WO2019149928A1 - Vorrichtung zur bestrahlung von objekten - Google Patents

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WO2019149928A1
WO2019149928A1 PCT/EP2019/052633 EP2019052633W WO2019149928A1 WO 2019149928 A1 WO2019149928 A1 WO 2019149928A1 EP 2019052633 W EP2019052633 W EP 2019052633W WO 2019149928 A1 WO2019149928 A1 WO 2019149928A1
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Daniel BARTEL
Tilo KIRSTEN
Peter Schmitt
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Ist Metz Gmbh
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    • G02B6/3672—2D cross sectional arrangements of the fibres with fibres arranged in a regular matrix array

Definitions

  • the invention relates to a device for irradiating objects, in particular for a photochemical change of object surfaces, with a laser device for generating radiation and one of a bundle of flexible optical fibers formed on a coupling side coupled to the laser device and on a coupling side on the object-oriented or alignable light guide arrangement.
  • the curing or polymerization or a photochemical change of radiation-curable, polymerizable or photochemically changeable materials such as printing inks or paints or adhesives or molding compounds with electromagnetic radiation example, with UV radiation
  • UV radiation is known and is used industrially, for example in the printing of packaging materials or used in the bonding of components or in the production of moldings, for example in 3D printing.
  • powerful UV radiation sources such as mercury lamps or LED lamps are used whose optical output power is in the relevant spectral range for the curing of about 200 nm to 400 nm, with their total radiation power often in the range of several kilowatts.
  • UV aggregates generally consist of a cylindrical UV lamp and corresponding reflector devices, which are arranged on the side facing away from the working plane, as a result of which the deflected away from the working plane, radiated UV radiation is deflected to the working plane and thus increases the overall efficiency. Due to the extended light source used in this case, however, it is only possible to a limited extent to intensively irradiate a narrowly limited irradiation surface, so that a large part of the UV radiation can not be used in the desired manner.
  • UV LED systems have more favorable properties here, since LEDs emit their radiation only into a half space and thus rear reflectors can be dispensed with.
  • a disadvantage is the still too large radiation angle of about 120 °, so that additional optical elements such as lenses and mirror elements are required for intensive and spatially limited illumination of the working plane.
  • UV LED aggregates for industrial purposes, for example for curing UV printing inks and paints, which are usually applied over a large area on a substrate, very high overall performance is required, so it is necessary, a lot of individual LEDs to arrange in an array and at the same time to direct the available radiation power as completely as possible to the working plane.
  • DE 38 28 753 discloses a device for drying printed products in a printing press, in which a laser beam from a laser tube is directed onto an optical fiber cable whose individual fiber ends are arranged such that they are transverse to the transport direction form a line extending line. It is also proposed to cover several wavelengths by a multiple laser. In any case, it is problematic here that only a fraction of the laser radiation enters the fiber cores in the case of total irradiation of a light guide cable, so that the power required on the outlet side can not be coupled in at all without thermally overloading the cable. In addition, there are intensity distributions across the beam cross section, which lead to inhomogeneous irradiation. Such systems could therefore not be put into practice over a long period of 30 years.
  • the object of the invention is to remedy the disadvantages which have arisen in the prior art and to provide a system which ensures flexible and efficient light guidance to a desired work surface with a high total radiant power. Further aspects are to easily adapt the size and shape of an irradiation area and to allow a variable exposure pattern in the irradiation area.
  • the invention is based on the idea of compactly and precisely combining a large number of laser light sources via an optical fiber bundle at an irradiation site. Accordingly, the invention proposes that the laser device has a plurality of laser emitters or laser radiation sources, and that each laser emitter is coupled to an associated optical fiber of the optical fiber arrangement, wherein an output radiation of the respective laser emitter enters the associated optical fiber. This makes it possible to use a high total power of the laser radiation without thermally overloading the optical fiber cable. As a result, it is also possible to couple in the associated optical fiber the output radiation of the respective laser emitter with high efficiency and thus with particularly little loss.
  • the laser emitters are embodied as preferably continuous or quasi-continuously operating or pulsed semiconductor diodes, so that a high integration density and variable triggering at high overall power is possible.
  • the output radiation of the laser emitters is in the wavelength range from 100 nm to 500 nm.
  • at least some laser emitters operate at mutually different wavelengths, so that a specific photochemical change adapted to the particular substance to be hardened is possible.
  • the outcoupling-side ends of the optical fibers are held in a line-type or planar arrangement on an irradiation head which can be aligned with a region to be irradiated, so that a variable alignment to an object contour is also possible.
  • a further particularly preferred embodiment provides that the outcoupling-side ends of the optical fibers are combined in at least one holder element.
  • Such holder elements can then be preconfigured in a box-like manner and assembled in order to cover a desired irradiation surface as required.
  • a further improvement provides that a plurality of holder elements are combined in a modular manner at one irradiation head so that a variable area coverage is achieved, wherein the irradiation head can be virtually freely positioned due to the flexible light guide arrangement.
  • the laser device has a control unit connected to the laser emitters, wherein the laser emitters are independently adjustable in their power and / or individually switchable via the control unit.
  • the laser emitters are controllable via the control unit in accordance with a desired radiation distribution or pattern on the object possibly irradiated in the passage.
  • the laser emitters are focused on a core region of the associated optical fiber so that the coupling efficiency of each laser emitter into the optical fiber is more than 70% of its output radiation.
  • the bundle of Lichtleit fibers has a length in the range of 0.1 m to 100m, preferably in the range of 1 m to 20m.
  • the irradiation head is provided with optical elements for radiation steering and / or radiation shaping, so that a high point accuracy and / or area delineation of the irradiation in a process area is achieved.
  • the laser emitters are optionally arranged together with a device for power supply and / or for cooling and / or for control as a supply unit in a common housing or aggregate.
  • the size of the individual laser emitters should be in the range of 0.1 mm to 10 mm.
  • a particular application possibility consists in that the laser emitters are aligned to a delimited object area, and that the object area is coated with radiation-hardening materials, in particular special colors for the production of optical effects.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a laser-based irradiation system for the photochemical modification of object surfaces
  • FIGS. 2 and 3 show perspective view of a plurality of module elements which can be combined in a modular manner for optical fibers of the irradiation system
  • FIG. 4 shows a perspective view of an irradiation head composed of the holder elements.
  • the irradiation system 10 shown in the drawing enables efficient directing of laser radiation onto objects 12 to be irradiated which are exposed to radiation-curable, polymerizable or generally photochemically changeable materials such as printing inks or varnishes or adhesives or molding compounds and, if necessary, in transit on a transport device 14 are irradiated.
  • the irradiation system 10 comprises a control unit 14, a laser unit 16 and an optical waveguide arrangement 18, which can be flexibly aligned with the object 12 via a compact irradiation head 20.
  • the laser unit 16 comprises a multiplicity of laser radiators 22 as individual radiation sources, which are optically coupled to an optical fiber 24 of the optical waveguide arrangement 18 for coupling laser radiation.
  • the control unit 14 is connected via data links 26 to an external computer 28 or computer network.
  • An encoder 32 and a trigger unit 34 are connected via control lines 30 to detect object-related information or signals and targeted Irradiation processes in accordance with a desired radiation distribution or pattern trigger.
  • the laser unit 16 comprises an interface 36 which is connected via a first control line 38 to the control unit 14 and via a second control line 40 to a driver circuit 42 in order to switch the individual laser radiators 22 independently of one another or to adjust their power.
  • the laser emitters 22 are formed by semiconductor laser diodes which emit radiation at a wavelength in the range of 100 nm to 500 nm, with possibly some of the laser emitters 22 operating at mutually different wavelengths.
  • the size of the individual laser diodes can be in the millimeter range, with a corresponding number of radiators 22 and fibers 24 being used depending on the desired number of irradiation points.
  • the optical fibers 24 have a substantially round overall cross section, which is constructed from two concentrically arranged regions with a round cross section.
  • the inner smaller area - the core - consists of an optically transparent material such as glass or quartz, whose optical refractive index is higher than that of the surrounding optically transparent material, the so-called cladding.
  • the core then acts as a waveguide in that a light beam coupled into it is guided at the boundary layer between the core and cladding due to total internal reflection. Due to the small emission area required in semiconductor lasers in the range of a few miti 2 and the narrow solid angle of the emission, a high coupling efficiency into the optical fiber, which can be in the region of 70% and more, is possible at a short distance. Of course, it is also possible to realize the coupling of the laser radiation into the optical fiber by means of a coupling-in optical system 44.
  • the control unit 14 and the laser unit 16 are housed together with a not shown power supply and cooling in a common housing or cabinet 46 at a suitable location, while the compact irradiation head 20 is positioned in a remote work area, for example in a printing press. In this case, larger distances between the installation site and the working area can be variably bridged via the light conductor arrangement 18.
  • the optical fiber 24 may have a length of more than 100m, since the optical
  • Losses in the fiber when selecting a suitable fiber material are very low and thereby the total losses arise essentially at the input and output surfaces due to reflections. If appropriate, the fiber ends can each be provided with an antireflection coating optimized for the wavelength used.
  • the irradiation head 20 may be equipped with optical elements 48 in order to form the emerging radiation at the outcoupling-side fiber ends of the light guides and, for example, to focus on the object 12.
  • the irradiation head 20 may include a plurality of holder members 50 that are modularly combined to hold the exit ends 52 of the optical fibers 24 in line or planar arrangement over a desired range. Expediently, a seamless, regular configuration of the outlet ends 52 is also maintained across the joints.
  • the holder elements 50 can be provided with formations 54 for mutual form-fitting positioning.
  • transverse bores 56 enable the engagement of connection means (not shown), for example fixing screws.
  • connection means for example fixing screws.
  • a comb-like groove structure 58 is provided on each holder member 58.
  • the number of optical fibers 24 on each holder member 50 is suitably in the range of 10 to 100, so that a desired work area is covered by appropriate cascading.
  • FIG. 3 shows, in a perspective exploded view, additional holder elements 50 'as intermediate elements in order to create a multi-row arrangement of optical fibers 24.
  • the rows of optical fibers 24 can be held in an offset relationship to each other, so that the exit ends are arranged in the intermediate row in the gaps of the underlying or overlying row.
  • Fig. 4 shows the assembled configuration with a deck row of holder elements 50 ", whereby four superimposed rows or Lines of exit ends 52 of the optical fibers 24 are realized in flush arrangement.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestrahlung von Objekten (12), insbesondere für eine photochemische Veränderung von Objektoberflächen, mit einer Lasereinrichtung (16) zur Strahlungserzeugung und einer aus einem Bündel von flexiblen Lichtleitfasern (24) gebildeten, an einer Einkoppelseite mit der Lasereinrichtung (16) gekoppelten und an einer Auskoppelseite auf das zu bestrahlende Objekt (12) ausgerichteten oder ausrichtbaren Lichtleiteranordnung (18). Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Lasereinrichtung (16) eine Mehrzahl von Laserstrahlern (22) aufweist, und dass jeder Laserstrahler (22) mit einer zugeordneten Lichtleitfaser (24) der Lichtleiteranordnung (18) gekoppelt ist, wobei eine Ausgangsstrahlung des jeweiligen Laserstrahlers (22) in die zugeordnete Lichtleitfaser (24) eintritt.

Description

Vorrichtung zur Bestrahlung von Objekten Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestrahlung von Objekten, insbe- sondere für eine photochemische Veränderung von Objektoberflächen, mit einer Lasereinrichtung zur Strahlungserzeugung und einer aus einem Bün- del von flexiblen Lichtleitfasern gebildeten, an einer Einkoppelseite mit der Lasereinrichtung gekoppelten und an einer Auskoppelseite auf das zu be- strahlende Objekt ausgerichteten oder ausrichtbaren Lichtleiteranordnung.
Die Härtung oder Polymerisation oder eine photochemische Veränderung von strahlungshärtenden, polymerisierbaren oder photochemisch veränder- baren Materialien wie beispielsweise Druckfarben oder Lacken oder Kleb- stoffen oder Formmassen mit elektromagnetischer Strahlung beispiels weise mit UV-Strahlung ist bekannt und wird industriell beispielsweise bei der Bedruckung von Verpackungsmaterialien oder bei der Verklebung von Bauteilen oder bei der Herstellung von Formteilen beispielsweise im 3D- Druck eingesetzt. Hierzu werden leistungsfähige UV-Strahlungsquellen wie Quecksilberlampen oder LED-Strahler verwendet, deren optische Aus- gangsleistung im für die Härtung relevanten Spektralbereich von etwa 200 nm bis 400 nm liegt, wobei deren gesamte Strahlungsleistung häufig im Be- reich von mehreren Kilowatt liegt. Grund dafür ist, dass in der Regel große Flächen innerhalb kürzester Zeit mit einer ausreichenden optischen Strah- lungsleistung und Strahlungsenergie belichtet werden müssen, um so eine hohe Produktionsleistung zu erzielen. Solche UV-Aggregate bestehen dabei bei der Verwendung von Quecksil- berlampen in der Regel aus einer zylinderförmigen UV-Lampe und entspre- chenden Reflektoreinrichtungen, welche auf der der Arbeitsebene abge- wandten Seite angeordnet sind, wodurch die von der Arbeitsebene weg ge- lenkte, abgestrahlte UV Strahlung auf die Arbeitsebene umgelenkt wird und so den Gesamtwirkungsgrad erhöht. Aufgrund der dabei verwendeten aus- gedehnten Lichtquelle ist es hierbei allerdings nur bedingt möglich, eine eng begrenzte Bestrahlungsfläche intensiv zu bestrahlen, so dass ein Großteil der UV-Strahlung nicht in gewünschter Weise verwendet werden kann.
Die in zunehmendem Maße industriell verwendeten UV-LED-Systeme wei- sen hierbei günstigere Eigenschaften auf, da LEDs ihre Strahlung nur in einen Halbraum abgeben und somit rückseitige Reflektoren entfallen kön- nen. Nachteilig ist jedoch der immer noch zu große Abstrahlwinkel von ca. 120°, so dass für eine intensive und räumlich begrenzte Ausleuchtung der Arbeitsebene zusätzliche optische Elemente wie Linsen und Spiegelele- mente erforderlich sind. Insbesondere beim Einsatz von UV-LED- Aggregaten für industrielle Zwecke, beispielsweise zur Härtung von UV- Druckfarben und Lacken, welche in der Regel großflächig auf ein Substrat aufgebracht werden, werden sehr hohe Gesamtleistungen benötigt, so dass es erforderlich ist, sehr viele einzelne LEDs in einem Array anzuordnen und gleichzeitig die zur Verfügung stehende Strahlungsleistung möglichst voll- ständig auf die Arbeitsebene zu lenken. Darüber hinaus ist es häufig erfor- derlich oder gewünscht, die zur Verfügung stehende Strahlungsleistung in einen Flächenbereich homogen zu konzentrieren, um einen möglichst ef- fektiven Härtungsprozesses zu ermöglichen. Aus der DE 38 28 753 ist eine Vorrichtung zum Trocknen von Druckproduk- ten in einer Druckmaschine bekannt, bei der ein Laserstrahl aus einem La- serrohr auf ein Lichtleitfaserkabel gerichtet wird, dessen einzelne Faseren- den so angeordnet sind, dass sie eine quer zur Transportrichtung eines Druckbogens verlaufende Linie bilden. Dabei wird auch vorgeschlagen, durch einen Mehrfachlaser mehrere Wellenlängen abzudecken. In jedem Fall ist hier problematisch, dass bei einer Gesamtbestrahlung eines Licht- leitkabels nur ein Bruchteil der Laserstrahlung in die Faserkerne eintritt, so dass die austrittsseitig erforderliche Leistung gar nicht eingekoppelt werden kann, ohne das Kabel thermisch zu überlasten. Hinzu kommen Intensitäts- Verteilungen über den Strahlquerschnitt, die zu einer inhomogenen Bestrah- lung führen. Derartige Systeme konnten daher auch in einem langen Zeit- raum von 30 Jahren nicht in die Praxis umgesetzt werden.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik aufgetretenen Nachteile zu beheben und ein System zu schaf- fen, welches bei einer hohen gesamten Strahlungsleistung eine flexible und effiziente Lichtlenkung auf eine gewünschte Arbeitsfläche gewährleistet. Weitere Aspekte liegen darin, in einfacher Weise die Größe und Form einer Bestrahlungsfläche anzupassen und im Bestrahlungsbereich ein variables Belichtungsmuster zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprü- chen. Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, eine Vielzahl von Laserlicht- quellen über ein Lichtleiterbündel an einem Bestrahlungsort kompakt und punktgenau zu kombinieren. Dementsprechend wird erfindungsgemäß vor- geschlagen, dass die Lasereinrichtung eine Mehrzahl von Laserstrahlern bzw. Laserstrahlungsquellen aufweist, und dass jeder Laserstrahler mit ei- ner zugeordneten Lichtleitfaser der Lichtleiteranordnung gekoppelt ist, wo- bei eine Ausgangsstrahlung des jeweiligen Laserstrahlers in die zugeord- nete Lichtleitfaser eintritt. Dadurch ist es möglich, eine hohe Gesamtleistung der Laserstrahlung einzusetzen, ohne das Lichtleitkabel thermisch zu über- lasten. Dadurch ist es weiterhin möglich, die Ausgangsstrahlung des jewei- ligen Laserstrahlers mit hoher Effizienz und damit besonders verlustarm in die zugeordnete Lichtleitfaser einzukoppeln. Zugleich kann damit an der Auskoppelseite der Lichtleitfasern eine gezielte punktgenaue Auflösung am Bestrahlungsort erreicht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auf der Seite der Strahlungserzeugung ein großer Bauraum genutzt werden kann, während auf der Nutzungsseite ein Bestrahlungskopf ggf. auch in ei- ner beengten Maschinenumgebung flexibel integrierbar ist. Vorteilhafterweise sind die Laserstrahler als vorzugsweise kontinuierlich o- der quasi-kontinuierlich arbeitende oder gepulste Hableiter-Laserdioden ausgebildet, so dass eine hohe Integrationsdichte und variable Ansteue- rung bei hoher Gesamtleistung möglich ist. Um eine effektive Härtung bzw. Polymerisation der bestrahlten Materialien zu erreichen, ist es günstig, wenn die Ausgangsstrahlung der Laserstrahler im Wellenlängenbereich von 100nm bis 500nm liegt. In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn zumindest einige Laserstrahler bei voneinander verschiedenen Wellenlängen arbeiten, so dass eine gezielte und an die jeweilige zu härtenden Substanz angepasste photochemische Veränderung möglich ist.
Vorteilhafterweise sind die auskoppelseitigen Enden der Lichtleitfasern an einem auf einen zu bestrahlenden Bereich ausrichtbaren Bestrahlungskopf in linienförmiger oder flächiger Anordnung gehalten, so dass auch eine va- riable Ausrichtung auf eine Objektkontur möglich ist.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die aus- koppelseitigen Enden der Lichtleitfasern in mindestens einem Halterele- ment zusammengefasst sind. Solche Halterelemente lassen sich dann bau- kastenartig vorkonfigurieren und zusammensetzen, um je nach Anforde- rung eine gewünschte Bestrahlungsfläche abzudecken.
Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass an einem Bestrahlungskopf meh- rere Halterelemente modulartig miteinander kombiniert sind, so dass eine variable Flächenabdeckung erreicht wird, wobei der Bestrahlungskopf auf- grund der flexiblen Lichtleiteranordnung quasi frei positionierbar ist.
In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn mehrere Halterele- mente in einer flächenbündigen Anordnung an den Austrittsenden der Licht- leitfasern miteinander verbunden sind, um so ein homogenes Bestrahlungs- raster zu realisieren. Für eine einfache Kaskadierung ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Licht leitfasern an jedem Halteelement im Bereich von 1 bis 1000, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 100 liegt. Gemäß noch einer weiterem besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Lasereinrichtung eine mit den Laserstrahlern verbundene Steuereinheit auf, wobei die Laserstrahler über die Steuereinheit voneinander unabhän- gig in ihrer Leistung einstellbar und/oder einzeln schaltbar sind. Dadurch kann eine punktgenaue und zeitlich sowie leistungsmäßig anpassbare Be- Strahlung in einem Prozessbereich erreicht werden, wobei sich auch ggf. vorhandene Toleranzen ausgleichen lassen.
In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, wenn die Laserstrahler über die Steuereinheit nach Maßgabe einer gewünschten Strahlungsvertei- lung oder Musters auf dem ggf. im Durchlauf bestrahlten Objekt ansteuerbar sind.
Zur Vermeidung von Strahlungsverlusten und Erzielung einer hohen Be- strahlungseffizienz ist es von Vorteil, wenn die Laserstrahler auf einen Kern- bereich der zugeordneten Lichtleitfaser fokussiert sind, so dass die Einkop- peleffizienz jedes Laserstrahlers in die Lichtleitfaser mehr als 70% seiner Ausgangsstrahlung beträgt.
Um die Baueinheiten zur Strahlungserzeugung und den Arbeitsbereich räumlich geeignet zu trennen, ist es günstig, wenn das Bündel von Lichtleit fasern eine Länge im Bereich von 0,1 m bis 100m, vorzugsweise im Bereich von 1 m bis 20m aufweist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Bestrahlungs- kopf mit optischen Elementen zur Strahlungslenkung und/oder Strahlungs- formung versehen ist, so dass eine hohe Punktgenauigkeit und/oder Flä- chenabgrenzung der Bestrahlung in einer Prozessfläche erreicht wird.
Um die Handhabung vor Ort zu vereinfachen, ist es günstig, wenn die La- serstrahler ggf. zusammen mit einer Einrichtung zur Stromversorgung und/oder zur Kühlung und/oder zur Steuerung als Versorgungseinheit in ei- nem gemeinsamen Gehäuse oder Aggregat angeordnet sind.
Um die Einkopplung in die zugeordneten Lichtleitfasern zu erleichtern, sollte die Baugröße der einzelnen Laserstrahler im Bereich von 0,1 mm bis 10mm liegen.
Eine besondere Einsatzmöglichkeit besteht darin, dass die Laserstrahler auf einen abgegrenzten Objektbereich ausgerichtet sind, und dass der Ob- jektbereich mit strahlungshärtenden Materialien, insbesondere Sonderfar- ben zur Erzeugung von optischen Effekten beschichtet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung in schema- tischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei- gen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Laser-basierten Bestrahlungssystems zur photochemischen Veränderung von Objektoberflächen; Fig. 2 und 3 mehrere modulartig miteinander kombinierbare Halterele- mente für Lichtleitfasern des Bestrahlungssystems in perspek- tivischer Darstellung; Fig. 4 einen aus den Halterelementen zusammengesetzten Bestrah- lungskopf in perspektivischer Darstellung.
Das in der Zeichnung dargestellte Bestrahlungssystem 10 ermöglicht eine effiziente Lenkung von Laserstrahlung auf zu bestrahlende Objekte 12, die mit strahlungshärtenden, polymerisierbaren oder allgemein photochemisch veränderbaren Materialien wie beispielsweise Druckfarben oder Lacken o- der Klebstoffen oder Formmassen beaufschlagt sind und ggf. im Durchlauf auf einer Transporteinrichtung 14 bestrahlbar sind. Zu diesem Zweck umfasst das Bestrahlungssystem 10 eine Steuereinheit 14, eine Lasereinheit 16 und eine Lichtleiteranordnung 18, die sich über einen kompakten Bestrahlungskopf 20 flexibel auf das Objekt 12 ausrichten lässt. Die Lasereinheit 16 umfasst dabei eine Vielzahl von Laserstrahlern 22 als einzelne Strahlungsquellen, die mit jeweils einer Lichtleitfaser 24 der Lichtleiteranordnung 18 zur Einkopplung von Laserstrahlung optisch gekop- pelt sind.
Die Steuereinheit 14 ist über Datenverbindungen 26 mit einem externen Rechner 28 oder Computernetzwerk verbunden. Ein Encoder 32 und eine Triggereinheit 34 sind über Steuerleitungen 30 angeschlossen, um objekt- bezogene Informationen oder Signale zu erfassen und gezielte Bestrahlungsvorgänge nach Maßgabe einer gewünschten Strahlungsver- teilung oder Musters auszulösen.
Die Lasereinheit 16 umfasst eine Schnittstelle 36, die über eine erste Steu- erleitung 38 mit der Steuereinheit 14 und über eine zweite Steuerleitung 40 mit einer Treiberschaltung 42 verbunden ist, um die einzelnen Laserstrahler 22 unabhängig voneinander zu schalten bzw. in ihrer Leistung einzustellen.
Die Laserstrahler 22 sind durch Hableiter-Laserdioden gebildet, die bei ei- ner Wellenlänge im Bereich von 100nm bis 500nm Strahlung emittieren, wobei ggf. einige der Laserstrahler 22 bei voneinander verschiedenen Wel- lenlängen arbeiten. Die Baugröße der einzelnen Laserdioden kann im Milli- meterbereich liegen, wobei in Abhängigkeit der gewünschten Zahl von Be- strahlungspunkten entsprechend viele Strahler 22 und Fasern 24 eingesetzt werden.
Die Lichtleitfasern 24 weisen einen im Wesentlichen runden Gesamtquer- schnitt auf, der aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Bereichen mit einem runden Querschnitt aufgebaut ist. Der innere kleinere Bereich - der Kern - besteht dabei aus einem optisch transparenten Material wie bei spielsweise Glas oder Quarz, dessen optischer Brechungsindex höher als derjenige des umgebenden optisch transparenten Materials, des so ge- nannten Claddings ist. Der Kern wirkt dann dadurch als Wellenleiter, dass ein in ihn eingekoppelter Lichtstrahl aufgrund von Totalreflexion an der Grenzschicht zwischen Kern und Cladding geführt wird. Aufgrund der bei Halbleiterlasern erforderlichen kleinen Emissionsfläche im Bereich von einigen miti2 und der engen Raumwinkel der Emission ist bei geringem Abstand eine hohe Koppeleffizienz in die optische Faser möglich, die im Bereich von 70% und mehr liegen kann. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Einkopplung der Laserstrahlung in die optische Faser mit- tels einer Einkoppeloptik 44 zu realisieren.
Die Steuereinheit 14 und die Lasereinheit 16 sind zusammen mit einer nicht gezeigten Stromversorgung und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse oder Schaltschrank 46 an einem geeigneten Aufstellort untergebracht, wäh- rend der kompakte Bestrahlungskopf 20 in einem entfernten Arbeitsbereich beispielsweise in einer Druckmaschine positionierbar ist. Dabei können über die Lichtleiteranordnung 18 auch größere Entfernungen zwischen Auf- stellort und Arbeitsbereich variabel überbrückt werden. Die Lichtleiterfasern 24 können eine Länge auch von mehr als 100m aufweisen, da die optischen
Verluste in der Faser bei Auswahl eines geeigneten Fasermaterials sehr gering sind und dadurch die Gesamtverluste im Wesentlichen an den Ein- und Auskoppelflächen aufgrund von Reflexionen entstehen. Gegebenen- falls können die Faserenden jeweils mit einer für die verwendete Wellen- länge optimierten Antireflexbeschichtung versehen werden.
Es kann vorteilhaft sein, dass der Bestrahlungskopf 20 mit optischen Ele- menten 48 bestückt ist, um an den auskoppelseitigen Faserenden der Licht leitfasern 24 die austretende Strahlung zu formen und beispielsweise auf das Objekt 12 zu fokussieren. Wie in Fig. 2 bis 4 veranschaulicht, kann der Bestrahlungskopf 20 eine Mehrzahl von Halterelementen 50 umfassen, die modulartig miteinander kombiniert sind, um die Austrittsenden 52 der Lichtleitfasern 24 über einen gewünschten Bereich in linien- oder flächiger Anordnung zu halten. Zweck- mäßig wird dabei auch über die Verbindungsstellen hinweg eine nahtlose, regelmäßige Konfiguration der Austrittsenden 52 eingehalten.
Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, können die Halterelemente 50 mit Ausformungen 54 für gegenseitige formschlüssige Positionierungen verse- hen sein. Zur Fixierung an dem Bestrahlungskopf 20 ermöglichen Querboh- rungen 56 den Eingriff von nicht gezeigten Verbindungsmitteln, beispiels- weise Befestigungsschrauben. Um die Endabschnitte der einzelnen Licht- leitfasern 24 definiert zu positionieren, ist eine kammartige Rillenstruktur 58 an jedem Halterelement 58 vorgesehen. Die Anzahl der Lichtleitfasern 24 an jedem Halterelement 50 liegt zweckmäßig im Bereich von 10 bis 100, so dass durch entsprechende Kaskadierung ein gewünschter Arbeitsbereich abgedeckt wird.
Fig. 3 zeigt in schaubildlicher Explosionsdarstellung zusätzliche Halterele- mente 50‘ als Zwischenelemente, um eine mehrreihige Anordnung von Lichtleitfasern 24 zu schaffen. Die Reihen der Lichtleitfasern 24 können da- bei in einem Versatz zueinander gehalten werden, so dass die Austrittsen- den in der Zwischenreihe in den Lücken der darunter- bzw. darüber liegen- den Reihe angeordnet sind.
Fig. 4 zeigt die zusammengefügte Konfiguration mit einer Deckreihe von Halterelementen 50“, wodurch vier übereinander liegende Reihen oder Zeilen von Austrittsenden 52 der Lichtleitfasern 24 in flächenbündige An- ordnung verwirklicht werden. Dabei ist es möglich, die einzelnen Laser- strahler 22 so zu steuern, dass ggf. während einer Relativbewegung von Objekt 12 und Bestrahlungskopf 20 ein gewünschtes Punktmuster mit ho- her Auflösung und Bestrahlungsstärke belichtet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestrahlung von Objekten (12), insbesondere für eine photochemische Veränderung von Objektoberflächen, mit einer La- sereinrichtung (16) zur Strahlungserzeugung und einer aus einem
Bündel von flexiblen Lichtleitfasern (24) gebildeten, an einer Einkop- pelseite mit der Lasereinrichtung (16) gekoppelten und an einer Aus- koppelseite auf das zu bestrahlende Objekt (12) ausgerichteten oder ausrichtbaren Lichtleiteranordnung (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (16) eine Mehrzahl von Laserstrahlern (22) aufweist, und dass jeder Laserstrahler (22) mit einer zugeordneten Lichtleitfaser (24) der Lichtleiteranordnung (18) gekoppelt ist, wobei eine Ausgangsstrahlung des jeweiligen Laserstrahlers (22) in die zu- geordnete Lichtleitfaser (24) eintritt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die La- serstrahler (22) als vorzugsweise kontinuierlich oder quasi-kontinuier- lich arbeitende oder gepulste Hableiter-Laserdioden ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstrahlung der Laserstrahler (22) im Wellenlängenbereich von 100nm bis 500nm liegt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest einige Laserstrahler (22) bei voneinander verschiedenen Wellenlängen arbeiten.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auskoppelseitigen Enden (52) der Lichtleitfasern (24) an einem auf einen zu bestrahlenden Bereich ausrichtbaren Be- strahlungskopf (20) in linienförmiger oder flächiger Anordnung gehal- ten sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsenden (52) der Lichtleitfasern (24) in min- destens einem Halterelement (50) zusammengefasst sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Bestrahlungskopf (20) mehrere Halterelemente (50) modulartig miteinander kombiniert sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Halterelemente (50) in einer flächenbündigen Anordnung an den Austrittsenden (52) der Lichtleitfasern (24) miteinander verbunden sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Lichtleitfasern (24) an jedem Halteele- ment (50) im Bereich von 1 bis 1000, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 100 liegt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (16) eine mit den Laserstrahlern (22) verbundene Steuereinheit (14) aufweist, und dass die Laserstrah- ler (22) über die Steuereinheit (14) voneinander unabhängig in ihrer Leistung einstellbar und/oder einzeln schaltbar sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahler (22) über die Steuereinheit (14) nach Maßgabe einer ge- wünschten Strahlungsverteilung oder Musters auf dem ggf. im Durch- lauf bestrahlten Objekt ansteuerbar sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahler (22) auf einen Kernbereich der zuge- ordneten Lichtleitfaser (24) fokussiert sind, so dass die Einkoppeleffi- zienz jedes Laserstrahlers (22) in die Lichtleitfaser mehr als 70% sei- ner Ausgangsstrahlung beträgt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel von Lichtleitfasern (24) eine Länge im Be- reich von 0,1 m bis 100m, vorzugsweise im Bereich von 1 m bis 20m aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestrahlungskopf (20) mit optischen Elementen (48) zur Strahlungslenkung und/oder Strahlungsformung versehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahler (22) ggf. zusammen mit einer Ein- richtung zur Stromversorgung und/oder zur Kühlung und/oder zur Steuerung in einem gemeinsamen Gehäuse (46) oder Aggregat ange- ordnet sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugröße der einzelnen Laserstrahler (22) im Be- reich von 0,1 mm bis 10mm liegt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahler (22) auf einen abgegrenzten Objekt- bereich ausgerichtet sind, und dass der Objektbereich mit strahlungs- härtenden Materialien, insbesondere Sonderfarben zur Erzeugung von optischen Effekten beschichtet ist.
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