DE212012000262U1

DE212012000262U1 - Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) mit einem Resonanzscanner

Info

Publication number: DE212012000262U1
Application number: DE212012000262.6U
Authority: DE
Original assignee: Optosystems Ltd PIC GPI RAS
Current assignee: Optosystems Ltd PIC GPI RAS
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-12-02
Anticipated expiration: 2022-12-15
Also published as: WO2013147643A1; RU2492514C1

Abstract

Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) mit einer Strahlquelle (1), einem Resonanzscanner (2) mit einem Spiegel und einer Fokussierungslinse (3), die hintereinander angeordnet sind, wobei der Resonanzscanner (2) Laserstrahlen von der Strahlquelle (1) in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserabtastsystems mit einer hohen Geschwindigkeit ablenkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungslinse (3) in einem Abstand zum Spiegel des Resonanzscanners (2) angeordnet ist, wobei der Abstand gleich der Brennweite der Fokussierungslinse (3) ist, dass hinter der Fokussierungslinse (3) ein Abtastbereichsbegrenzer (4) angeordnet ist, dessen Abstand zur Brennebene der Fokussierungslinse (3) 0 bis 5% der Brennweite ist und dass der Abtastbereichsbegrenzer (4) Zentralstrahlen durchlässt und Laserrandstrahlen begrenzt, welche der Spiegel des Resonanzscanners (2) in Querrichtung um mehr als 95% des maximalen Abtastwinkels ablenkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) mit einer Strahlquelle, einem Resonanzscanner mit einem Spiegel und einer Fokussierungslinse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Patent US 7817319 ist ein Lasersystem mit einer Laserquelle und einem Resonanzscanner bekannt. Die Funktionsweise des Resonanzscanners beruht darauf, dass die Strahlabweichung in Richtung senkrecht zur optischen Achse in der Abtastebene sinusförmig ist. Beim Abtasten entlang einer quasilinearen Strecke der Sinuskurve laufen die Laserimpulse zum Objekt, ohne sich zu überlappen. Beim Reversieren des Abtastvorgangs ändert sich die Strahlabweichungsgeschwindigkeit bis zu einem kompletten Stopp. Dabei steigt der Überlappungsgrad der Laserimpulse an. Jede zu behandelnde Flächeneinheit erhält mehr Impulse, was für manche Anwendungen unzulässig ist. Somit verursacht das sinusförmige Abtasten ohne spezielle Vorrichtungen eine unzulässige Unregelmäßigkeit (Inhomogenität) der Bestrahlung der zu bearbeitenden Probe.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Laserabtastsystem mit einem Resonanzscanner herzustellen, um eine gleichmäßige Verteilung von Laserenergie auf eine zu bearbeitende Oberfläche zu bekommen.
Die Aufgabe der Erfindung ist dadurch gelöst, dass die Fokussierungslinse in einem Abstand zum Spiegel des Resonanzscanners angeordnet ist, wobei der Abstand gleich der Brennweite der Fokussierungslinse ist, dass hinter der Fokussierungslinse ein Abtastbereichsbegrenzer angeordnet ist, dessen Abstand zur Brennebene der Fokussierungslinse 0 bis 5% der Brennweite ist und dass der Abtastbereichsbegrenzer Zentralstrahlen durchlässt und Laserrandstrahlen begrenzt, welche der Spiegel des Resonanzscanners in Querrichtung um mehr als 95% des maximalen Abtastwinkels ablenkt.
Die erfindungsgemäße Laserabtastvorrichtung (das Laserabtastsystem) geht von einer Strahlquelle, einem Resonanzscanner mit einem Spiegel und einer Fokussierungslinse aus, die nacheinander angeordnet sind. Der Resonanzscanner lenkt die Laserstrahlen der Strahlquelle in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserabtastsystems mit hoher Geschwindigkeit ab. Nach der Erfindung ist die Fokussierungslinse beabstandet angeordnet. Der Abstand ist gleich ihrer Brennweite zum Spiegel des Resonanzscanners. Hinter der Linse ist ein Abtastbereichsbegrenzer angeordnet. Sein Abstand zur Brennebene der Fokussierungslinse ist 0 bis 5% der Brennweite. Ein Abtastbereichsbegrenzer lässt Zentralstrahlen durch und begrenzt Laserrandstrahlen, welche der Spiegel des Resonanzscanners in Querrichtung um mehr als 95% des maximalen Abtastwinkels ablenkt. Der Abstand der Fokussierungslinse ist gleich seiner Brennweite zum Spiegel des Resonanzscanners.
Bei einer solchen Anordnung verbreiten sich die durch den Resonanzscanner um verschiedene Winkel abgelenkten Laserbündel parallel hinter der Sammellinse. Jeder Laserstrahl sammelt sich in der hinteren Brennebene der Fokussierungslinse zu einem Spot (Fleck). Somit ist die Größe des Laserstrahlungsflecks (Strahlungsspots) im rückseitigen Brennbereich der Linse minimal und die durch den Resonanzscanner um verschiedene Winkel abgelenkten Strahlen sind parallel. Der Abtastbereichsbegrenzer lässt 95% der Zentralstrahlen entlang der optischen Achse durch und schirmt die Randstrahlen ab. Die Randstrahlen bilden am Objekt Impulse mit einem großen Überlappungsgrad. Ist der Abtastbereichsbegrenzer in der rückseitigen Brennebene angeordnet, so wird nur ein Teil der Strahlen die Brennebene überschneiden. Ist der Begrenzer in einem kleinen – bis zu 5% der Brennweite – Abstand zur hinteren Brennebene angeordnet, so sind manche Randstrahlen völlig und manche näher zur optischen Achse liegenden Randstrahlen teilweise überlappt. Immerhin reicht es, um eine gleichmäßige Strahlungsverteilung am Objekt zu bekommen. Das liegt daran, dass die Randstrahlen sich überlappende Impulse erzeugen und nicht auf die zu bearbeitende Oberfläche treffen.
Der Abtastbereichsbegrenzer besteht aus einem undurchsichtigen Material. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht die Ausbildung des Abtastbereichsbegrenzers aus einem undurchsichtigen Material vor.
Der Abtastbereichsbegrenzer ist aus Keramik ausgebildet. Keramik ist ein der laserbeständigsten Stoffe. Der keramische Abtastbereichsbegrenzer ist ein betriebssicheres Element mit einer langen Standzeit.
Das System enthält eine zweite Fokussierungslinse, ein zweiseitiges Abtastungssystem und ein Objektiv. Die zweite Fokussierungslinse ist konfokal mit der ersten Fokussierungslinse angeordnet. Die erste und die zweite Fokussierungslinse bilden zusammen eine teleskopierbare Strahlaufweitungsvorrichtung. Um eine präzise gesteuerte Materialbearbeitung zu erreichen, schließt das Lasersystem die teleskopierbare Strahlaufweitungsvorrichtung, ein zweiseitiges Abtastungssystem und ein Einstellobjektiv ein. Die teleskopierbare Strahlaufweitungsvorrichtung ist in diesem Fall durch zwei Fokussierungslinsen und einen eingesetzten Abtastbereichsbegrenzer gebildet.
Der technische Effekt der erfindungsgemäßen technischen Lösung ist die Herstellung von einem Laserabtastsystem mit einem Resonanzscanner, um eine gleichmäßige Energieverteilung über eine zu bearbeitende Oberfläche zu bekommen.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen eines Laserabtastsystems näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schema des Laserabtastsystems,
2 eine zeitabhängige Impulslage der durch den Resonanzscanner abgelenkten Laserstrahlimpulse,
3 eine Aufnahme einer Oberfläche, die anhand eines Lasersystems mit einem Resonanzscanner ohne Abtastbereichsbegrenzer bearbeitet wurde und
4 eine zeitabhängige Impulslage der Laserstrahlimpulse beim Betrieb des Resonanzscanners mit einem eingesetzten Abtastbereichsbegrenzer.
Die 1 zeigt eine Laserabtastvorrichtung (ein Laserabtastsystem) mit einer Impuls-Laserstrahlquelle 1, einen Resonanzscanner 2 mit einem Spiegel, eine Fokussierungslinse 3 und einen Abtastbereichsbegrenzer 4. Die Fokussierungslinse 3 ist so angeordnet, dass der Spiegel des Resonanzscanners 2 in der vorderen Brennebene der Fokussierungslinse 3 liegt. Der Abtastbereichsbegrenzer 4 befindet sich neben der hinteren Brennebene der Fokussierungslinse 3. Der Abstand zur hinteren Brennebene beträgt 3% der Brennweite. Eine weitere Fokussierungslinse 5 ist konfokal mit der Fokussierungslinse 3 angeordnet. Die Fokussierungslinsen 3 und 5 bilden zusammen eine teleskopierbare Strahlaufweitungsvorrichtung. Das System weist auch ein zweiseitiges Abtastungssystem 6 und ein Objektiv 7 auf. Ist das Lasersystem aktiviert, treffen die Laserstrahlen der Strahlquelle 1 auf den Spiegel des Resonanzscanners 2. Der Spiegel lenkt die Strahlen in Richtung der Figurebene ab. Der Resonanzscanner 2 lenkt die Strahlen senkrecht zur optischen Achse ab. Ein paralleles Laserstrahlenbündel trifft auf den Spiegel des Resonanzscanners 2. Die parallelen Laserstrahlbündel werden in der hinteren Brennebene der Fokussierungslinse 3 zu Einzelflecken fokussiert. Der Abtastbereichsbegrenzer 4 befindet sich neben dem Brennpunkt der Fokussierungslinse 3 und lässt dabei 95% des Mittelteils des bestrahlten Bereichs offen, so dass die Bündel in der Nähe der Abtastgrenze abgeschirmt werden. Solche Bündel erzeugen sich mehrfach überlappende Impulse auf dem Objekt 8. Die Strahlen passieren die Fokussierungs-linse 5. Das System der zweiseitigen Abtastung 6 lenkt den Strahl nach der erforderlichen Laufbahn ab. Das Objektiv 7 fokussiert die Strahlen auf das Probestück 8. Der Pfeil zeigt die Ablenkung der Strahlen durch einen zweiseitigen Abtaster an.
Die 2 schildert die Abhängigkeit der Lage der abgelenkten Laserstrahlenimpulse von der Zeit. Diese Laserstrahlenimpulse sind durch den Resonanzscanner 2 auf der zu bearbeitenden Oberfläche ohne Abtastbereichsbegrenzer 4 abgelenkt. Die senkrechte Achse steht für Impulslagen. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Impulse sich in der Nähe der Abtastbereichsgrenze überlappen. Bei einem gleichmäßigen Vorrücken des Strahls über die Oberfläche des Probestücks entstehen an den Grenzen des Abtastbereichs des Strahls des Resonanzscanners 2 zahlreiche Impulsüberlappungen.
In 3 sind die Versuchsergebnisse einer Bearbeitung der Materialoberfläche unter Anwendung von einem Resonanzscanner 2 zu entnehmen. Es ist ersichtlich, dass eine große Menge der Laserenergie auf das Material an der Bearbeitungsgrenze trifft. Die Laserenergie verteilt sich über die zu bearbeitende Oberfläche ungleichmäßig.
4 zeigt die Abhängigkeit der Lage der Laserstrahlenimpulse von der Zeit mit einem eingebauten Abtastbereichsbegrenzer 4, der 95% der Zentralimpulse durchlässt. Bei einer solchen kleinen Begrenzung wird eine viel gleichmäßigere Verteilung der Impulse und dementsprechend der Laserenergie über die zu bearbeitende Oberfläche erreicht.
Die erfindungsgemäße technische Lösung beschränkt sich nicht auf ein System auf Basis von einem Impulslaser. Sie kann auch für Systeme mit einem kontinuierlich strahlenden Laser angewendet werden. Der Abtastbereichsbegrenzer 4 kann keilförmig oder in Form einer Linse aus einem durchsichtigen Material ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) mit einem Resonanzscanner 4 ann bei unterschiedlichen Fertigungsabläufen angewendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7817319 [0002]

Claims

Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) mit einer Strahlquelle (1), einem Resonanzscanner (2) mit einem Spiegel und einer Fokussierungslinse (3), die hintereinander angeordnet sind, wobei der Resonanzscanner (2) Laserstrahlen von der Strahlquelle (1) in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserabtastsystems mit einer hohen Geschwindigkeit ablenkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungslinse (3) in einem Abstand zum Spiegel des Resonanzscanners (2) angeordnet ist, wobei der Abstand gleich der Brennweite der Fokussierungslinse (3) ist, dass hinter der Fokussierungslinse (3) ein Abtastbereichsbegrenzer (4) angeordnet ist, dessen Abstand zur Brennebene der Fokussierungslinse (3) 0 bis 5% der Brennweite ist und dass der Abtastbereichsbegrenzer (4) Zentralstrahlen durchlässt und Laserrandstrahlen begrenzt, welche der Spiegel des Resonanzscanners (2) in Querrichtung um mehr als 95% des maximalen Abtastwinkels ablenkt.
Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastbereichsbegrenzer (4) aus einem undurchsichtigen Material ausgebildet ist.
Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastbereichsbegrenzer (4) aus Keramik ausgebildet ist.
Laserabtastvorrichtung (Laserabtastsystem) nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine zweite Fokussierungslinse, ein zweiseitiges Abtastungssystem und ein Objektiv aufweist, dass die zweite Fokussierungslinse konfokal mit der ersten Fokussierungslinse (3) angeordnet ist und dass die erste und die zweite Fokussierungslinse eine teleskopierbare Strahlaufweitungsvorrichtung bilden.