DE4024299A1

DE4024299A1 - Vorrichtung zum fokussieren eines lichtstrahles in wenigstens zwei fokuspunkten

Info

Publication number: DE4024299A1
Application number: DE19904024299
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Behler; Eckhard Dr Ing Beyer; Harald Krupp
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1992-02-06
Also published as: DE4202606A1; DE4202606C2; DE4024299C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fokus sieren eines Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunkten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer Reihe von Anwendungen ist es erforderlich, einen Lichtstrahl in mehr als einem Fokuspunkt bzw. -fleck zu fokussieren; dabei müssen in der Regel die einzelnen Fo kuspunkte in einer vorgebbaren Positionsbeziehung zueinan der stehen; ferner ist es häufig erforderlich, die Inten sität des Lichtstrahles in bestimmter Weise auf die ein zelnen Fokuspunkte aufzuteilen: Beispielsweise können die beim Laserstrahl-Schweißen bei hohen Prozeßgeschwindigkeiten auftretenden Nahtfehler, wie Nahtaufwürfe, Löcher etc. durch Strahlteilung bzw. Verwen dung mehrerer diskreter Fokuspunkte eliminiert werden; (hierbei wird - wie auch in der folgenden Beschreibung - unter einem Fokuspunkt bzw. Fokusfleck kein Punkt im ma thematischen Sinne, sondern der Bereich "der kleinsten Einschnürung" des Licht- bzw. Laserstrahles verstanden).

Bei den bekannten Vorrichtungen zum Fokussieren eines Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunkten werden ent weder getrennte Licht- bzw. Laserstrahlen jeweils einzeln fokussiert oder ein Laserstrahl wird mittels teildurchläs siger Optiken vor oder in der Fokussierung geteilt.

Nachteilig bei diesen bekannten Vorrichtungen ist, daß trotz vergleichsweise großem Aufwand für die Strahlformung weder die Anordnung der einzelnen Fokuspunkte noch die Intensitätsverteilung variiert und damit exakt nur auf eine ganz bestimmte Parameterkombination von Prozeßge schwindigkeit, Werkstückdicke, Werkstoff etc. abgestimmt werden können.

Deshalb ist in der US-PS 46 91 093, von der bei der Formu lierung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ausgegangen wird, vorgeschlagen worden, zur Variation der Anordnung der Fokuspunkte und der Intensitätsverteilung einen Fokussier- Spiegel mechanisch zu deformieren. Die Deformation eines Fokussier-Spiegels führt in der Praxis jedoch zu einer Verschlechterung der Fokussierung bzw. zu einer verzerrten Fokusgeometrie, die in vielen Fällen unerwünscht ist.

Darüber hinaus kann ein Fokussier-Spiegel in der Regel nicht so deformiert werden, daß die Fokuspunkt-Intensitä ten und -Abstände beispielsweise bei der Eliminierung von Nahtfehlern auf den jeweiligen Prozeßdaten-Bereich abge stimmt werden können, so daß es auch bei dieser bekannten Vorrichtung erforderlich ist, zusätzlich optische Kompo nenten oder die gesamte Strahlformungsoptik austauschbar zu gestalten, um die Daten über die gesamte Variations breite anpassen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Fokussieren eines Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunkten anzugeben, bei der eine einfache Variation sowohl der Lichtintensität in den einzelnen Fokuspunkten als auch des Abstandes bzw. der Anordnung der Fokuspunkte zueinander möglich ist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Überraschenderweise kann die gestellte Aufgabe dadurch gelöst werden, daß weiterhin von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, also von einer Vorrichtung mit einem Spiegelelement ausgegangen wird, das den Lichtstrahl in eine der Zahl der Fokuspunkte entspre chende Zahl von Teilstrahlen aufspaltet.

Erfindungsgemäß weist das Spiegelelement eine wenigstens der Zahl der Fokuspunkte entsprechende Zahl von Spiegel flächen auf, die sich jeweils längs einer Linie berühren und deren Flächennormale längs dieser Linie einen Winkel ungleich 0° einschließen. Zur Variation der Strahlintensi tät in den einzelnen Fokuspunkten und des Abstandes der einzelnen Fokuspunkte zueinander ist das Spiegelelement relativ zum auftreffenden Lichtstrahl bewegbar. Die Bewe gung kann dabei eine translatorische Bewegung in Richtung des auftreffenden Lichtstrahls sowie senkrecht hierzu (Anspruch 4) wie auch eine rotatorische Bewegung, d. h. eine Kipp-, Dreh- und/oder Schwenkbewegung (Anspruch 6) sowie eine Kombination dieser Bewegungen sein.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung ist eine Anpassung der Strahlformung an unterschiedliche Vorgaben ohne Aus wechseln von Bauteilen möglich. Die Variabilität der Strahlformung, d. h. der Anordnung der einzelnen Fokuspunk te und der Intensitätsaufteilung ist zudem stufenlos.

Das Spiegelelement kann dabei sowohl von Hand als auch durch eine an sich bekannte (mehrachsige) Verstellvor richtung bewegt werden, die wiederum von einer Steuer- bzw. Regeleinheit oder dgl. betätigt wird.

Die einzelnen Spiegelflächen können dabei nicht nur den Lichtstrahl aufteilen, sondern auch eine optische Wirkung haben, d. h. die einzelnen Spiegelflächen können Konkav- oder Konvex-Spiegelelemente mit einer gegebenenfalls asphärischen Krümmung sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, daß die einzelnen Spiegelfächen in ihren Haupt schnitten unterschiedliche Krümmungen haben, so daß sie zusätzlich zu einer fokussierenden Wirkung auch eine ana morphotische Wirkung haben können.

Eine besonders einfache Ausbildung des erfindungsgemäßen Spiegelelements erhält man jedoch dann, wenn ein getrenn tes Fokussierelement vorgesehen und das Spiegelelement zwischen diesem Fokussierelement und dem Ort der Fokus punkte angeordnet ist (Anspruch 2).

In diesem Falle ist es ausreichend, wenn die einzelnen Spiegelflächen Planflächen sind, das Spiegelelement gemäß Anspruch 3 also ein gefaster Planspiegel ist. Die Zahl der Fasen ist dabei um eins kleiner als die Zahl der gewünsch ten Fokuspunkte. Selbstverständlich ist es aber auch bei Verwendung eines getrennten Fokussierelementes möglich, den Spiegelelementen eine optische Wirkung zu geben, um beispielsweise die Form des "Fokusfleckes" in bestimmter Weise zu beeinflussen.

Wenn beispielsweise der Lichtstrahl lediglich in zwei Fokuspunkte aufgeteilt werden soll und ein zusätzliches Fokussierelement verwendet wird, ist - wie bereits erwähnt - das Spiegelelement bevorzugt ein einfach gefaster Plan spiegel. Gemäß Anspruch 5 kann dieser einfach gefaste Planspiegel zur Aufteilung der Strahlintensität auf die beiden Fokuspunkte senkrecht zum auftreffenden Lichtstrahl sowie zur Fase und zur Variation des Abstandes der beiden Fokuspunkte in Richtung des auftreffenden Lichtstrahles verschoben werden.

Insbesondere dann, wenn als Lichtquelle ein Laser hoher Leistung oder ein im UV-Bereich arbeitender Laser verwen det wird, ist es von besonderem Vorteil, wenn als Fokus sierelement kein transmittierendes Element, sondern ein reflektierendes Element wie beispielsweise ein Konkavspie gel verwendet wird (Anspruch 7).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann immer dann einge setzt werden, wenn es erforderlich ist, einen Lichtstrahl in mehrere fokussierte Teilstrahlen aufzuspalten, wie dies beispielsweise beim Bearbeiten und insbesondere beim Schweißen einer Oberfläche mittels eines Lasers erforder lich ist (Ansprüche 8 und 9).

Beispielsweise beim Schweißen von Dosen ist es zum Umstel len auf verschiedene Formate von Vorteil, wenn die Ein stellung des Abstandes der einzelnen Fokuspunkte und die Intensitätsaufteilung kontinuierlich erfolgen kann, wie dies bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Fokussieren eines Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunkten der Fall ist.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen

Fig. 1a-3a eine erfindungsgemäße Vorrichtung in drei unterschiedlichen Stellungen, und

Fig. 1b-3b den zugehörigen Abstand der Fokuspunkte und die Intensitätsaufteilung.

In den Fig. 1a bis 3a ist eine Ausführungsform einer er findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die ohne Be schränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens einen Lichtstrahl 1 in zwei Teilstrahlen 11 und 12 aufspaltet, die an getrennten Orten in der Fokusebene F fokussiert werden. Mit s ist der Abstand der "Schwerpunkte" der bei den "Fokuspunkte" d. h. genauer gesagt der beiden Fokus flecke in der Fokusebene F bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Konkavspiegel 2 auf, der den Lichtstrahl 1 fokussiert. Im Lichtweg nach dem Konkavspiegel 2 ist ein Spiegelelement 3 angeordnet, das bei der gezeigten Ausführungsform zwei Spiegelflächen 31 und 32 aufweist, die sich längs einer Linie berühren und deren Flächennormale längs dieser Linie (bzw. Fase) einen Winkel << 0° einschließen; anders ausgedrückt ist das Spiegelelement 3 ein gefaster Planspiegel. Ferner lenkt das Spiegelelement 3 den Lichtstrahl 1 um ca. 90° um.

Das Spiegelelement 3 ist an zwei Linearführungen 4 und 5 in x- und z-Richtung verschiebbar gehalten.

Fig. 1a zeigt eine Stellung des Spiegelelements 3 im Lichtstrahl 1, in der der Lichtstrahl derart aufgeteilt wird, daß die Intensitäten I₁ und I₂ in den beiden Fokus punkten mit dem Abstand s₁ gleich sind (vgl. Fig. 1b).

Fig. 2a zeigt eine Anordnung, bei der das Spiegelelement 3 in Richtung der z-Achse von der Fokusebene F weg verscho ben ist. Hierdurch wird - wie Fig. 2b zeigt - die Inten sität des Teilstrahls 11 erhöht und entsprechend die des Teilstrahls 12 erniedrigt. Da das Spiegelelement 3 die gleiche x-Koordinate wie in Fig. 1a hat, ist der Abstand s₁ der beiden Fokuspunkte gleich.

Fig. 3a zeigt eine Anordnung, bei der das Spiegelelement 3 in Richtung der x-Achse von dem Konkavspiegel 2 weg ver schoben ist. Hierdurch werden - wie Fig. 3b zeigt - die beiden Fokuspunkte näher zusammengeschoben, so daß sie nunmehr den Abstand s₂ haben. Da das Spiegelelement 3 die gleiche z-Koordinate wie in Fig. 1a hat, ist die Intensi tätsverteilung in den beiden Fokuspunkten gleich.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan kens beschrieben worden, innerhalb dessen selbstverständ lich die verschiedensten Modifikationen möglich sind: Beispielsweise ist es möglich, das Spiegelelement 3 nicht nur translatorisch, sondern auch rotatorisch, beispiels weise durch Schwenken in einer in der Fase oder außerhalb der Fase liegende Schwenkachse zu bewegen. Ferner kann das Spiegelelement 3 auch mehr als zwei Spiegelflächen aufwei sen, so daß mehr als zwei Fokuspunkte entstehen.

Claims

1. Vorrichtung zum Fokussieren eines Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunkten, mit einem Spiegelelement, das den Lichtstrahl in eine der Zahl der Fokuspunkte entsprechende Zahl von Teilstrahlen aufspaltet, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- das Spiegelelement (3) weist eine wenigstens der Zahl der Fokuspunkte entsprechende Zahl von Spiegelflächen (31, 32) auf, die sich jeweils längs einer Linie berühren und deren Flächennormale längs dieser Linie einen Winkel << 0° einschließen,
- das Spiegelelement ist zur Variation der Strahlintensi tät in den einzelnen Fokuspunkten und des Abstandes der einzelnen Fokuspunkte relativ zum auftreffenden Licht strahl (1) bewegbar.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Spiegelelement zwischen einem Fokussierelement (2) und dem Ort (F) der Fokuspunkte ange ordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement ein gefas ter Planspiegel ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement in Richtung (x) des auf das Spiegelelement auftreffenden Lichtstrahls sowie senkrecht hierzu (z) verschiebbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement ein einfach gefaster Planspiegel ist, und daß das Spiegelelement zur Aufteilung der Strahlintensität auf die beiden Fokuspunkte senkrecht zum auftreffenden Lichtstrahls sowie zur Fase und zur Variation des Abstandes der beiden Fokuspunkte in Richtung des auftreffenden Lichtstrahles verschiebbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement schwenkbar, drehbar und/oder kippbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokussierelement (2) ein Konkavspiegel ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement (3) den Lichtstrahl (1) um ca. 90° umlenkt.

9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Bearbeiten einer Oberfläche mit einem Laser.

10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Schweißen einer Oberfläche mittels der beab standeten Fokuspunkte eines Lasers.