DE4024299C2

DE4024299C2 -

Info

Publication number: DE4024299C2
Application number: DE19904024299
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Behler; Eckhard Dr.-Ing. 5100 Aachen De Beyer; Harald 5163 Langenwehr De Schmidt
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: 1993-07-22
Also published as: DE4202606A1; DE4202606C2; DE4024299A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fokus sieren eines Lichtstrahles in mehreren 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:

So ist beispielsweise aus der DE 35 02 382 A1 eine Anordnung zur Strahlenteilung eines Laserstrahles bekannt, die einen Laserstrahl in mehrere parallele, in einer Ebene oder räumlich divergierende Teilstrahlen mit gleicher Intensi tät zerlegt. Die Anordnung sieht jedoch nur die Möglich keit der Vielfach-Zerlegung eines nicht fokussierten Laserstrahls vor und dient zudem für meßtechnische oder sicherheitstechnische Anwendungen, für die eine unabhängige Einstellung von Intensitätsverteilung und gegenseitige Beabstandung der einzelnen Strahlen keine Rolle spielt.

Anders ist dies jedoch beim Laserstrahl-Schweißen. Bei spielsweise 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.

In diesem Zusammenhang ist auf die DE 33 46 144 C1 zu verwei sen, aus der eine Vorrichtung für das Schweifen mit optischen Energiestrahlen hoher Energiedichte hervorgeht. Diese Vorrichtung kann als "schneller Strahlschalter" angesehen werden, der zwar bei jedem Schaltvorgang eine zeitliche und örtliche Variation der Teilstrahlinten sitäten bewirkt, jedoch ist die Variation der Ortsbezie hung nicht unabhängig von der Variation der Intensitäts beziehung. Ferner sind die Strahlwege über die einzelnen Umlenkspiegel unterschiedlich lang, wodurch der eine Strahl fokussiert und der andere Strahl defokussiert auf das zu bearbeitende Werkstück abgebildet wird.

Nachteilig bei diesen bekannten Vorrichtungen ist zudem, daß trotz vergleichsweise grobem Aufwand für die Strahl formung 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.

In der US 46 91 093 wird vorgeschlagen, zur Variation der Anordnung der Fokuspunkte und der Intensitätsvertei lung 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.

Schließlich beschreibt die französische Druckschrift FR 9 63 291, von der bei der Formulierung des Oberbegriffes des Anspruchs 1 ausgegangen wird, eine Vorrichtung zur Bild verdopplung, bei der ein Fokussierelement den Strahlengang auf zwei gegeneinander geneigte Planspiegel projiziert, und im weiteren Verlauf des Strahlengang nach einer zwei ten Reflexion zwei gewünschte Bildpunkte entstehen. Eine Variation des Abstandes zwischen den Bildpunkten sowie deren Intensitätsverteilung wird hierbei weder angeben noch ist sie erwünscht.

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

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Fokussieren eines Lichtbündels in mehreren Fokuspunkten, welche ein Fokussierelement und eine im Lichtbündel nach dem Fokussierelement angeordnete, keilförmige Spiegelanordnung aufweist, die aus mehreren, gegeneinander geneigten und unabhängig voneinander reflektierenden Teilspiegeln besteht, die das Lichtbündel in eine der Anzahl der Fokuspunkte entsprechende Anzahl von Teilbündel aufteilen, derart weitergebildet, daß die Spiegelanordnung relativ zu dem von dem Fokussierelement abgegebenen, fokussierten Lichtbündel bewegbar ist, wobei eine Bewegung der Spiegelanordnung senkrecht zu dem fokussierten Lichtbündel eine stufenlose Einstellung der prozentualen Strahlungsintensitäten in den Fokuspunkten bei konstantem Abstand der Fokuspunkte von einander ermöglicht, und wobei eine Bewegung der Spiegelanordnung (3) paral lel zu dem fokussierten Lichtenbündel (1) eine stufen lose Einstellung des Abstandes der Fokuspunkte voneinan der bei konstanten prozentualen Strahlungsintensitäten in den Fokuspunkten ermöglicht.

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. Gemäß Anspruch 2 ist die Spiegelanordnung relativ zu dem von dem Fokussierelement abgegebenen, fokussierten Lichtbündel drehbar oder kippbar.

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 Spiegelflächen 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.

In diesem Falle ist es ausreichend, wenn die einzelnen Spiegelflächen Planflächen sind, das Spiegelelement gemäß Anspruch 3 also ein gefaster Planspiegel ist.

Selbstverständlich ist es aber auch bei Ver wendung eines getrennten Fokussierelementes möglich, den Spiegelelementen eine optische Wirkung zu geben, um bei spielsweise 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. So 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 wer den.

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 4).

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.

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 fokussiert werden. Mit s₁ ist der Abstand der "Schwerpunkte" der bei den "Fokuspunkte", d. h. genauer gesagt der beiden Fokus flecke in der Fokusebene 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 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 Lichtbündels in mehreren Fokuspunkten, welche ein Fokussierelement (2) und eine im Lichtbündel (1) nach dem Fokussierelement (2) angeordnete, keilförmige Spiegelanordnung (3) aufweist, die aus mehreren, gegeneinander geneigten und unabhängig voneinander reflektierenden Teilspiegeln (31, 32) besteht, die das Lichtbündel (1) in eine der Anzahl der Fokuspunkte entsprechende Anzahl von Teilbündel (11, 12) aufteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung (3) relativ zu dem von dem Fokussierelement (2) abgegebenen, fokussierten Lichtbündel (1) bewegbar ist, wobei eine Bewegung der Spiegelanordnung (3) senkrecht zu dem fokussierten Lichtbündel (1) eine stufenlose Einstellung der prozentualen Strahlungsintensitäten in den Fokuspunkten bei konstantem Abstand der Fokuspunkte von einander ermöglicht, und wobei eine Bewegung der Spiegelanordnung (3) paral lel zu dem fokussierten Lichtenbündel (1) eine stufen lose Einstellung des Abstandes der Fokuspunkte voneinan der bei konstanten prozentualen Strahlungsintensitäten in den Fokuspunkten ermöglicht.

2. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung (3) relativ zu dem von dem Fokussierelement (2) abgegebenen, fokussierten Lichtbündel (1) drehbar oder kippbar ist.

3. Fokussiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung (3) aus planen Reflexionsflächen gebildet ist.

4. Fokussiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokussierelement (2) als Konkavspiegel ausgebildet ist.