DE10134429A1 - Laser light beam deflection device has deflection elements rotating in plane perpendicular to optical axis between 2 focusing lenses for respective spatial directions - Google Patents
Laser light beam deflection device has deflection elements rotating in plane perpendicular to optical axis between 2 focusing lenses for respective spatial directionsInfo
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Abstract
Description
Laser werden in immer größerem Umfang in der Materialbearbeitung eingesetzt. Eine Anwendungsmöglichkeit ist z. B. das Laserhärten von Werkstücken, z. B. Spritzgussformen. Beim Laserhärten wird ein Laserstrahl regelmäßig linienweise über die betreffende Werkstückoberfläche bewegt. Hierzu werden Laser-Scanner eingesetzt, durch welche ein von einer Laservorrichtung kommender Laserstrahl in einer Ebene z. B. durch Bewegung eines Spiegels abgelenkt wird, um auf dem Werkstück eine Bewegung entlang einer Linie zu erhalten. Dabei bewegt sich jedoch der Brennpunkt des Laserstrahls auf einem Kreisbogen der in der Ebene liegt, in welcher der Laserstrahl die Scannbewegung ausführt. Sofern die zu bearbeitende Werkstückoberfläche eben ist, hätte dies einen nur in einem Punkt fokussierten Laserstrahl zur Folge, wogegen im Endbereich der Linie eine starke Aufweitung des Laserstrahls auftritt. Durch eine Aufweitung des Laserstrahls ändert sich jedoch die Energiedichte, was eine Veränderung in der Materialbearbeitung mit sich bringt. Dies ist unerwünscht. Daher werden zur Nachführung des Brennpunktes auf einem Werkstück sogenannte "F-Theta-Linsen" eingesetzt. Lasers are becoming increasingly popular in the Material processing used. An application is z. B. the laser hardening of workpieces, for. B. Injection molds. Laser hardening uses a laser beam regularly line by line over the concerned Workpiece surface moves. For this purpose, laser scanners used by which one of a laser device coming laser beam in one plane z. B. by movement of a mirror is deflected to one on the workpiece Get movement along a line. It moves however, the focus of the laser beam on an arc which lies in the plane in which the laser beam Executes scanning movement. If the one to be processed Workpiece surface is flat, this would only have one in one Point focused laser beam, whereas in the End of the line a strong expansion of the laser beam occurs. An expansion of the laser beam changes however the energy density what a change in the Material processing. This is undesirable. Therefore, to focus on a Workpiece so-called "F-theta lenses" used.
Derartige Linsen arbeiten für Einzelstrahlen ausreichend genau. Bei parallelen Bündeln von Laserstrahlen treten jedoch Korrekturfehler auf. Such lenses work sufficiently for single beams I agree. However, with parallel bundles of laser beams Correction error.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Ablenkung von Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen bereitzustellen. The invention is based on the object of an improved Device for deflecting light rays, in particular To provide laser beams.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. This object is solved by the features of claim 1.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben. In the subclaims are advantageous and expedient Developments of the invention specified.
Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls, insbesondere Laserstrahls aus, die Fokussiermittel zur Fokussierung des Lichtstrahls in wenigstens zwei Raumrichtungen sowie eine Strahlablenkeinheit in der optischen Achse der Fokussiermittel zur Bewegung des Lichtstrahls auf einer Oberfläche, z. B. Werkstückoberfläche besitzt, die quer zur optischen Achse der Fokussiermittel angeordnet ist. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass die Fokussiermittel in Richtung optischer Achse vor und nach der Strahlablenkeinheit jeweils ein Fokussierelement umfassen, das Licht im Wesentlichen in nur einer Raumrichtung bündelt, wobei die Fokussierelemente derart angeordnet sind, dass die Raumrichtungen, in welchen eine Bündelung des Lichts erfolgt, gekreuzt zueinander verlaufen, und dass die Strahlablenkeinheit eine rotierende Strahlversatzeinheit aufweist. Die Strahlversatzeinheit rotiert vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse. Durch diese Vorgehensweise wird ein Lichtstrahl zunächst in einer Raumrichtung fokussiert. Die rotierende Strahlversatzeinheit bewirkt einen Parallelversatz eines parallel zur optischen Achse einfallenden Lichtstrahls, der durch eine Drehbewegung der Strahlversatzeinheit vorzugsweise eine Kreisbahn beschreibt. Das nachfolgende Fokussierelement bündelt diese "Lichtfigur" in eine zur ersten Raumrichtung gekreuzt stehenden Raumrichtung. Im Fall einer 90 Grad Anordnung von Fokussierlinien der Fokussierelemente zueinander kann ein auf einer Kreisbahn geführter Lichtstrahl in eine Linie zurückgefaltet werden, deren Länge durch den Parallelversatz der Strahlversatzeinheit bestimmt ist. Dabei ist im Gegensatz zu einer Verwendung z. B. einer Kollimatorlinse mit nachgeordnetem Scanner die fokussierte Linie, sofern sie auf eine Ebene abgebildet wird, die senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung steht immer im Fokus. Bei einer Kollimatorlinse mit Scanner bewegt sich der Fokus, wie bereits oben erläutert, auf einer Kreisbahn. Das heißt bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Energiedichte des fokussierten Lichtstrahls insbesondere eines Laserstrahls entlang der abgebildeten Linie immer die Gleiche. Dies kann bei einer "Scannerlösung" nur mittels einer Korrekturoptik, z. B. mit einer F-Theta-Linse, erreicht werden. Darüber hinaus hat die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, dass zur optischen Achse parallel eingekoppelte Lichtstrahlen in gleicher Weise abgebildet werden, das heißt, bei einer Abbildung auf eine senkrecht zur optischen Achse liegenden Oberfläche ändert sich der Fokus für parallel eingekoppelte Lichtstrahlen nicht. Bei einer herkömmlichen "Scannerlösung" mit Korrekturoptik kann normalerweise nur ein exakt in der optischen Achse vorlaufender Lichtstrahl als Linie "scharf" auf eine Ebene abgebildet werden. Für parallel dazu verlaufende Lichtstrahlen trifft dies schon nicht mehr zu. The invention relates to a device for deflecting a Light beam, in particular laser beam from the Focusing means for focusing the light beam in at least two spatial directions and a beam deflection unit in the optical axis of the focusing means for moving the Beam of light on a surface, e.g. B. workpiece surface possesses that transverse to the optical axis of the focusing means is arranged. The essence of the invention is now that the focusing means in the direction of the optical axis before and after the beam deflection unit has a focusing element comprise, the light essentially in only one spatial direction bundles, the focusing elements being arranged such that the spatial directions in which a bundling of light is done, crossed to each other, and that the Beam deflection unit is a rotating beam offset unit having. The jet offset unit preferably rotates in a plane perpendicular to the optical axis. Through this A light beam is first used in a procedure Focused spatial direction. The rotating beam offset unit causes a parallel offset of one parallel to the optical Axis of incident light beam caused by a rotary motion the beam offset unit preferably a circular path describes. The following focusing element bundles them "Light figure" crossed in the first spatial direction standing spatial direction. In the case of a 90 degree arrangement of Focussing lines of the focusing elements to each other can be opened a light beam guided in a circular path in a line be folded back, their length by the parallel offset the beam offset unit is determined. This is in contrast for use e.g. B. with a collimator lens downstream scanner the focused line, provided it is on a plane is mapped that is perpendicular to the optical axis the device is always in focus. At a Collimator lens with scanner moves the focus like already explained above, on a circular path. That means at the solution according to the invention is the energy density of focused light beam, in particular a laser beam always the same along the line shown. This can in the case of a "scanner solution" only by means of correction optics, z. B. with an F-theta lens. About that In addition, the solution according to the invention has the advantage that optical axis coupled in parallel in are mapped in the same way, that is, at one Image on a perpendicular to the optical axis The surface changes the focus for parallel coupled Rays of light not. With a conventional "scanner solution" With correction optics, usually only one can be exactly in the optical axis leading light beam as a line "sharp" be mapped onto one level. For in parallel running light rays no longer apply.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfassen die Fokussierelemente Zylinderlinsen. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich die Fokussierung einer Kollimatorlinse im Wesentlichen durch den Einsatz zweier gekreuzter Zylinderlinsen ersetzen lässt. Vorzugsweise stehen die Fokuslinien bzw. Brennlinien der Zylinderlinsen senkrecht zueinander. In a particularly advantageous embodiment of the Invention include the focusing elements cylindrical lenses. This approach is based on the knowledge that the focus of a collimator lens essentially by using two crossed cylindrical lenses leaves. The focus lines or focal lines are preferably in place of the cylindrical lenses perpendicular to each other.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die rotierende Strahlversatzeinheit wenigstens zwei Ablenkelemente auf. Als Strahlversatzeinheiten können schräg gestellte Prismen, Glasscheiben, optische Gitter oder dergleichen eingesetzt werden, das heißt Elemente, die Licht aufgrund von Brechung, Reflexion oder Beugung ablenken können. Diese Elemente sollten jedoch der Gestalt sein, dass wenigstens zwei in Bezug zueinander angeordnete z. B. hintereinandergeschaltete Elemente einen parallelen Strahlversatz bewirken. In a further preferred embodiment of the invention the rotating beam offset unit has at least two Deflection elements. As jet offset units can be oblique provided prisms, glass panes, optical grids or the like are used, that is, elements that light distract due to refraction, reflection, or diffraction can. However, these elements should be of the shape that at least two z. B. elements connected in series a parallel Cause beam offset.
Vorzugsweise kommt als Strahlversatzeinheit ein Lamellenspiegel zum Einsatz, der parallel zueinander angeordnete Spiegelflächen aufweist, die um 45 Grad zur optischen Achse der Anordnung geneigt sind. Mit einem derartigen Lamellenspiegel können in einfacher Weise parallel zur optischen Achse eingekoppelte Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, in gleicher Weise behandelt werden. Preferably comes as a beam offset unit Louvre mirror for use that is parallel to each other arranged mirror surfaces, which by 45 degrees to optical axis of the arrangement are inclined. With a Such louvre mirrors can easily be parallel light rays coupled to the optical axis, in particular Laser beams are treated in the same way.
Vollführen die Strahlversatzeinheiten keine kontinuierliche Drehung, sondern werden diskrete Positionen angefahren, werden entlang einer Linie nur einzelne Punkte bestrahlt. Do the jet offset units not perform continuously Rotation, but discrete positions are approached, only individual points are irradiated along a line.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn wenigstens zwei rotierende, vorzugsweise gemeinsam rotierende Strahlversatzeinheiten vorgesehen sind, wobei die Versatzrichtungen der Strahlversatzeinheiten in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse betrachtet, zueinander verstellbar sind. Die Strahlversatzeinheiten sind in der optischen Achse der Vorrichtung hintereinander angeordnet. Je nach Phasenwinkel der Strahlversatzeinheiten zueinander kann die Wirkungsweise der ersten Strahlversatzeinheit durch die zweite Strahlversatzeinheit verstärkt bzw. geschwächt. Ist der Phasenwinkel genau 180 Grad, so tritt überhaupt kein Strahlversatz auf. Das Ergebnis ist dann ein fokussierter Punkt. Durch die Winkellage der Strahlversatzeinheiten zueinander kann somit die Linienlänge einer auf einem Werkstück abgebildeten Linie eingestellt werden, wobei sich vorzugsweise der Fokus des Lichtstrahls mit einer Frequenz, die der Drehzahl der Strahlversatzeinheiten entspricht, auf einer Linie mit eingestellter Länge bewegt. It is also advantageous if at least two rotating, preferably jointly rotating jet offset units are provided, the directions of offset of the Beam offset units in a plane perpendicular to the optical Considered axis, are mutually adjustable. The Beam offset units are in the optical axis of the Device arranged one behind the other. Depending on the phase angle the jet offset units to each other can affect the mode of operation the first beam offset unit by the second Beam offset unit reinforced or weakened. Is the Phase angle exactly 180 degrees, so none occurs at all Beam offset on. The result is then a more focused one Point. Due to the angular position of the jet offset units to each other, the line length can be one on one Workpiece shown line can be set, whereby preferably the focus of the light beam with a Frequency, which is the speed of the jet offset units corresponds, moved on a line with the set length.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 auch dadurch gelöst, dass nach den Fokussiermitteln, vorzugsweise einer Kollimatorlinse, wenigstens zwei sich insbesondere in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse drehende, in Richtung optischer Achse hintereinander angeordnete Strahlversatzeinheiten vorgesehen sind, wobei die Versatzrichtungen der Strahlversatzeinheiten in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse betrachtet wiederum verstellbar zueinander sind. Damit lassen sich je nach Winkellage der Strahlversatzeinheiten auf einem Werkstück, das eine Oberfläche besitzt, die senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung verläuft, Kreise mit einem Durchmesser von null bis zu einem maximalen Durchmesser erzeugen. The object on which the invention is based is based on also solved by the preamble of claim 1 in that according to the focusing means, preferably one Collimator lens, at least two in particular in one Plane rotating perpendicular to the optical axis in the direction optical axis arranged one behind the other Beam offset units are provided, the Offset directions of the beam offset units in one plane When viewed perpendicular to the optical axis, again adjustable to each other. Depending on the angular position of the Blasting offset units on a workpiece, the one Has surface that is perpendicular to the optical axis of the Device runs, circles with a diameter of zero produce up to a maximum diameter.
Werden die Strahlversatzeinheiten nicht gemeinsam gedreht, sondern mit unterschiedlicher Drehrichtung, lassen sich Linien einer vorgegebener Länge oder Punkte erzeugen, die innerhalb eines Kreises mit einem maximalen Durchmesser liegen, der bei einer entsprechenden Winkellage der Strahlversatzeinheiten maximal abbildbar ist, wenn die Strahlversatzeinheiten gemeinsam, sozusagen als Einheit gedreht werden. If the jet offset units are not rotated together, but with different directions of rotation Generate lines of a given length or points that within a circle with a maximum diameter lie at a corresponding angular position of the Beam offset units can be mapped to a maximum if the Beam offset units together, so to speak as a unit be rotated.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert. Two embodiments of the invention are in the Drawings shown and with further advantages and details explained.
Es zeigen Show it
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls mit Strahlversatzeinheit, die zwischen den Fokussiermitteln liegt, in einer schematischen 3-D-Darstellung, Fig. 1 shows a device for deflecting a light beam with beam displacement unit, which is located between the focussing means, in a schematic 3-D representation,
Fig. 2 eine Strahlversatzeinheit, die den Fokussiermitteln nachgeordnet ist, in einer ebenfalls dreidimensionalen schematischen Darstellung. Fig. 2 is a beam displacement unit is arranged downstream of the focusing means, in a likewise schematic three-dimensional representation.
Fig. 1 zeigt eine Ablenkvorrichtung mit zwei parallel zueinander angeordneten Zylinderlinsen 2, 3 deren Fokuslinien 90 Grad zueinander verlaufen. Zwischen den Zylinderlinsen sind hintereinander in Bezug auf eine optische Achse 8 zwei Lamellenspiegel 4, 5 positioniert, die aus jeweils parallel zueinander verlaufenden Einzelspiegeln 6, 6a, 6b, 7, 7a, 7b bestehen, die 45 Grad in Bezug auf die optische Achse 8 bzw. in Bezug auf die Fokuslinien (nicht dargestellt) der Zylinderlinsen gekippt sind. Ein parallel zur optischen Achse 8 einfallender Lichtstrahl wird durch die erste Zylinderlinse 2 in der Raumrichtung x gebündelt, trifft dann z. B. auf den Einzelspiegel 6a, wird von dort auf den Einzelspiegel 6b unter einem Winkel von 45 Grad reflektiert, der den Lichtstrahl um 45 Grad ablenkt und parallel versetzt zum darunter liegenden Einzelspiegel 7a weiterreflektiert. Fig. 1 shows a deflecting device with two mutually parallel cylindrical lenses 2, 3 whose focal lines extend 90 degrees to each other. Between the cylindrical lenses are positioned one behind the other with respect to an optical axis 8, two lamella mirrors 4 , 5 , which each consist of mutually parallel individual mirrors 6 , 6 a, 6 b, 7 , 7 a, 7 b, which are 45 degrees in relation to the optical axis 8 or with respect to the focus lines (not shown) of the cylindrical lenses are tilted. An incident parallel to the optical axis 8 light beam is focused by the first cylindrical lens 2 in the spatial direction x, then hits z. B. on the individual mirror 6 a, is reflected from there on the individual mirror 6 b at an angle of 45 degrees, which deflects the light beam by 45 degrees and continues to reflect parallel offset to the underlying individual mirror 7 a.
Nach einer erneuten Ablenkung und Reflexion zum Einzelspiegel 7b verlässt der Lichtstrahl zweimal parallel versetzt die Lamellenspiegel 4, 5. Sind die Einzelspiegel der hier gleichen Lamellenspiegel 4, 5 identisch ausgerichtet, d. h. laufen die Einzelspiegel 6, 6a, 6b parallel zu den Einzelspiegel, 7, 7a, 7b, ohne Winkelversatz in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse betrachtet, wird der einfallende Lichtstrahl um zweimal den Abstand a der Einzelspiegel versetzt. Die Lamellenspiegel 4, 5 drehen sich gemeinsam in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse, so dass der einfallende Lichtstrahl, vorzugsweise Laserstrahl vor der Zylinderlinse 3 auf einer Kreisbahn geführt wird, wobei der Laserstrahl in der Raumrichtung x bereits gebündelt ist. Nach der Zylinderlinse 3 wird die Kreisbahn in eine Linie gefaltet, da die Zylinderlinse 3 eine Bündelung des Lichts in Raumrichtung y bewirkt. After another deflection and reflection to the individual mirror 7 b, the light beam leaves the lamella mirrors 4 , 5 offset in parallel twice. If the individual mirrors of the same lamella mirrors 4 , 5 are aligned identically, ie the individual mirrors 6 , 6 a, 6 b run parallel to the individual mirrors 7, 7a, 7b, without an angular offset in a plane perpendicular to the optical axis, the incident light beam is viewed offset twice the distance a of the individual mirrors. The lamella mirrors 4 , 5 rotate together in a plane perpendicular to the optical axis, so that the incident light beam, preferably a laser beam, is guided in a circular path in front of the cylindrical lens 3 , the laser beam already being focused in the spatial direction x. After the cylindrical lens 3 , the circular path is folded into a line, since the cylindrical lens 3 causes the light to be focused in the spatial direction y.
Abhängig von der Ausrichtung der Einzelspiegel 6, 6a, 6b des Lamellenspiegels 4 zu den Einzelspiegeln 7, 7a, 7b des Lamellenspiegels 5 die Länge einer Linie, auf welcher sich im Idealfall der fokussierte Laserstrahl bewegt wird, kontinuierlich von einer Linienlänge 0 bis 2a eingestellt werden. Depending on the alignment of the individual mirrors 6 , 6 a, 6 b of the lamella mirror 4 to the individual mirrors 7 , 7 a, 7 b of the lamella mirror 5, the length of a line on which the focused laser beam is ideally moved continuously from a line length 0 can be set to 2a.
In Fig. 2 werden die gleichen Lamellenspiegel 4, 5 wie in Fig. 1 für eine weitere Ausführungsform einer Ablenkvorrichtung 10 verwendet. Im Unterschied zu Fig. 1 wird der Ablenkvorrichtung 10 jedoch lediglich eine sphärische Linse 11 vorgeschaltet. Hierdurch lassen sich wiederum aus parallel zur optischen Achse 12 einfallenden Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen auf einer Werkstückoberfläche gleichbleibend fokussierte Figuren erzeugen, sofern die Werkstückoberfläche senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung 10 und in der Fokusebene der Linse 11 angeordnet ist. In FIG. 2, the same fins mirror 4, 5 as used in Fig. 1 for another embodiment of a deflection 10th In contrast to FIG. 1, the deflection device 10 is only preceded by a spherical lens 11 . In this way, it is in turn possible to generate consistently focused figures from light rays incident parallel to the optical axis 12 , in particular laser beams, on a workpiece surface, provided the workpiece surface is arranged perpendicular to the optical axis of the device 10 and in the focal plane of the lens 11 .
Für den Fall, dass sich beide Lamellenspiegel 4, 5 gleichbleibend drehen, wird der Lichtstrahl in der Fokusebene auf einem Kreis geführt. Der Durchmesser des Kreises lässt sich durch die Winkellage der Lamellenlage 4, 5 zueinander in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 12 betrachtet, einstellen. Rotieren die Lamellenspiegel 4, 5 mit gleicher Drehzahl entgegengesetzt, bewegt sich ein Laserlichtpunkt auf einer Linie konstanter Länge, hier beispielhaft mit der Länge 2a. In the event that both lamella mirrors 4 , 5 rotate constantly, the light beam is guided in a circle in the focal plane. The diameter of the circle can be adjusted by looking at the angular position of the lamella layers 4 , 5 relative to one another in a plane perpendicular to the optical axis 12 . Rotate the slats mirror 4, 5 opposite to the same speed, a laser light spot moves on a line of constant length, by way of example here, with the length 2 a.
Beide Ausführungsbeispiele haben den Vorteil, dass ein
Lichtstrahl in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse
immer im Fokus bleibt, unabhängig von der Position auf dieser
Ebene, z. B. Werkstückebene. Dies kann bei herkömmlichen
Scannern nur mittels einer aufwendigen Korrekturoptik
erreicht werden und dort nur für Lichtstrahlen, die in der
optischen Achse der Anordnung laufen.
Bezugszeichenliste
1 Ablenkvorrichtung
2 Zylinderlinse
3 Zylinderlinse
4 Lamellenspiegel
5 Lammellenspiegel
6, 6a, 6b Einzelspiegel
7, 7a, 7b Einzelspiegel
8 Optische
10 Ablenkvorrichtung
11 Sphärische Linie
12 Optische Achse
Both exemplary embodiments have the advantage that a light beam in a plane perpendicular to the optical axis always remains in focus, regardless of the position on this plane, e.g. B. workpiece level. In conventional scanners, this can only be achieved by means of complex correction optics and only for light beams that run in the optical axis of the arrangement. LIST OF REFERENCES 1 deflector
2 cylindrical lens
3 cylindrical lens
4 slat mirrors
5 slat mirrors
6 , 6 a, 6 b single mirror
7 , 7 a, 7 b single mirror
8 optical
10 deflection device
11 spherical line
12 Optical axis
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
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