FI119007B

FI119007B - Optinen skanneri ja sen sovelluksia

Info

Publication number: FI119007B
Application number: FI20065867A
Authority: FI
Inventors: Reijo Lappalainen
Original assignee: Picodeon Ltd Oy
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2008-06-13
Also published as: JP5144680B2; JP2010515093A; WO2008081081A1; KR20090106561A; EP2126622A1; US20100314364A1; FI20065867A0

Description

119007 ' Optinen skanneri ja sen sovelluksia i Optisk skanner och dess applikationer i i

Tekniikan ala

Esillä oleva keksintö liittyy yleisesti optisiin skannereihin. Erityisemmin esillä oleva keksintö liittyy siihen, mikä on esitetty itsenäisen vaatimuksen johdanto-5 osassa. Keksinnöllä on edullisia sovelluksia esim. laserteknologian alalla, kuten kylmäablaatioteknologian avulla tapahtuvassa pinnoituksessa ja työstössä.

Tausta 10 Viime vuosina laserteknologian merkittävä kehitys on tuottanut välineet valmistaa hyvin korkean tehokkuuden laserjärjestelmiä, jotka perustuvat puolijohdekuituihin, mikä tukee ns. kylmäablaatiomenetelmien kehitystä. Kylmäablaatio perustuu lyhytkestoisten, kuten pikosekuntialueella olevien, korkeaenergisten laserpulssien muodostamiseen, sekä pulssien kohdistamiseen kohtiomateriaalin pintaan. Siten 15 alueelta, johon lasersäde osuu, ablatoituu plasma pilvi. Kylmäablaation sovelluksiin kuuluvat esim. pinnoitus ja työstö. Tällaisissa sovelluksissa on tarpeellista ohjata lasersäteen paikkaa oikeaan paikkaan osumiseksi kohtiossa. Lasersädettä yleensä skannataan kohtiomateriaalin pinnalla kohtion pinnan ennalta määrätyn : 7 alueen käsittelemiseksi. On yleistä käyttää optisia skannereita tähän tarkoituk- '···* 20 seen.

• # • · ♦ • · « • »

Tekniikan tason mukaiset laserkäsittelyjärjestelmät sisältävät useimmin optisia : skannereita, jotka perustuvat värähteleviin peileihin. Tällainen optinen skanneri .··*. on esitetty esim. asiakirjassa DE10343080. Värähtelevä peili värähtelee kahden 25 määrätyn kulman välillä peiliin nähden yhdensuuntaisen akselin suhteen. Kun lasersäde kohdistetaan peiliin, se heijastuu kulmassa, joka riippuu peilin senhet-*;];* kisestä asennosta. Värähtelevä peili siten heijastaa tai "skannaa" lasersäteen vii- j

*··* van pisteiksi kohtiomateriaalin pinnalla. I

i • · · i .*··. 30 Tekniikan tason mukaisiin optisiin skannereihin liittyy kuitenkin eräitä ongelmia, i **’ erityisesti laserkylmäablaatiosovelluksissa käytettäessä. Värähtelevä peili muut- | taa kulmaliikkeen suuntaa ääriasennoissaan, ja inertiamomentin vuoksi peilin kulmanopeus ei ole vakio sen ääriasentojen läheisyydessä. Tämä aiheuttaa koh- , tiomateriaalin epäsäännöllisen käsittelyn skannatun alueen reunoilla.

2 119007

Teollisissa sovelluksissa on tärkeää saavuttaa laserkäsittelyn korkea tehokkuus. Kylmäablaatiossa laserpulssien Intensiteetin on ylitettävä ennalta määrätty kyn-5 nysarvo kylmäablaatioilmiön aikaansaamiseksi. Kynnysarvo riippuu kohtiomate-riaalista. Suuren käsjttelytehokkuuden saavuttamiseksi pulssien toistotaajuuden tulee olla korkea, kuten useita MHz. Toisaalta on edullista olla kohdistamatta useita peräkkäisiä laserpulsseja kohtiopinnan samaan paikkaan, koska tämä aiheuttaisi kumulatiivisen vaikutuksen kohtiomateriaalissa. Tämä johtaisi kohtioma-10 teriaalin lämpenemiseen ja partikkelien irtoamiseen kohtiomateriaalista plasman sijasta. Siten kylmäablaation edut menetettäisiin. Siksi käsittelyn korkean tehokkuuden saavuttamiseksi myös lasersäteen korkea skannausnopeus on tarpeellinen. Säteen nopeuden kohtiomateriaalin pinnalla tulisi yleensä olla yli 10 m/s tehokkaan käsittelyn saavuttamiseksi ja edullisesti yli 50 m/s ja vielä edullisemmin 15 yli 100 m/s. Värähteleviin peileihin perustuvien optisten skannerien hitausmomentti estää peilin riittävän suuren kulmanopeuden saavuttamisen. Saavutettu lasersäteen nopeus kohtion pinnalla on sen vuoksi vain muutama m/s.

Optisen skannerin värähtelevä peili vastaanottaa lasersäteen pienelle vakioalu- j 20 eelle peilissä sen koko värähtelyjakson ajan. Lasersäde absorboituu osittain pei- j liin, ja korkeita laserenergioita käytettäessä lasersäteen osittainen absorptio kuu- ] mentaa oleellisesti peiliä. Kun lämpöä absoboituu peilin pienelle alueelle, lämmön 1 : ’·· siirtäminen riittävän tehokkaalla tavalla on vaikeaa, ja peili voi sen vuoksi ylikuu- !

• , I

: : : mentua ja vioittua.

··· * ·*·'· 25

• · · I

• · I

: .·. Julkaisu US6063455 esittää skannerijärjestelyn, jossa peilejä liikutetaan lineaari- !

["1 sesti edestakaisin kohtion pinnan suuntaisesti. Tällä järjestelyllä on kuitenkin sa- I

I" mat epäkohdat kuin värähtelevillä peileillä varustetulla skannerilla, ja saavutettu I

• · *·*·* skannausnopeus on jopa alhaisempi. i 30 1

• · I

v Eräissä lasersovelluksissa on myös tunnettua käyttää pyöriviä polygonaalisia pei- lejä optisina skannereina. Tällainen optinen skanneri on esitetty esim. julkaisussa JP7035996. Polygonaalisten skannerien avulla olisi mahdollista saavuttaa korke-ampi skannausnopeus, mutta myös tällaisten skannerien käyttöön korkeatehoisis-**;·* 35 sa kylmäablaatiosovelluksissa liittyy eräitä ongelmia. Polygonaalisessa skanne- (i;;· rissa on vähintään kolme reunaa, joista kukin muodostaa epäjatkuvuuskohdan ·*·,· lasersäteelle. Tämä aiheuttaa lasersäteen hetkellisen heijastumisen mahdollisesti • · epätoivotuille ja haitallisille alueille laitteen sisä- tai ulkopuolella.

3 119007

Keksinnön yhteenveto

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on optisen skannerin tuottaminen erilaisiin 5 sovelluksiin, jolloin tekniikan tason kuvatut epäkohdat vältetään tai niitä saadaan vähennetyksi. Siten keksinnön tavoitteena on optisen skannerin saavuttaminen, joka tekee mahdolliseksi suuret skannausnopeudet, ohjattavan säteen poikkeu-tuksen ja/tai kyvyn käsitellä korkeatehoisia lasersäteitä.

10 Keksinnön tavoite saavutetaan tuottamalla optinen skanneri, jossa on pyörivä peili, ja peilin heijastavalla pinnalla on pyörimisakselin suhteen kulma, joka vaihtelee peilin kohdan funktiona.

Tarkemmin, keksinnön tavoite saavutetaan tarjoamalla optinen skanneri, jossa on 15 ainakin yksi peili saapuvan valonsäteen heijastamiseksi, jolloin heijastuneen valonsäteen suuntaa ohjataan liikuttamalla ainakin yhtä peiliä, jolle optiselle skannerille on tunnusomaista se, että - optisessa skannerissa on välineet peilin liikuttamiseksi pyörivää liikerataa pitkin, jolloin pyörivällä liikeradalla on pääasiallinen pyörimisakseli, 20 - peilin pinnan ja pyörimisakselin välinen kulma muuttuu peilipinnan paikan funk tiona, - peilin mainittuun muuttuvaan kulmaan perustuen optisen skannerin peili on jär-

• · I

: " jestetty poikkeuttamaan valonsäde heijastuskulmassa, joka riippuu peilin kohdasta ^ sen pyörivällä liikeradalla.

• * I

: : 25

. ! I

i Keksintö liittyy myös järjestelmään materiaalin käsittelemiseksi laserablaatiota

. käyttämällä, jolle on tunnusomaista, että siinä on I

.···. - keksinnön mukainen järjestely materiaalin käsittelemiseksi ja

• · I

- automaattiset välineet, jotka on järjestetty käsittelemään ablaation kohdekappa- 30 leita niiden sisään tuomiseksi, liikuttamiseksi sekä järjestelmästä poistamiseksi.

• · · • · · • · ··· \..J Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan peilillä on sylinterin muoto ja sylinteri on kallistettu pyörimisakselin suhteen. Erään toisen keksinnön suoritusmuodon T.; mukaan optisessa skannerissa on välineet peilin painon tasapainottamiseksi pyö- *:** 35 rimisliikkeessä.

··· *«·» :\i Keksinnön erään muun suoritusmuodon mukaan peilin pinnassa ei ole reunoja tai epäjatkuvuuskohtia sen pinnalla pitkin poikkileikkausta, joka on kohtisuora peilin I 119007 I 4 I pyörimisakseliin nähden. Keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaan peilillä on yksi reuna ja/tai epäjatkuvuuskohta sen pinnalla pitkin poikkileikkausta, joka on kohtisuora peilin pyörimisakseliin nähden. Keksinnön erään muun suoritusmuodon mukaan peilillä on vähintään kaksi reunaa ja/tai epäjatkuvuuskohtaa sen pin-5 nalla pitkin poikkileikkausta, joka on kohtisuora peilin pyörimisakseliin nähden.

Keksinnön erään muun suoritusmuodon mukaan optinen skanneri on yksisuuntainen skanneri. Keksinnön vaihtoehtoisen suoritusmuodon mukaan optinen skanne- 1 ri on kaksisuuntainen skanneri. 1 10 1

Erään suoritusmuodon mukaan keksinnöllinen järjestely on järjestetty kylmätyös- 1 tämään ablaatiokohdetta. Vaihtoehtoisen suoritusmuodon mukaan järjestely on 1 järjestetty pinnoittamaan substraattia plasmapilvellä, joka saadaan ablaatiokohti- 1 osta. '

15 I

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan järjestelmässä on automaatisoidut välineet ablaation kohtiomateriaalin syöttämiseksi kohtiomateriaalista saatavan ab- 1 laatiopilven säilyttämiseksi substraatin pinnoittamiseksi. Erään muun suoritus- 1 muodon mukaan järjestelmässä on välineet asettaa ja pitää substraatti kontaktissa 20 ablaatiomateriaalisuihkun kanssa, kun se ablatoituu ablaatiokohtiosta.

Eräitä lisäsuoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä vaatimuksissa.

• * • · · M.: Esillä olevalla keksinnöllä on oleellisia etuja tekniikan tason ratkaisuihin nähden.

• ♦ V 25 On mahdollista tuottaa optinen skanneri, jonka peilissä ei ole epäjatkuvuuskohtia.

: Tällä tavalla on mahdollista pitää yllä heijastuneen lasersäteen jatkuva ohjaus.

• :*· Mikäli tarpeen, on myös mahdollista tuottaa yksi, kaksi tai useita epäjatku- • · · .···, vuuskohtia.

« · »«· , . 30 Esillä olevan keksinnön avulla on myös mahdollista tuottaa vakio skannausnope- • · · us läpi koko käsiteltävän kohtioalueen. On myös mahdollista tuottaa skannausno-!...; peus, joka vaihtelee skannattavan kohtion paikan funktiona. Siten on esimerkiksi mahdollista kompensoida skannaustoiminnon tai optisten teiden mahdollisia epä-!*··, säännöllisyyksiä. Sellainen vaihteleva skannausnopeus on mahdollinen tuotta- "* 35 maila pyörivän peilin sopiva geometria. On myös mahdollista tuottaa erilaisia ,,i;* skannausradan geometrioita kohtiossa suunnittelemalla peili tätä vastaavasti. Lii- :\j kerätä voi olla suora viiva, käyrä viiva tai muu määrätty geometria.

5 119007

Keksinnön mukaisella skannerilla on mahdollista saavuttaa korkeita skannausno-peuksia. Tuottamalla hyvä painon tasapainoitus saavutetaan suuria pyörintäno-peuksia. Skannausnopeus voi helposti olla yli 100 m/s.

5 On mahdollista tuottaa joko keksinnön mukainen yksisuuntainen skanneri tai keksinnön mukainen kaksisuuntainen skanneri. Optisessa skannerissa voi myös olla vaihdettava peili niin, että skannaustyyppi tai skannausgeometria voidaan valita kyseessä olevan sovelluksen mukaan.

I 10 Koska keksinnön mukaisen skannerin peili pyörii, lasersäde osuu suureen aluee- | seen peilillä, ja sen vuoksi lasersäteen osittaisesta absorptiosta johtuva lämpe neminen myöskin leviää suurelle alueelle. On myös mahdollista suurentaa aluetta suurentamalla peilin/pyörivän liikeradan halkaisijaa. Edelleen, koska peili on mahdollista suunnitella keskeltä ontoksi, on helppoa järjestää ilmajäähdytys peilille.

15 On myös mahdollista järjestää jäähdytys viilaavan nesteen avulla. Jäähdytysneste voidaan johtaa sisäpinnalle tuottamalla ontto putki peiliä pyörittäväksi akseliksi. Jäähdytysneste voidaan siten johtaa pyörivän putken läpi ja saada kiertämään peilin sisäpinnan kautta.

20 Keksinnön mukainen optinen skanneri on erityisen sopiva laserablaatio-pinnoitukseen, jossa edellytetään yhtenäisiä, homogeenisia pintoja ja/tai jossa käsitellään suuria alueita. Optinen skanneri on myös erityisen sopiva korkealaa- • · ! ** tuiseen ja/tai tehokkaaseen työstöön, jossa laserkäsittelyn jälkeä ohjataan tarkas- • · · ti.

:Y: 25 9 · • Tässä patenttihakemuksessa käsite “valo” tarkoittaa mitä tahansa elektromag- . .*. neettista säteilyä, joka voidaan heijastaa, ja "laser" tarkoittaa valoa, joka on kohe- .···. rentti, tai valolähdettä, joka tuottaa tällaista valoa. "Valo” tai "laser” eivät siten ra-

• * I

"* joitu millään tavoin valospektrin näkyvään osaan.

30 1

• · I

:*v Tässä patenttihakemuksessa käsite “yksisuuntainen" optinen skanneri tarkoittaa, että heijastunut valonsäde suorittaa skannauksen oleellisesti yhteen suuntaan, kun skannerin peili pyörii vakiosuuntaan.

···· i «I*

* * I

"* 35 Tässä patenttihakemuksessa käsite “kaksisuuntainen” optinen skanneri tarkoittaa, että heijastunut valonsäde suorittaa skannauksen oleellisesti kahteen vastakkai-sYj seen suuntaan, kun skannerin peili pyörii vakiosuuntaan.

_______________________ I 119007 I 6 Tässä patenttihakemuksessa pyörivän peilin “sisäpinta” tarkoittaa pintaa, joka osoittaa pyörimisakselin suuntaan. Pyörivän peilin "ulkopinta” tarkoittaa pintaa, joka on peilin sisäpintaan nähden vastakkaisella puolella.

5 Tässä patenttihakemuksessa käsite peilin “aktiivinen pinta" optisessa skannerissa tarkoittaa pintaa, joka on erityisesti tuotettu skannaamaan valonsädettä.

Tässä patenttihakemuksessa käsite “peilipinnan ja pyörimisakselin välinen kulma” peilin tietyssä pisteessä tarkoittaa kulmaa, joka muodostuu pyörimisakselin ja tan-10 genttitason välille, joka tangenttitaso on kuvitteellinen peilin määrätyssä pisteessä. Kulman arvo voi olla myös nolla astetta, kun tangentiaalinen taso on yhdensuuntainen pyörimisakselin kanssa.

Tässä patenttihakemuksessa käsite “pinnoittaminen” tarkoittaa minkä tahansa 15 paksuisen materiaalin muodostamista substraatille. Pinnoitus voi siten tarkoittaa myös ohutkalvojen valmistamista, joiden paksuus on esim. < 1 pm.

Piirustusten lyhyt kuvaus 20 Keksinnön edellä kuvatut ja muut edut käyvät ilmi seuraavasta yksityiskohtaisesta selostuksesta ja viittauksista piirustuksiin, joissa: s· • · ·* ** Fig. 1a esittää esimerkin keksinnön mukaisesta kaksisuuntaisesta optisesta skannerista, j i-V 25 ! ! :’s Fig. 1b esittää kuvan Fig. 1 esimerkkiä optisesta skannerista sen jälkeen, kun j

• peiliä on pyöritetty 90 astetta, I

'*’ i

a*· I

• ·

• · I

Fig. 2a esittää valonsäteen heijastumista keksinnön mukaisessa esimer- 1 ,. 30 kinomaisessa optisessa skannerissa, kun peili on 0 asteen asennossa 1 ::: i • e ·***· l :...· Fig. 2b esittää valonsäteen heijastumista kuvan 2a mukaisessa esimer- , a kinomaisessa optisessa skannerissa, kun peili on 90 asteen asennos- l «»*· ,···. sa, l *·:** 35 i .,*·* Fig. 2c esittää valonsäteen heijastumista kuvan 2a mukaisessa esimer- 1 kinomaisessa optisessa skannerissa, kun peili on 180 asteen asennossa, 7 119007

Fig. 2d esittää valonsäteen heijastumista kuvan 2a mukaisessa esimerkinomaisessa optisessa skannerissa, kun peili on 270 asteen asennossa, ! 5

Fig. 3a esittää päädystä katsottuna keksinnön mukaista, esimerkinomaista optista skanneria, jossa on kompensoivat painot,

Fig. 3b esittää toisesta päädystä katsottuna kuvan 3a esimerkinomaista optista 10 skanneria,

Fig. 4a esittää valonsäteen heijastusta edelleen keksinnön mukaisessa, esimerkinomaisessa yksisuuntaisessa optisessa skannerissa, kun peili on 0 asteen asennossa.

15

Fig. 4b esittää valonsäteen heijastusta kuvan 4a esimerkinomaisessa optises- i sa skannerissa, kun peili on 90 asteen asennossa,

Fig. 4c esittää valonsäteen heijastusta kuvan 4a esimerkinomaisessa optises- i 20 sa skannerissa, kun peili on 180 asteen asennossa, ,, Fig. 4d esittää valonsäteen heijastusta kuvan 4a esimerkinomaisessa optises- ^ ·* " sa skannerissa, kun peili on 270 asteen asennossa, j • · · l • · · • · ·

; V.· 25 Fig. 4e esittää valonsäteen heijastusta kuvan 4a esimerkinomaisessa optises- I

! sa skannerissa, kun peili on 360 asteen asennossa ja jolloin valonsäde . *·. ei ole vielä ylittänyt reunaa, ··· | ··· • · • * *“ Fig. 5 esittää erästä järjestelyä materiaalin käsittelemiseksi käytettäessä la- 30 serablaatiota pinnoitussovelluksessa, • · · • · · • · ···

Fig. 6a esittää skannatun valonsäteen esimerkinomaista jälkeä kohteen pinnal-la, kun käytetään kaksisuuntaista optista skanneria ja

Ml* ··· • · ’"·* 35 Fig. 6b esittää skannatun valonsäteen esimerkinomaista jälkeä kohteen pinnal- la, kun käytetään yksisuuntaista optista skanneria.

• · • · · • · · • · 8 119007 I Yksityiskohtainen kuvaus I Kuvat 1a ja 1b esittävät keksinnön mukaiseen, esimerkinomaiseen optiseen skan neriin kuuluvan pyörivän peilin 110. Peili on järjestetty pyörimään pyörimisakselin 5 116 ympäri. Kuva 1b esittää peilin 90 astetta kääntyneenä kuvaan 1a verrattuna.

Kuvat 1a ja 1b esittävät myös peilin sivusta ja päädystä katsottuna. Peilillä on muodoltaan sylinteri, joka on hieman kallistettu pyörimisakselin 116 suhteen. Peili on esitetty kallistettuna sylinterinä peilin muodon paremmaksi visualisoimiseksi, ja peilin päädyt ovat sen vuoksi vinot. Reunojen olisi kuitenkin mahdollista olla pyö-10 rimlsakseliln nähden kohtisuorat. Optiseen skanneriin kuuluu pyörimisakselissa sijaitseva tanko, johon peili on kiinnitetty. Peili voidaan kiinnittää pyörivään tankoon esim. päätylevyillä tai puolilla (ei esitetty kuvassa).

Kuvat 2a, 2b, 2c ja 2d esittävät heijastuneen lasersäteen poikkeutusta optisessa 15 skannerissa, joka on samanlainen kuin kuvissa 1a ja 1b esitetty. Kuva 2a esittää peilin 210 perusasennossa, kuva 2b esittää peilin 90 astetta pyöritettynä. Kuva 2c esittää peilin 180 astetta pyöritettynä ja kuva 2d esittää peilin 270 astetta pyöritettynä kuvan 2a asennosta. Kuvat esittävät peilin pyörimisakselin suhteen kohtisuorasi katsottuna.

20

Kuvassa 2a aktiivisella, heijastavalla peilipinnalla 214 on pyörimisakselin suunta pisteessä 214a, jossa lasersäde heijastuu. Jos lasersäde 232a saapuu pyöri- * misakseliin nähden kohtisuorassa suunnassa, heijastuneella säteellä 234a on .

:.ί.: sama mutta vastakkainen suunta kuin saapuvalla säteellä 232a.

• · I

:*Y 25 jj*: Kuvassa 2b peilin pinta pisteessä 214b, jossa saapuva lasersäde osuu peiliin, on : :*· kallistettu suurimpaan kulmaansa pyörimisakseliin nähden. Siten myös heijas- ··· | ,···. tuneen säteen 234b kulma on maksimissaan.

• · I

··· I

. , 30 Kuvassa 2c peilipinnalla 214 on jälleen pyörimisakselin suunta pisteessä 214c, **v jossa lasersäde heijastuu. Heijastuneella säteellä 234c on sama mutta vastakkai- nen suunta kuin saapuvalla säteellä 232c.

*«» • i ]···. Kuvassa 2d peilin pinta pisteessä 214d, jossa saapuva lasersäde osuu peiliin, on • · "* 35 kallistettu suurimpaan kulmaansa pyörimisakseliin nähden. Siten myös heijastu- neen säteen 234d kulma on maksimissaan. Kulma on nyt kuitenkin vastakkainen ϊ/.j verrattuna kuvaan 2b. Siten myös heijastuneen säteen 234d kulma on toisessa maksimissaan.

9 119007

Kuvat 2a-2d esittävät, kuinka pyörivä peili 210 heijastaa lasersäteen eri kulmissa.

Tämä optinen skanneri on kaksisuuntainen eli heijastussäde muuttaa suuntaa edestakaisin, kun peili pyörii vakiosuuntaan.

5

Kuvat 3a ja 3b esittävät peilin kiinnitystä pyörivään akseliin. Kuvat 3a ja 3b esittävät peilin 310 vastakkaisista päädyistä katsottuna. Peilin ensimmäisessä päässä on kahdeksan kiinnityspuolaa 341a-348a ja peilin toisessa päässä kahdeksan kiinnityspuolaa 341b-348b. Sylinterinmuotoinen peili on epäsymmetrisessä asento nossa pyörintäakseliin nähden, ja sen vuoksi käytetään tasapainotuspainoja peilin tasapainottamiseksi pyörimisen aikana. Suurimmat tasapainotuspainot 322a ja 322b sijaitsevat lyhyimpien puolien 341a ja 345b päissä. Lyhimpiin puoliin nähden seuraavina olevien puolien päissä sijaitsevat pienemmät painot 323a, 323b, 324a ja 324b. Tasapainottavien painojen arvot voidaan laskea perustuen keskipakois-15 voimiin käytetyllä pyörintänopeudella. Peili itsessään voi luonnollisesti olla suunniteltu käyttäen sellaisia materiaalipaksuuksia, että peili on tasapainotettu ilman ylimääräisiä tasapainotuspainoja.

Kuvat 4a, 4b, 4c, 4d ja 4e esittävät toisen esimerkinomaisen suoritusmuodon kek-20 sinnön mukaisesta skannerista. Tämä optinen skanneri on yksisuuntainen, ts. heijastunut säde skannaa yhdessä suunnassa, kun peili pyörii vakiosuuntaan. Hei-:·' jastunut säde siten palaa lähtöpisteeseensä ilman varsinaista skannaustoimintoa. j • 7 Kuva 4a esittää peilin 410 perusasennossa, Kuva 4b esittää peilin 90 astetta pyö-

• · 9 I

rineenä, kuva 4c esittää peilin 180 astetta pyörineenä, kuva 4d esittää peilin 270 I

:.v 25 astetta pyörineenä ja kuva 4e esittää peilin pyörineenä 360 astetta kuvan 4a i • · ·.: * asennosta.

• I

• * · • · · ··# ·*“: Kuva 4a esittää epäjatkuvuusreunan 415. Peili on sellaisessa asennossa, että , " * * · saapuva lasersäde 432a heijastuu peilin kaltevasta pinnasta pisteessä 414a. Hei-..... 30 jastuskulma on maksimissaan. 90 asteen pyörimisen jälkeen kuvassa 4b heijas- tuskulma on pienentynyt puoleen verrattuna perusasentoon. Edelleen kuvassa 4c • · *·;·’ peilipinnalla on pyörimisakselin suunta kohdassa 414c, josta säde heijastuu. La- ·:· sersäde siten heijastuu, 434c, vastakkaiseen suuntaan saapuvaan säteeseen • tat 432c nähden. Kuvassa 4d peilipinta on hieman kallistettu vastakkaiseen suuntaan *·* 35 kuvaan 4b verrattuna. Lopuksi kuvassa 4e peilipinta on kallistettu toiseen maksi- ···:' miinsa kohdassa 414e, jossa lasersäde heijastuu. Tämä kohta on juuri ennen • · \*·: epäjatkuvuusreunaa 415. Kun säde on ohittanut epäjatkuvuusreunan, peili alkaa jälleen skannata kuvan 4a asennosta.

1 1 9007 ίο

Kuvien 4a-4e suoritusmuoto esittää peilin, jossa on vain yksi epäjatkuvuusreuna. Vaihtoehtoisesti on kuitenkin mahdollista tuottaa kaksi tai useampia epäjatku-vuusreunoja. Tällä tavalla on mahdollista skannata kaksi tai useampia viivoja yh-5 den pyörintäkierroksen kuluessa ja skannausnopeutta voidaan siten kasvattaa.

On huomattava, että on myös mahdollista tuottaa epäjatkuvuusreunoja keksinnön mukaisissa kaksisuuntaisissa optisissa skannereissa. Tällä tavalla on mahdollista i skannata kaksi tai useampia edestakaisia viivoja yhden pyörimiskierroksen kulu essa ja siten skannausnopeutta voidaan kasvattaa myös kaksisuuntaisessa opti- i 10 sessa skannerissa.

!

Kuva 5 esittää esimerkinomaisen järjestelmän materiaalin käsittelemiseksi laser-ablaatiolla. Lasersäde muodostetaan laserlähteellä 44 ja skannataan optisella skannerilla 10 kohti kohtiota. Kohtio 47 on muodoltaan nauha, joka kelataan syöt-15 törullalta 48 poistorullalle 46. Kohtiota kannattaa tukilevy 51, jossa on aukko 52 ablaatiokohdassa. Kun skannerista saatu lasersäde osuu kohtioon, materiaalia ablatoituu ja syntyy plasmapilvi. Pinnoitussovelluksessa pinnoitettava tuote 50 tuodaan plasmapilveen. Tuote tulee siten pinnoitetuksi kohtiomateriaalilla. Koneistus- tai "kylmätyöstö” -sovelluksessa kohtiomateriaalia käsitellään yleensä 20 käyttämättä hyväksi ablatoituvaa plasmaa pinnoitukseen. Työstösovelluksissa kohtio on yleensä tuote, jota leikataan tai muuten työstetään laserablaatiolla.

I j · * . Keksinnön mukaisessa optisessa skannerissa on yleensä kupera tai kovera hei- I t · * jastava pinta. Siten on mahdollista käyttää peiliä myös valonsäteen laajentami-\v 25 seen tai fokusoimiseen, Saattaa kuitenkin olla tarpeellista, että valonsäteen opti-* sella tiellä on korjaavaa optiikkaa, kuten linssejä, edullisesti laserlähteen ja opti- i sen skannerin välillä.

«M

«·« • · • · Tässä patenttihakemuksen selostuksessa laserablaatiolaitteiston rakennetta tai 30 erilaisia komponentteja ei ole kuvattu yksityiskohtaisemmin, koska ne voidaan *;.*;* toteuttaa käyttämällä edellä olevaa kuvausta sekä alan ammattilaisen yleistä asi- • · ***** antuntemusta.

* «·* ·♦·· .···. Kuvat 6a ja 6b esittävät skannattujen lasersäteiden esimerkinomaisia jälkiä nuo- *·’ 35 Ien suuntaan liikkuvan kohdemateriaalin pinnalla. Kuva 6a esittää jälkeä, kun käy- ••IV tetään kaksisuuntaista optista skanneria. Kuva 6b esittää jälkeä, kun käytetään • ♦ \*·: yksisuuntaista optista skanneria. Näissä kuvissa vierekkäisten jälkien välillä on 119007 π välit, mutta on luonnollisesti mahdollista tehdä vierekkäiset jäljet limittyviksi kasvattamalla skannausnopeutta tai hidastamalla kohtiomateriaalin liikettä. |

Edellä on esitetty vain joitakin keksinnön mukaisen ratkaisun suoritusmuotoja.

5 Keksinnön mukaista periaatetta voidaan luonnollisesti muunnella vaatimusten määrittelemän suojan puitteissa, esimerkiksi muuntamalla toteutuksen ja käyttöalueiden yksityiskohtia. I

Vaikka esimerkiksi keksintö on kuvattu suoritusmuodoilla, joissa optisella skanne-10 rilla on yhtenäinen peili, on myös mahdollista tuottaa tarvittava heijastuskuvio ! käyttämällä useita erillisiä peilejä. i

Myös vaikka kuvatut suoritusmuodot ovat esittäneet ympyränmuotoisen pyörimis- ' radan, on myös mahdollista käyttää muunlaisia pyörimisratoja.

15 i

Esitettyihin suoritusmuotoihin on kuulunut peili, jolla on aktiivinen, heijastava pinta sen ulkopinnalla, joka on yleensä kuperan muotoinen. On kuitenkin myös mahdol- ' lista käyttää aktiivisena heijastavana pintana peilin sisäpintaa, joka on yleensä ! kovera. Tässä tapauksessa on edullisesti lasersäde järjestetty saapumaan peiliin 20 pyörivän peilin yhden päädyn kautta ja heijastunut säde johdettu pyörivän peilin toisen päädyn kautta. Tällaisessa optisessa skannerissa saattaa olla tarpeen tukea ja pyörittää peiliä ulkopuolelta pyörimisakselille sijoitetun pyörivän tangon I * • *.· sijasta.

I * • · · I · · · I 25 Laserablaatioon perustuva pinnoitus ja kylmätyöstö on mainittu optisen skannerin esimerkinomaisina sovelluksina. On kuitenkin mahdollista käyttää laserablaatiota 1 ’1.* myös muihin tarkoituksiin, kuten uusien materiaalien valmistamiseen kohtiomate- • ♦ * * I *;j·* riaalin plasmaan perustuen. On myös lukuisia muita kuin laserablaatiosovelluksia, I *·*.: joissa keksinnön mukaisia optisia skannereita voidaan käyttää. Tällaisiin sovel- 30 luksiin voi kuulua esim. lasertulostimet, laserkopiolaitteet ja viivakoodinlukijat.

• · I · · · f 9 « • · I ··· • ♦ • · «·· i 9999 I ♦♦♦ * * I · ♦ • «9 ! «999 ♦ · • · t • ·· • e

Claims

119007

1. Optinen skanneri, jossa on ainakin yksi peili (210) saapuvan valonsäteen heijastamiseksi, jolloin heijastuneen valonsäteen suuntaa ohjataan liikuttamalla 5 ainakin yhtä peiliä, j tunnettu siitä, että - optisessa skannerissa on välineet (340, 341a-348a, 341b-348b) peilin liikuttamiseksi pyörivää liikerataa pitkin, jolloin pyörivällä liikeradalla on pääasiallinen pyörimisakseli (216), 10. peilin pinnan (214, 214a-214d) ja pyörimisakselin (216) välinen kulma muuttuu paikan funktiona peilipinnalla, - peilin mainittuun muuttuvaan kulmaan perustuen optisen skannerin peili on järjestetty poikkeuttamaan valonsäde (234a-234d) heijastuskulmassa, joka riippuu peilin kohdasta sen pyörivällä liikeradalla, 15. jolloin peilin pinnan ja pyörimisakselin välisen mainitun kulman muuttuminen saa heijastuneen säteen muodostamaan kohteessaan viivamaisen radan. i

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen optinen skanneri, tunnettu siitä, että peilillä on sylinterin muoto ja sylinteri on kallistettu pyörimisakseliin nähden. 20

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen optinen skanneri, tunnettu siitä, että siinä on välineet (322a-324a, 322b-324b) optisen skannerin painon tasapainotta- ·*·.. miseksi pyörimisliikkeessä. e • * « * e ·

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen optinen skanneri, tunnettu siitä, että peilillä ei ole reunoja tai epäjatkuvuuskohtia sen pinnalla pitkin poikki- e e · :·!/ leikkausta, joka on kohtisuora peilin pyörimisakseliin nähden. • » · • · ···

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen optinen skanneri, tunnettu siitä, 30 että peilillä on yksi reuna ja/tai epäjatkuvuuskohta (415) sen pinnalla pitkin poikki-leikkausta, joka on kohtisuora peilin pyörimisakseliin nähden. • e • · · • » • e

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen optinen skanneri, tunnettu siitä, että peilillä on ainakin kaksi reunaa ja/tai epäjatkuvuuskohtaa sen pinnalla pitkin 35 poikkileikkausta, joka on kohtisuora peilin pyörimisakseliin nähden. e • M

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen optinen skanneri, tunnettu • · e 1 *: siitä, että siinä on välineet peilin jäähdyttämiseksi. 119007

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen optinen skanneri, tunnettu siitä, että pyörivän peilin ulkopinta toimii valonsäteen heijastajana.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen optinen skanneri, tunnettu siitä, että pyörivän peilin sisäpinta toimii valonsäteen heijastajana.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen optinen skanneri, tunnettu 1 siitä, että se on yksisuuntainen skanneri (410). 1° ' I 11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen optinen skanneri, tunnettu siitä, 1 I että se on kaksisuuntainen skanneri (210). I 12. Järjestely materiaalin käsittelemiseksi, tunnettu siitä, että siinä on I 15 lasersäteilylähde (44) lasersäteilyn tuottamiseksi ablaatiota varten, I - ainakin yksi jonkin vaatimuksen 1-11 mukainen optinen skanneri (10), joka sijait see lasersäteilyn optisella tiellä (49) ja joka on järjestetty johtamaan lasersäteily mainitusta lasersäteilylähteestä ablaatiokohtion osumiskohtaan (47). i

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestely on järjestetty kylmätyöstämään ablaatiokohdetta. • · • · : “ 14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestely on järjestetty pinnoittamaan substraattia ablaatiokohtiosta saadulla plasmapilvellä. :X: 25 ij*: 15. Järjestelmä materiaalin käsittelemiseksi laserablaatiota käyttämällä, tunnet- • tu siitä, että siinä on • · · .···. - jonkin patenttivaatimuksen 12-14 mukainen järjestely materiaalin käsittelemi- • « seksi ja .. 30 - automatisoidut välineet ablaatiokohdekappaleiden järjestelmään tuomista, järjes- *· v telmässä liikuttamista ja/tai järjestelmästä poistamista varten. • · • · ···

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestel-]···, mässä on automatisoidut välineet, jotka on jäljestetty syöttämään ablaatiokoh- • Λ T 35 tiomateriaalia ablaatiosuihkun ylläpitämiseksi ablaatiokohtiosta substraatin (50) t pinnoittamiseksi. • · * « · • *· t * 119007

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmässä on välineet substraatin asettamiseksi ja/tai pitämiseksi kontaktissa ablaa-tiokohteesta ablatoituvan ablaatiomateriaalisuihkun kanssa.

5 Patentkrav l i