es plano y hacia el cual se propaga el haz láser reflejado por el segundo espejo y desde el cual se refleja;

un cuarto espejo (14) que es curvado y cóncavo y hacia el cual se propaga el haz láser reflejado por el tercer espejo y desde el cual se refleja hacia un punto focal (22) a una distancia S;

al menos un espejo de barrido (15, 16) que dirige el haz láser reflejado por el cuarto espejo antes de que alcance el punto focal (22); y

una base (17) en la que están montados los espejos primero y segundo (12, 13) perpendiculares entre sí y que desplaza dichos espejos segundo y tercero acercándolos y alejándolos (27) de los espejos primero y cuarto (11, 14) para cambiar la distancia S del haz hasta el punto focal (22).

2. El sistema (10) de barrido láser de la Reivindicación 1, en el cual la curvatura de cada uno de dichos espejos primero y cuarto (11, 14) tiene el eje descentrado.

3. El sistema (10) de barrido láser de la Reivindicación 1, en el cual el primer espejo enfoca el haz a través de un punto focal.

4. Un procedimiento de barrido láser, que comprende:

propagar un haz láser (20) que tiene un camino óptico central (20A) hacia un primer espejo (11) que está curvado y desde el cual el haz láser es reflejado hacia un segundo espejo (12) que es plano y desde el cual el haz láser es reflejado hacia un tercer espejo (13) que es plano y desde el cual el haz láser es reflejado hacia un cuarto espejo (14) que es curvado y cóncavo y desde el cual el haz láser es reflejado hacia un punto focal (22) a una distancia S;

dirigir el haz láser con al menos un espejo de barrido (15, 16) después de la reflexión desde el cuarto espejo (14) pero antes de que alcance el punto focal (22); y

desplazar los espejos segundo y tercero (12, 13) hacia y desde (27) los espejos primero y cuarto (11, 14), mientras están perpendiculares entre si, para cambiar la distancia S hasta el punto focal (22) según se requiera.

5. El procedimiento de la Reivindicación 4, en el cual el desplazamiento de dichos espejos segundo y tercero (12, 13) produce una desviación angular de dicho haz láser (20) inferior a 3 milirradianes para un cambio del 10% en dicha longitud S.