DE19817851C1 - Verfahren zum Ablenken eines Laserstrahls - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablenken eines Laserstrahls entlang einem Umfang einer Polarvektorfigur, insbesondere zum Trepanieren. Dabei wird der Laserstrahl einer fokussierenden Optik derartig zugeführt, daß er parallel zur optischen Achse auf ein Ablenksystem fällt, das ihn so ablenkt, daß er in einem Winkel zur optischen Achse und unter einer Drehbewegung um die optische Achse auf die fokussierende Optik und außerhalb des auf der optischen Achse liegenden Brennpunktes auf ein zu bearbeitendes Objekt trifft. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einer fokussierenden Optik (3) und einem vor dieser angeordneten Ablenksystem (4), das mindestens zwei Keilplatten (7, 8) aufweist, die entlang der optischen Achse (2) in einem Abstand zueinander und drehbar um die optische Achse (2) angeordnet sind. Auf diese Weise ist erreicht, daß mit einfachen Mitteln in kürzester Zeit sehr kleine runde Löcher mit hoher Formgenauigkeit geschnitten werden können (in Verbindung mit der Figur).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablenken eines Laserstrahls entlang einem Umfang einer Polarvektorfigur, wie z. B. einem Kreis oder einer Ellipse, wobei sich das Verfahren und die Vorrichtung insbesondere zum Trepanieren eignen.

Es ist bekannt, Laser nach dem Trepanierverfahren zum Schneiden bzw. Bearbeiten von Strukturen in bestimmten Gegenständen, wie z. B. dünnen Metallblättchen, zu verwenden. Mit Hilfe der dabei eingesetzten Laser-Schneidanlagen können kleine Strukturen in der Größenordnung von bis zu 50 µm geschnitten werden.

Es ist bekannt, den gesamten Laserkopf oder das zu bearbeitende Objekt zu bewegen bzw. Laserkopf und Objekt zueinander zu bewegen. Nachteilig beim Bewegen des Laserkopfes ist dessen relativ große Masse von etwa 30 bis 40 kg, die das Erreichen einer hohen Präzision bei der gewünschten Struktur aufwendig macht. Wenn das Objekt bewegt wird, erweist sich als Nachteil, daß die Auflösung des Meß- und Regelsystems abhängig von der Bearbeitungsfläche ausgelegt werden muß.

Ferner ist bekannt, zur Materialbearbeitung einen Galvo-Scankopf zu verwenden, der mit zwei Spiegeln den Laserstrahl ablenken und somit sehr schnelle beliebige Geometrien zeichnen kann. Nachteilig sind bei diesem System die hohen Kosten und die aufwendige Kopplung mit einer standardmäßigen Laser-Schneidanlage.

Aus der US 4 940 881 ist ein Ablationsverfahren bekannt, bei dem ein Laserstrahl mittels einer drehbaren Keilplatte abgelenkt und über eine Sammellinse schräg auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet wird, um in diesem Kreisstrukturen mit einem Wandungswinkel von beispielsweise 45° bis 50° herzustellen.

Ferner ist aus der WO 97/06 462 A1 bekannt, zwei hintereinander angeordnete, gemeinsam rotierende Keilplatten zur Ablenkung eines Laserstrahls zu verwenden. Die beiden Keilplatten sind so angeordnet, daß sie zwei stets parallel zueinander orientierte, das Licht brechende Flächen aufweisen. Auf diese Weise wird ein parallel zur optischen Achse auf das System treffender Strahl um eine Strecke, die kleiner als der Strahldurchmesser ist, zur optischen Achse versetzt. Durch Drehung der Keilplatten um die optische Achse kann so eine verbesserte Gleichförmigkeit der Laserstrahlintensität über die zu bearbeitende Fläche erreicht werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, mit dem Strukturen verschiedener Geometrien von deutlich weniger als 200 µm geschnitten bzw. bearbeitet werden können, wobei mit einfachen Mitteln eine Ablenkung des Laserstrahls während des Schneidvorgangs ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Laserstrahl wird einer fokussierenden Optik derartig zugeführt, daß der Strahl im wesentlichen parallel zur optischen Achse der fokussierenden Optik auf ein Ablenksystem fällt. Durch das Ablenksystem, das zwei in Strahlrichtung in einem Abstand zueinander angeordnete, um die optische Achse drehbare Keilplatten aufweist, wird der Strahl so abgelenkt, daß er in einem von Null verschiedenen Winkel zur optischen Achse und unter einer Drehbewegung um die optische Achse auf die fokussierende Optik trifft. Von der fokussierenden Optik gelangt der Laserstrahl auf ein zu bearbeitendes Objekt, und zwar außerhalb des auf der optischen Achse liegenden Brennpunktes der fokussierenden Optik. Dabei werden die beiden Keilplatten mit Winkelgeschwindigkeiten gedreht, die zunächst derartig unterschiedlich gehalten bzw. verändert werden, daß die Bewegungsbahn des Laserstrahls von einem Startpunkt, bei dem der Laserstrahl innerhalb der zu schneidenden Polarvektorfigur liegt, zum Umfang der Polarvektorfigur hin verläuft.

Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, daß der Brennpunkt einer Sammellinse auswandert, wenn das Strahlenbündel bzw. der Laserstrahl unter einem Winkel zur optischen Achse auf die Linse trifft. Das bedeutet, daß, wenn ein Ablenksystem vor einer Sammellinse in einen parallel zur optischen Achse einfallenden Laserstrahl gebracht und dieser durch das Ablenksystem um die optische Achse gedreht wird, der hinter der Sammellinse entstehende Brennpunkt des Strahlenbündels bzw. des Laserstrahls eine Kreisbahn beschreibt, sofern der Ablenkwinkel, also der Winkel zwischen Laserstrahl und optischer Achse, konstant gehalten ist.

Auf diese Weise ist erreicht, daß mit einfachen Mitteln in kürzester Zeit kleine runde Löcher mit hoher Formgenauigkeit geschnitten werden können.

Da das Ablenksystem eine geringe Masse und geringe Abmessungen aufweisen und somit leicht zu bewegen sein kann, ist es möglich, sehr kleine Strukturen mit einem hohen Durchsatz zu schneiden bzw. zu bearbeiten. Dabei kann die Auflösung des Meß- und Regelsystems unabhängig von der zu bearbeitenden Fläche ausgelegt werden. Indem das Ablenksystem zur Ablenkung des Laserstrahls symmetrisch um die optische Achse gedreht wird, ist erreicht, daß entstehende parasitäre Schwingungen minimal sind.

Der Laserstrahl, der parallel zur optischen Achse auf die erste Keilplatte trifft, wird von dieser aufgrund des Brechungsindexes um einen festen Winkel abgelenkt. Indem der Laserstrahl anschließend auf die zweite Keilplatte trifft, wird er wiederum abgelenkt. Der Gesamtablenkwinkel, der das Ausmaß der Verschiebung des Brennpunktes hinter der fokussierenden Optik bestimmt, hängt von der relativen Winkelstellung der beiden Keilplatten zueinander ab.

Wenn die beiden Keilplatten, die vorzugsweise kreisförmig sind, einen festen Drehwinkel zueinander einnehmen, ist der resultierende Gesamtablenkwinkel des Laserstrahls konstant. In diesem Fall wird durch eine Drehung der beiden Keilplatten um die optische Achse eine kreisförmige Bewegungsbahn auf einem zu bearbeitenden Objekt, dessen Oberfläche in der Brennebene der fokussierenden Optik liegt, erzeugt. Erfindungsgemäß können die beiden Keilplatten mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten gedreht werden, um durch eine auf diese Weise erhaltene Veränderung des relativen Drehwinkels der Keilplatten zueinander den Gesamtablenkwinkel des Laserstrahls verändern zu können.

Es ist vorgesehen, daß die beiden Keilplatten mit Winkelgeschwindigkeiten gedreht werden, die zunächst derartig unterschiedlich gehalten bzw. verändert werden, daß die Bewegungsbahn des Laserstrahls von einem Startpunkt, bei dem der Laserstrahl innerhalb der zu schneidenden Polarvektorfigur liegt, zum Umfang der Polarvektorfigur hin verläuft.

Dadurch ist erreicht, daß erst nach dem "Einstechen" des Laserstrahls an den Umfang der gewünschten Struktur herangefahren wird. Auf diese Weise kann eine Kraterbildung, die beim "Einstechen" des Laserstrahls entsteht, in einen Bereich des zu bearbeitenden Objektes verlagert werden, der nach Beendigung des Schneidens herausgeschnitten sein wird. Auch beim Beenden der gewünschten Schneidbahn bzw. beim "Herausnehmen" des Laserstrahls kann entsprechend verfahren werden, um zu erreichen, daß das System sich wieder in seiner Grundstellung befindet.

Die beiden Winkelgeschwindigkeiten können ab dem Zeitpunkt, in dem sich der Brennpunkt auf dem Umfang der zu schneidenden Polarvektorfigur befindet, gleich gehalten werden, und zwar so lange, bis der gesamte Umfang der Polarvektorfigur überstrichen ist. Auf diese Weise wird eine kreisförmige Kreisbahn erhalten.

Um andere Polarvektorfiguren, als einen Kreis zu erhalten, wird die Differenz der beiden Drehwinkel auch variiert - d. h. die Winkelgeschwindigkeiten werden verschieden eingestellt -, während sich der Brennpunkt auf dem Umfang der zu schneidenden Polarvektorfigur befindet. Wie der zeitliche Verlauf der Differenz der Drehwinkel bzw. der Winkelgeschwindigkeiten auszusehen hat, hängt natürlich von der Form der Polarvektorfigur ab, zum anderen aber auch von den Keilwinkeln der beiden Keilplatten.

Beispielsweise können mit Hilfe dieses Verfahrens auf einfache Weise eine Ellipse, eine abgerundete Rechteckfigur und eine Fingerblendenfigur geschnitten werden. Auch das Schneiden eines Rechtecks ist möglich.

Nach Überstreichen des gesamten Umfangs der Polarvektorfigur können die Winkelge­ schwindigkeiten erneut bzw. weiterhin unterschiedlich gehalten bzw. verändert werden, und zwar so, daß die Bewegungsbahn des Laserstrahls wieder den Startpunkt erreicht. Damit befindet sich der Laserstrahl wieder in seiner definierten Ausgangsstellung, die vorzugsweise der auf der optischen Achse liegende Brennpunkt der fokussierenden Optik ist, und es kann ein neuer Schneidvorgang gestartet werden.

Es ist zweckmäßig, wenn der Laserstrahl durch einen Shutter so lange unterbrochen wird, bis eine Einstellung der Keilplatten erreicht ist, bei der der Laserstrahl bei Öffnung des Shutters auf dem Umfang der zu schneidenden Polarvektorfigur liegt. Entsprechend kann vorgesehen sein, daß der Shutter geschlossen wird, wenn der gesamte Umfang der Polarvektorfigur überstrichen ist. Bei Verwendung eines Shutters lassen sich die Polarvektorfiguren auch aus dessen Bewegung heraus erzeugen.

Vorzugsweise ist das Ablenksystem so ausgebildet, daß der Gesamtablenkwinkel null Grad betragen kann. In diesem Fall kann der Startpunkt des Laserstrahls der auf der optischen Achse liegende Brennpunkt der fokussierenden Optik sein.

Es kann auch vorgesehen sein, daß zusätzlich das zu bearbeitende Objekt verfahren wird. Dies ist dann von Vorteil, wenn z. B. Figuren geschnitten werden sollen, die relativ groß sind und - wie z. B. Rechteckfiguren - mit Hilfe einer Bewegung des Objektes entlang zwei rechtwinkeliger Achsen einfach zu schneiden sind. Es ist vorteilhaft, wenn dazu das System vorher, wie oben beschrieben, in seine Grundeinstellung gebracht worden ist, um eine möglichst hohe Positioniergenauigkeit beim Verfahren des Objektes zu erzielen.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Vorrichtung weist eine fokussierende Optik und ein im Strahlengang vor dieser Optik angeordnetes optisches Ablenksystem auf. Dabei enthält das Ablenksystem mindestens zwei Keilplatten, die entlang der optischen Achse der fokussierenden Optik in einem Abstand zueinander und drehbar um die optische Achse angeordnet sind.

Die Keilplatten sind mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten drehbar. Auf diese Weise können, wie oben erläutert, Polarvektorfiguren geschnitten werden, die sich von einem Kreis unterscheiden.

Die Keilplatten können so ausgebildet und angeordnet sein, daß bei einer bestimmten Winkelstellung zueinander der Gesamtablenkwinkel gleich Null sein kann. Dies ist dann der Fall, wenn die Ablenkwinkel, die durch die Keilplatten hervorgerufen werden, sich insgesamt aufheben. Dies ist z. B. dann möglich, wenn genau zwei Keilplatten vorgesehen sind, die denselben Keilwinkel aufweisen und die Keile um 180° zueinander verdreht sind.

Vorzugsweise sind die Keilplatten so angeordnet, daß die nicht-schrägen Flächen der Keilplatten einander gegenüberliegen. Es sind aber auch andere Anordnungen der beiden Keilplatten möglich, nämlich eine Anordnung, bei der die beiden schrägen Flächen einander gegenüberliegen und auch eine Anordnung, bei der die schräge Fläche der einen Keilplatte der nicht-schrägen Fläche der anderen Keilplatte gegenüberliegt.

Die beiden Keilplatten werden vorzugsweise durch jeweils einen eigenen Antrieb in Rotation versetzt. Eine Drehbewegung der beiden Keilplatten relativ zueinander wird dann durch unterschiedliche Drehzahlen der Motoren der Antriebe erreicht. Alternativ ist es auch möglich, daß beide Keilplatten mit gleicher Winkelgeschwindigkeit durch denselben Antrieb gedreht werden. In diesem Fall kann ein weiterer, auf einem rotierenden Element befestigter Antrieb für die relative Winkelstellung vorgesehen sein. In beiden Fällen können die beiden Antriebe z. B. Zahnriemenantriebe sein.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen verfahrbaren, das zu bearbeitende Objekt aufnehmenden Positioniertisch auf, um auch das zu bearbeitende Objekt relativ zu dem Laserstrahl verfahren zu können.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei wird auf die einzige Figur Bezug genommen, die schematisch eine zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Vorrichtung zeigt.

Wie in der Figur gezeigt ist, verläuft ein zur Bearbeitung eines nicht gezeigten Objektes vorgesehener Laserstrahl 1 zunächst parallel zu der optischen Achse 2 einer Sammellinse 3. Der Laserstrahl 1 trifft auf ein zwei Keilplatten 7 und 8 aufweisendes Ablenksystem 4, das den Laserstrahl 1 derartig ablenkt, daß er unter einem von 90° verschiedenen Winkel auf die Sammellinse 3 trifft. Durch die Sammellinse 3 wird der Laserstrahl 2 fokussiert, wobei jedoch der Brennpunkt zwar in der Brennebene 5 der Sammellinse, jedoch nicht auf der optischen Achse 2 liegt. Wenn der Laserstrahl 1 durch das Ablenksystem um die optische Achse 2 gedreht wird, wird, wie in der Figur dargestellt, eine kreisförmige Bewegungsbahn des Brennpunktes erzeugt, sofern der Ablenkwinkel konstant gehalten wird. Das zu bearbeitende Objekt wird so angeordnet, daß seine entsprechende Oberfläche in der Brennebene 5 liegt.

Das Ablenksystem 4 besteht aus zwei Keilplatten 7, 8, die in einem Abstand zueinander im Strahlengang angeordnet sind. Die Keilwinkel der beiden Keilplatten 7, 8 sind gleich groß. Die Keilplatten 7, 8 sind um die optische Achse 2 der Sammellinse 3 gemeinsam bzw. relativ zueinander drehbar. Je nach dem relativen Drehwinkel der beiden Keilplatten 7, 8 zueinander ändert sich der Ablenkwinkel des Laserstrahls 1 relativ zu der optischen Achse 2. Da die Keilwinkel gleich groß sind, kann der Laserstrahl 1 bei einem entsprechenden relativen Drehwinkel auch parallel zur optischen Achse 2 verlaufen, was zur Folge hat, daß der Laserstrahl 1 durch die Sammellinse 3 in den auf der optischen Achse 2 liegenden Brennpunkt der Sammellinse 3 fokussiert wird. In der Figur ist eine relative Winkelstellung der beiden Keilplatten 7, 8 so dargestellt, daß der Laserstrahl 1 durch die Keilplatte 8 um denselben Winkel wie durch die Keilplatte 7 abgelenkt wird. Auf diese Weise wird der maximale Gesamtablenkwinkel erhalten.

Durch Veränderung des relativen Drehwinkels der beiden Keilplatten 7, 8 zueinander kann der Ablenkwinkel von null Grad bis zu dem maximalen Gesamtablenkwinkel variiert werden. Dadurch kann entsprechend der Laserstrahl 1 von dem Brennpunkt auf der optischen Achse 2 bis zu einer maximalen Auslenkposition geführt werden. Durch eine gleichzeitige, entsprechend gesteuerte Drehung der beiden Keilplatten 7, 8 um die optische Achse 2 können somit verschiedene Polarvektorfiguren erzeugt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Ablenken eines Laserstrahls (1) entlang einem Umfang einer Polarvektorfigur (6), wie z. B. einem Kreis oder einer Ellipse, insbesondere zum Trepanieren, wobei der Laserstrahl (1) einer fokussierenden Optik (3) derartig zugeführt wird, daß der Strahl (1) im wesentlichen parallel zur optischen Achse (2) auf ein Ablenksystem (4) fällt, das zwei in Strahlrichtung in einem Abstand zueinander angeordnete, um die optische Achse drehbare Keilplatten (7, 8) aufweist und den Strahl (1) so ablenkt, daß er in einem von Null verschiedenen Winkel zur optischen Achse (2) und unter einer Drehbewegung um die optische Achse (2) auf die fokussierende Optik (3) und außerhalb des auf der optischen Achse (2) liegenden Brennpunktes auf ein zu bearbeitendes Objekt trifft, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Keilplatten (7, 8) mit Winkelgeschwindigkeiten gedreht werden, die zunächst derartig unterschiedlich gehalten bzw. verändert werden, daß die Bewegungsbahn des Laserstrahls (1) von einem Startpunkt, bei dem der Laserstrahl (1) innerhalb der zu schneidenden Polarvektorfigur (6) liegt, zum Umfang der Polarvektorfigur hin verläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ab dem Zeitpunkt, in dem der Laserstrahl (1) sich auf dem Umfang der Polarvektorfigur (6) befindet, die beiden Winkelgeschwindigkeiten gleich gehalten werden, bis der gesamte Umfang der Polarvektorfigur (6) überstrichen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ab dem Zeitpunkt, in dem der Laserstrahl (1) sich auf dem Umfang der zu schneidenden Polarvektorfigur (6) befindet, die beiden Winkelgeschwindigkeiten derartig unterschiedlich gehalten bzw. verändert werden, daß die zu schneidende Polarvektorfigur (6) erhalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Überstreichen des Umfangs der Polarvektorfigur (6) die beiden Winkelgeschwindigkeiten derartig unterschiedlich gehalten bzw. verändert werden, daß die Bewegungsbahn des Laserstrahls (6) wieder den Startpunkt erreicht.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtablenkwinkel null Grad betragen kann.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich das zu bearbeitende Objekt verfahren wird.