PT1090321E

PT1090321E - Sistema de varrimento a laser ligado a um orifício

Info

Publication number: PT1090321E
Application number: PT99928820T
Authority: PT
Inventors: John A Macken
Original assignee: Utica Entpr Inc
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2011-03-01
Also published as: WO1999067672A1; AU4580499A; ATE490485T1; US6078420A; EP1090321B1; EP1090321A1; EP1090321A4; JP4344094B2; ES2357022T3; DE69942999D1; JP2002519715A

Description

-1 -

DESCRIÇÃO "SISTEMA DE VARRIMENTO A LASER LIGADO A UM ORIFÍCIO"

Descrição Área Técnica

Esta invenção diz respeito a equipamento a laser que utiliza óptica reflectora que pode tanto examinar um raio laser como regular o trajecto óptico para obter uma distância focal variável do raio laser. Técnica Anterior

Os sistemas de varrimento a laser utilizam habitualmente motores de galvanómetros para modificar o ângulo dos espelhos de varrimento. Regra geral, a direcção X e Y é examinada através de motores em separado. Na maioria das aplicações, tais como marcação ou corte, um raio laser é examinado numa peça de trabalho. Para obter uma grande potência, o raio laser é habitualmente focado nesta peça de trabalho. Foram desenvolvidas lentes "de superfície plana" especializadas para obter um bom foco numa peça de trabalho de superfície plana mesmo a um ângulo de transmissão elevado. Contudo, algumas aplicações necessitam que o raio laser possa ser independentemente focalizado para alojar uma superfície contornada.

Normalmente, este foco é conseguido através da deslocação de uma ou mais lentes num sistema óptico para obter uma -2- distância focal variável. Infelizmente, os lasers de C02 de alta potência podem provocar uma distorção térmica nas lentes, aumentando a dimensão do ponto do foco. Por isso, é desejável utilizar todos os elementos ópticos reflectores para aplicações a laser de C02 de alta potência. A Patente US N° 5,561,544 intitulada "Sistema de Varrimento a Laser com Óptica Reflectora", publicada a 1 de Outubro de 1996 pelo mesmo inventor desta aplicação, representa uma abordagem anterior de solução deste problema. Essa patente revela um sistema de varrimento a raio laser de alta potência totalmente reflector de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1.

Na minha patente '544, é utilizado um espelho elíptico fora do eixo para focalizar o raio laser na peça de trabalho. Um espelho elíptico fora do eixo tem mesmo dois pontos do foco. Neste caso, um ponto do foco está a uma grande distância da elipse e é utilizado para focar na peça de trabalho. 0 outro ponto do foco encontra-se próximo da elipse e é interior em relação ao sistema óptico. Para separar os raios incidentes e reflectidos associados a este espelho elíptico fora do eixo, existe habitualmente um ângulo de 45° entre os raios provenientes do ponto do foco interno e que conduzem ao ponto do foco distante. Esta geometria fora do eixo introduz características menos desejáveis tais como a necessidade de uma técnica especial de regulação do foco que não introduz uma deslocação para o ponto do foco exterior ou distante. Contudo, o inconveniente mais significativo é o facto de que a elipse fora do eixo de 45° introduz astigmatismo ao raio laser quando existe uma alteração significativa na distância focal. Por outras palavras, a gama de regulação das distâncias focais ao foco exterior é inferior à desejada. Esta invenção ultrapassa este problema de regulação focal e utiliza também menos espelhos do que a minha patente '544.

Divulgação da Invenção

Esta invenção é um sistema de varrimento a laser que utiliza óptica reflectora de acordo com a reivindicação 1. Um raio laser de entrada é reflectido para fora de um primeiro espelho côncavo e trazido para um foco num primeiro ponto do foco (foco interior) . Este raio laser focado passa através de um pequeno orificio num espelho. Depois, o raio laser expande-se e reflecte para fora de um segundo espelho côncavo que é, de preferência, um espelho eliptico no eixo. Depois, o raio laser inverte a direcção novamente na direcção do espelho com um orificio. Quando o raio laser atinge o espelho com um orificio, o raio é muito maior do que o pequeno orificio. Depois, o raio laser reflecte predominantemente para fora do espelho dotado de um orificio com apenas uma pequena percentagem do raio que passa através do orificio. Depois, o raio laser reflecte para fora de um ou mais espelhos móveis que conduzem o raio laser para a peça de trabalho. 0 espelho com um orificio pode ser aquele dentre os espelhos móveis que dirige o raio. A distância ao foco interior na peça de trabalho pode também ser regulada através da deslocação do espelho eliptico no eixo.

Por consequência, é objectivo desta invenção fornecer um sistema de varrimento a laser de alta potência totalmente reflector com uma distância focal regulável melhorada que inclua pelo menos um espelho de varrimento -4- para dirigir de modo angular uma parte previamente determinada de um raio laser ao longo de um trajecto óptico para uma peça de trabalho. 0 sistema de varrimento possui uma primeira superfície reflectora no trajecto óptico do raio laser que se apresenta suficientemente curvo para focar o raio laser no primeiro ponto do foco. 0 sistema possui também pelo menos uma segunda superfície reflectora no trajecto óptico que se encontra espaçado do primeiro ponto do foco e é susceptível de ser deslocar o suficiente numa direcção previamente determinada para regular o foco do raio laser no segundo ponto do foco. 0 sistema possui ainda uma terceira superfície reflectora que se encontra opticamente entre a segunda superfície reflectora e o segundo ponto do foco para reflectir o raio laser focado que vai ser dirigido. 0 trajecto óptico possui um segmento do raio da distância previamente determinada que se estende da terceira superfície reflectora até ao segundo ponto do foco de modo que a deslocação da segunda superfície reflectora na direcção previamente determinada altere a distância do trajecto óptico da terceira superfície reflectora para o segundo ponto do foco pelo qual altera a distância previamente determinada para regular o foco do raio a ser dirigido sem produzir desvio angular significativo no raio dirigido na peça de trabalho. É também objecto desta invenção no sistema de varrimento melhorado anteriormente mencionado a utilização de menos superfícies reflectoras através da localização de um orifício na terceira superfície reflectora no primeiro ponto do foco.

Um objecto mais específico da invenção é um sistema de varrimento a raio laser de alta potência totalmente -5- reflector melhorado com uma distância focal regulável que inclui pelo menos um espelho de varrimento para dirigir de modo angular uma parte previamente determinada de um raio laser ao longo de um trajecto óptico para uma peça de trabalho. 0 sistema de varrimento possui um primeiro espelho no trajecto óptico do raio laser suficientemente curvo para focar o raio laser num primeiro ponto do foco. 0 sistema possui também um segundo espelho no trajecto óptico espaçado do primeiro ponto do foco e suficientemente curvo para focar o raio laser num segundo ponto do foco e é susceptivel de ser deslocado o suficiente numa direcção previamente determinada para regular o foco do raio laser no segundo ponto do foco. 0 sistema possui um terceiro espelho situado entre o primeiro e o segundo espelhos dotado de um orifício situado no primeiro ponto do foco para a passagem do raio laser para o segundo espelho. 0 terceiro espelho reflecte para o segundo ponto do foco significativamente todo o raio laser que passou para o segundo espelho.

Ainda outros objectos específicos da invenção constam no dito último sistema de varrimento a raio laser de alta potência totalmente reflector em que o primeiro espelho é um espelho parabólico fora do eixo e/ou o segundo espelho é um espelho elíptico no eixo e/ou o terceiro espelho é amovível para dirigir o raio laser para a peça de trabalho.

Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 é uma vista de perspectiva, um pouco esquemática, do sistema de varrimento a laser da invenção; -6- A Figura 2 é uma vista em corte ampliada de alguns elementos ópticos do sistema de varrimento a laser obtida ao longo da linha 2-2 da Figura 1; A Figura 3 é uma elipse que ilustra as caracteristicas do espelho; e A Figura 4 é um gráfico que ilustra a dimensão do ponto do foco susceptivel de se obter com esta invenção.

Descrição Detalhada dos Modelos Preferidos A Figura 1 apresenta uma vista de perspectiva de um sistema de varrimento a raio laser totalmente reflector (10). Um raio laser (20), que se propaga na direcção da seta (28), embate no espelho ou reflector côncavo (11).

Nesta ilustração, o reflector (11) é, de preferência, um espelho parabólico fora do eixo que foca o raio laser (20) no ponto do foco (21) . No modelo preferido, o ponto do foco (21) é centrado no orifício (12) do espelho (15) . O local preferido para o ponto do foco (21) é no plano da superfície reflectora do espelho (15) . Depois, o raio laser diverge do ponto do foco (21) após ter passado através do pequeno orifício (12) . Depois, o raio laser (21) propaga-se ao longo da trajectória do raio (20C) e embate no espelho côncavo (14). No modelo referido, o espelho côncavo (14) é significativamente um espelho elíptico no eixo. O termo "elipse no eixo" será mais tarde definido juntamente com a Figura 3. Contudo, e resumidamente, um espelho elíptico no eixo encontra-se no maior eixo da elipse. Este espelho elíptico no eixo (14) pode ser deslocado na direcção (27) que se encontra paralela ao eixo da elipse. Para obter a deslocação do espelho (14), esta ilustração apresenta um -7- espelho (14) montado no prato (17) que é também deslocado. 0 raio laser com os raios incidentes (20A) e (20B) é depois reflectido para fora do espelho eliptico (14) e regressa com os raios (20D) e (20E) a embaterem no espelho (15), respectivamente.

No modelo preferido, o espelho (14) é alinhado de tal modo que o raio central (20C) se propaga através do orificio (12) no espelho (15) . Contudo, a maioria dos raios laser reflectem para fora do espelho (15) no seu trajecto de regresso. Esta situação será mais tarde discutida. No modelo preferido, o espelho (14) possui o mais próximo dos dois pontos do foco correspondendo ao ponto do foco (21). 0 segundo ponto do foco (distante) está muito mais além do que o (21) e corresponde à distância de trabalho ao foco exterior do sistema de varrimento a laser. Este segundo ponto do foco da elipse pode estar a mais de 1 metro de distância e corresponde ao (22A, B e C) da Figura 1 quando o raio laser é deflectido por espelhos de varrimento.

No modelo preferido, o espelho (15) serve também como um dos dois espelhos de varrimento para deflectir o raio laser para o ponto do foco desejado. Por isso, este espelho é ilustrado como sendo capaz de girar no eixo (25). No modelo preferido, o eixo (25) passa através do orificio (12) para minimizar o movimento do orificio (12) . Depois, o raio laser, após reflectir fora do espelho (15), embate no espelho (16) que também pode girar em redor do eixo (26) . A combinação destes dois espelhos móveis permite a condução do raio laser em várias direcções ilustradas através de alcançar os pontos do foco (22A, 22B, e 22C).

Tal como pode ser verificado na Figura 1, é necessário regular a distância focal para focar em partes -8- diferentes da peça de trabalho (30). A alteração da distância focal é obtida através do espelho (14) em movimento ao longo da direcção (27) tal como anteriormente descrito. Visto que o espelho (14) é uma elipse no eixo, não existe condução do raio laser reflectido quando a distância focal é alterada através do espelho (14) em deslocação numa direcção paralela ao eixo da elipse. Esta direcção de movimento corresponde à direcção (27) na Figura 1. A Figura 2 é um corte transversal do sistema de varrimento a laser obtido ao longo da linha 2-2 na Figura 1. Na Figura 2, o raio laser de entrada (20) propaga-se na direcção (28) e embate no espelho parabólico fora do eixo (11), sendo que depois entra no foco em (21). O espelho (15) é dotado de um orifício (12) . O raio laser focalizado (21) passa através do orifício (12) e propaga-se ao espelho elíptico no eixo (14) . O espelho (14) pode ser deslocado na direcção (27) para atingir uma variação na distância focal ao foco exterior (22). O trajecto de regresso (20D, 20E) do raio laser embate no espelho (15) e reflecte para eventualmente atingir um ponto do foco exterior (22). O orifício (12) possui um diâmetro (d), e o raio laser com raios exteriores (20D) e (20E) é dotado de um diâmetro projectado (D) no espelho (15) quando visualizado a partir da direcção do espelho (14) . No modelo preferido, mais de cerca de 95% do raio laser, definido pelos raios (20D) e (20E), embate no espelho (15), e menos de cerca de 5% do raio laser passa através do orifício (12). Para tal, a equação seguinte deverá ser real: D>4,5d. -9-

Na prática, é possível obter uma perda de transmissão mesmo mais pequena através do orifício (12) do que estes 5%. Por exemplo, se o orifício (12) for dotado de um diâmetro projectado (d) de 3 mm, e se o diâmetro projectado (D) do raio laser que embate no espelho (15) for de 50 mm, então a perda de transmissão da luz laser pelo orifício (12) é menos de 0,4%. Contudo, a quantidade de luz laser que regressa à cavidade laser é mesmo muito menos do que 0,4%.

No modelo preferido, o espelho (15) exerce uma dupla função do mesmo modo que ambos o espelho com o orifício e um dos espelhos de varrimento a laser. A capacidade que o espelho (15) possui em modificar o seu ângulo encontra-se ilustrada pela seta curva (25A) que indica a direcção do deslocamento do espelho (15) em redor do seu eixo (25) . Contudo, deverá compreender-se que é também possível noutros modelos para o espelho (15) estar fixo e para o espelho ou espelhos de varrimento estarem opticamente localizados entre o espelho (15) e o ponto do foco exterior (22). Por exemplo, na Figura 1, o espelho (15) pode estar fixo e toda a deflexão pode ser obtida pelo espelho (16) . Ainda noutros modelos, poderá também existir um espelho de varrimento adicional além do espelho (16). A diferença entre um espelho com uma superfície elíptica no eixo e um espelho com uma superfície elíptica fora do eixo encontra-se melhor ilustrada pela Figura 3. Na Figura 3 existe uma elipse (40), com dois pontos do foco (41) e (42). Ainda, existe uma linha tracejada (43), que se trata do "eixo focal" da elipse (40). Este eixo focal passa através de ambos os pontos focais (41) e (42) . Quando se -10- pensa que o espelho é dotado de uma "superfície elíptica" então esta superfície do espelho reflectora é na verdade apenas um segmento fora de uma elipse tal como (40) na Figura 3. Por exemplo, o segmento (44) na Figura 3 representa uma secção transversal segmentária de um espelho dotado de uma superfície reflectora elíptica (45), na realidade uma parte ou segmento de toda a elipse (40) . Se a elipse é considerada como ser "no eixo", então significa que o eixo focal (43) passa através da superfície do espelho. Por exemplo, na Figura 3, o eixo focal passa através do centro do espelho (44).

Uma elipse fora do eixo pode estar também ilustrada na Figura 3. Nesta, a secção transversal segmentária do espelho (49) é apresentada como tendo sido removida do eixo focal da elipse. A luz que passa através do foco (41) e reflecte para fora do espelho (49) continua para o foco (42), tal como ilustrado pelos raios reflectores (46). Nesta ilustração, existe aproximadamente um ângulo de 45° (A) entre as setas incidentes e reflectoras (46). O meu sistema de varrimento a laser anterior utilizava um espelho de focalização dotado de uma superfície elíptica fora do eixo. O sistema desta invenção utiliza uma superfície elíptica no eixo. Por isso, o espelho (14) na Figura 2 corresponde ao espelho (44) na Figura 3. O ponto focal distante (22) na Figura 2 corresponde, regra geral, ao foco (42) na Figura 3. Quando o espelho (44) na Figura 3 encontra-se exactamente colocado na superfície da elipse (40), então o espelho (44) pode ser considerado como estando na posição de projecto. A saída da luz (41) atingiria um foco perfeito exactamente em (42). Contudo, se o espelho (44) na Figura 3 foi colocado (movido) para mais -11 - próximo ou afastado do foco (41) daquilo que se encontra ilustrado na Figura 3, então a luz emanada de (41) chegaria a um foco no eixo focal, mas não no ponto focal de projecto (42). Um objectivo desta invenção é aumentar a gama de regulação para lá dos pontos elípticos exactos onde a luz laser atinge um bom foco óptico. Este benefício encontra-se ilustrado pela Figura 4. 0 objecto do sistema de varrimento a laser é obter uma grande potência na peça de trabalho (30). Esta grande potência é necessária para realizar uma tarefa útil tal como cortar ou soldar. É desejável possuir uma grande gama de regulação do foco onde a dimensão do ponto do foco é mais pequena do que um valor previamente determinado. Quando o maior elemento de focalização é um espelho elíptico fora do eixo, tal como o utilizado na patente US 5,561,544, o gráfico da dimensão do ponto focalizado como uma função da distância do foco de projecto é ilustrada pela curva (60) marcada como "elipse 45o". Tal demonstra que este gráfico possui uma dimensão do ponto (62) mínima que, teoricamente, é igual ao limite de difracção do raio laser quando a distância focal óptica é igual ao foco da elipse discutido na Figura 3. Esta distância do foco da elipse no gráfico da Figura 4 é a linha (64) marcada como distância "0" do foco da elipse. Contudo, poderá verificar-se quando o ponto do foco óptico é feito a uma distância mais curta (66) ou a uma distância maior (68) do que a distância focal de projecto da elipse, então a curva da elipse de 45° produz uma dimensão do ponto significativamente maior do que o mínimo. Pelo contrário, a curva (70) marcada como "elipse de 0o" possui uma dimensão do ponto do foco limitada principalmente pelo limite de -12- difracção. Tal significa que, focalizando o raio laser a uma distância mais pequena do que a distância focal de projecto, pode mesmo produzir uma dimensão do ponto do foco ainda mais pequena do que a obtida no foco de projecto. Este é o resultado do facto de que as aberrações geométricas introduzidas pela elipse de 0o são insignificantes. A dimensão do ponto do foco é determinada principalmente pelo limite de difracção. Mesmo a uma distância focal maior do que o foco de projecto pode produzir quase uma dimensão do ponto de difracção limitada (pressupondo um bom raio laser) . É verdade que esta curva de 0o acaba por afastar-se da difracção limitada, mas o resultado continua a sustentar de que é possível obter uma dimensão do ponto mais pequena sobre um volume maior com o sistema óptico aqui descrito do que com o meu sistema óptico anterior. Na prática, o volume útil acessível a um sistema de varrimento a laser pode ser aumentado em mais de um factor de 4 com o recurso a esta invenção comparado com a minha anterior invenção. A acção ou a deslocação do espelho (14) pode ser obtida utilizando vários mecanismos de deslocação tais como um deslizamento accionado por um fuso e um motor eléctrico. Ainda, a deflexão dos espelhos (15,16) em redor dos respectivos eixos (25,26) pode ser obtida através da utilização de motores de galvanómetro com retroacção da posição.

Na descrição desta invenção, o elemento óptico (11) tem sido referido como uma parábola fora do eixo e o elemento óptico (14) tem sido referido como uma elipse no eixo. Deverá ser entendido que estas são as curvaturas preferidas destes elementos ópticos. Contudo, será possível -13- a utilização noutras superfícies de espelho côncavas com alguma deterioração no desempenho. Por exemplo, o espelho (14) poderá ser uma superfície esférica. Tal iria ampliar o diâmetro da dimensão do ponto do foco em (22). Contudo, para algumas aplicações, este ponto do foco ampliado poderá ainda ser aceite. Existem outras coisas que poderão estar ligeiramente fora do eixo ou próximo de uma parábola que podem variar de uma elipse através de parte de um comprimento de onda, ou seja, pode estar próximo de uma elipse mesmo se designado por qualquer outro nome técnico. -14-

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo requerente é apenas para a conveniência do leitor. A mesma não faz parte do documento de Patente Europeia. Embora muito cuidado tenha sido tomado na compilação das referências, erros e omissões não podem ser excluídos e o EPO nega qualquer responsabilidade neste sentido.

Documentos de Patente citados na descrição • US 5561544 A [0002] [0020]

Lisboa

Claims

-1- REIVINDICAÇÕES 1. Sistema de varrimento a raio laser de grande potência totalmente reflector (10) com uma distância focal regulável, incluindo pelo menos um espelho de varrimento (15,16) para dirigir num plano angular uma parte previamente determinada de um raio laser (20) ao longo de um trajecto óptico para uma peça de trabalho (30), compreendendo: um primeiro espelho (11) no trajecto óptico do raio laser (20) e suficientemente curvo para focar o raio laser (20) num primeiro ponto focal (21); um segundo espelho (14) no trajecto óptico espaçado do dito primeiro ponto focal (21); e um terceiro espelho; caracterizado por (i) o segundo espelho ser suficientemente curvo para focar o raio laser no segundo ponto focal (22A, B e C) e suficientemente apto para ser sujeito a um movimento numa direcção previamente determinada (27) para regular o foco do dito raio laser (20) no dito segundo ponto focal (22A, B e C); e (ii) o terceiro espelho (15) se encontrar entre o primeiro e o segundo espelhos e dotado de um -2- orifício (12) no dito primeiro ponto focal (21) para passar o dito raio laser (20) para o dito segundo espelho (14); (iii) o dito terceiro espelho (15) reflectir para o dito segundo ponto focal (22A, B e C) significativamente a totalidade do dito raio laser (20) que passou no dito segundo espelho (14) .
2. Sistema melhorado de varrimento a raio laser de grande potência totalmente reflector (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito primeiro espelho (11) ser um espelho parabólico fora do eixo.
3. Sistema melhorado de varrimento a raio laser de grande potência totalmente reflector (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito segundo espelho (14) ser substancialmente um espelho elíptico no eixo.
4. Sistema melhorado de varrimento a raio laser de grande potência totalmente reflector (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito terceiro espelho (15) poder ser deslocado para dirigir o raio laser (20) para a peça de trabalho (30).
5. Sistema melhorado de varrimento a raio laser de grande potência totalmente reflector (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito orifício (12) ser dotado de um diâmetro (d), o raio laser (20) possuir um diâmetro projectado (D) e uma correlação entre eles de -3- D>4,5d, o dito raio laser (20) reflectir do dito terceiro espelho (15) para o segundo ponto focal (22A, B e C) mais do que cerca de 95% do raio laser recebido pelo dito terceiro espelho (15).
6. Sistema de varrimento a raio laser de grande potência (10) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o dito terceiro espelho (15) poder ser deslocado para dirigir o raio laser (20). Lisboa -1/3-

-2/3-

-3/3-