DE4202606A1

DE4202606A1 - Vorrichtung zum Fokussieren eines Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunkten

Info

Publication number: DE4202606A1
Application number: DE19924202606
Authority: DE
Inventors: Klaus Behler; Eckhard Beyer; Harald 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: 1992-01-30
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2012-01-31
Also published as: DE4024299A1; DE4024299C2; DE4202606C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fokussieren eines Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunkten gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 3.

Eine derartige Vorrichtung ist in der deutschen Patent anmeldung P 40 24 299.4 beschrieben, zu der die vorlie gende Anmeldung eine Zusatzanmeldung ist.

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 Fokuspunkte in einer vorgebbaren Positionsbe ziehung zueinander stehen; ferner ist es häufig erfor derlich, die Intensität des Lichtstrahles in bestimmter Weise auf die einzelnen Fokuspunkte aufzuteilen:

Beispielsweise können die beim Laserstrahl-Schweißen bei hohen Prozeßgeschwindigkeiten auftretenden Nahtfeh ler, wie Nahtaufwurfe, Löcher etc. durch Strahlteilung bzw. Verwendung mehrerer diskreter Fokuspunkte elimi niert werden; (hierbei wird - wie auch in der folgenden Beschreibung - unter einem Fokuspunkt bzw. Fokusfleck kein Punkt im mathematischen Sinne, sondern der Bereich "der kleinsten Einschnürung" des Licht- bzw. Laser strahles verstanden).

Zur Fokussierung eines Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunkten ist in der Hauptanmeldung P 40 24 299.4 eine Vorrichtung vorgeschlagen worden, die ein Fokus sierelement und ein Spiegelelement aufweist. Das Spie gelelement hat eine wenigstens der Zahl der Fokuspunkte entsprechende Zahl von Spiegelflächen, die sich jeweils längs einer Linie berühren, und deren Flächennormale längs dieser Linie einen Winkel << 0° einschließen, so daß das Spiegelelement den Lichtstrahl in eine der Zahl der Fokuspunkte entsprechende Zahl von Teilstrahlen auf spaltet. Zur Variation der Strahlintensität in den einzelnen Fokuspunkten und des Abstandes der einzelnen Fokuspunkte ist das Spiegelelement relativ zum auftref fenden Lichtstrahl bewegbar.

Bei der in der Hauptanmeldung P 40 24 299.4 beschriebe nen Vorrichtung ändert sich jedoch die Länge des Licht weges bei einer Verschiebung des Spiegelelements. Dies ist bei bestimmten Einsatzfällen nachteilig:

Beispielsweise dann, wenn der Fokuspunkt der Teilstrah len genau auf der Oberfläche des Werkstucks, das bear beitet wird, liegen soll, ist es bei einer Bewegung des Spiegelelements erforderlich, auch das Fokussierelement und gegebenenfalls den Laser so zu verschieben, daß der Abstand zwischen Fokussierelement und Werkstückoberflä che gleich der Brennweite bzw. der Schnittweite des Fokussierelements bleibt.

Darüber hinaus ist es mit der in der Hauptanmeldung P 40 24 299.4 beschriebenen Vorrichtung immer dann, wenn der Lichtstrahl in mehr als zwei Fokuspunkte aufgeteilt wird, nicht möglich, den Abstand zwischen einzelnen Fokuspunkten unabhängig von dem Abstand zwischen ande ren Fokuspunkten zu ändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der Hauptanmeldung P 40 24 299.4 bekannte Vorrichtung zum Fokussieren eines Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunkten derart weiterzubilden, daß die Länge des Lichtweges bei einer Verschiebung des Spiegelelements konstant bleibt, und/oder bei einer Aufteilung des Lichtstrahles in mehr als zwei Fokuspunkte der Abstand zwischen einzelnen Fokuspunkten unabhängig von dem Abstand zwischen anderen Fokuspunkten geändert werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 bzw. 3 gekennzeichnet.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen angegeben.

Gemäß Anspruch 1 ist im fokussierten Lichtweg ein Um lenkelement vorgesehen, das den Strahlengang derart umlenkt, daß die aufgespaltenen Teilstrahlen in etwa parallel zu dem nicht aufgespaltenen Lichtstrahl vor dem Umlenk- bzw. Spiegelelement verlaufen.

Hierdurch kann der Lichtweg bei einer Verschiebung des Spiegelelement zumindest annähernd konstant gehalten werden. Bei der im Anspruch 5 gekennzeichneten Ver schiebung des Umlenkelements gemeinsam mit dem bzw. den Spiegelelement(en) ist sogar eine exakte Konstanthal tung des Lichtweges möglich.

Selbstverständlich ist es möglich, daß die einzelnen Spiegelflächen des Spiegelelements und/oder des Umlenk elements eine optische Wirkung haben, d. h. die einzel nen Spiegelflächen können Konkav- oder Konvex-Spiegel elemente mit einer gegebenenfalls asphärischen Krümmung sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, daß die ein zelnen Spiegelflächen in ihren Hauptschnitten unter schiedliche 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 6).

Dabei ist es nach Anspruch 2 besonders bevorzugt, wenn das Umlenkelement im Lichtweg zwischen dem (separaten) Fokussierelement und dem Spiegelelement vorgesehen ist. Bei der umgekehrten Anordnung werden durch das Umlenk element Abbildungsfehler, wie astigmatische Fehler er zeugt. Darüberhinaus beeinflußt das Umlenkelement ge ringfügig den Abstand der Fokuspunkte.

Bei der im Anspruch 3 angegebenen Weiterbildung der in der Hauptanmeldung P 40 24 299.4 beschriebenen Erfin dung sind zwei oder mehr Spiegelelemente vorgesehen, von denen jedes den auf es auftreffenden Lichtstrahl bzw. die auf es auftreffenden Lichtstrahlen in eine Zahl von Teilstrahlen aufspaltet, die kleiner als die insgesamt vorgegebene Zahl von Teilstrahlen ist.

Hierdurch erhält man nicht nur eine baulich einfache Ausführung, sondern vor allem bei der im Anspruch 4 gekennzeichneten Weiterbildung, bei der die einzelnen Spiegelelemente unabhängig voneinander bewegbar sind, die Möglichkeit, den Abstand und die Intensität einzel ner Fokuspunkte unabhängig von anderen Fokuspunkten einzustellen.

Im Anspruch 7 sind einfache bauliche Ausführungen, namlich gefaster Planspiegel und Prisma mit planen Flächen, für das Spiegelelement angegeben. Die Zahl der Fasen ist dabei um eins kleiner als die Zahl der ge wünschten 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. Dieser einfach gefaste Planspiegel kann zur Aufteilung der Strahlintensität auf die beiden Fokus punkte senkrecht zum auftreffenden Lichtstrahl sowie zur Fase und zur Variation des Abstandes der beiden Fokuspunkte in Richtung des auftreffenden Lichtstrahles verschoben werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können das oder die Spiegelelemente in gleicher Weise wie bei der in der Hauptanmeldung beschriebenen Vorrichtung in Rich tung des auf das Spiegelelement auftreffenden Licht strahls sowie senkrecht hierzu verschoben werden (An spruch 8). Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn nach Anspruch 9 das Spiegelelement ein einfach gefaster Planspiegel oder das Prisma ein Dachkantprisma ist, und wenn das Spiegelelement zur Aufteilung der Strahlinten sität auf die beiden Fokuspunkte senkrecht zum auftref fenden Lichtstrahls sowie zur Fase und zur Variation des Abstandes der beiden Fokuspunkte in Richtung des auftreffenden Lichtstrahles verschiebbar ist.

Weiterhin kann die Bewegung des Spiegelelements nicht nur eine translatorische Bewegung in Richtung des auf treffenden Lichtstrahls sowie senkrecht hierzu, sondern auch eine rotatorische Bewegung, d. h. eine Kipp-, Dreh- und/oder Schwenkbewegung (Anspruch 10) sowie eine Kom bination dieser Bewegungen sein.

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.

Insbesondere dann, wenn als Lichtquelle ein Laser hoher Leistung oder ein im UV-Bereich arbeitender Laser ver wendet wird, ist es von besonderem Vorteil, wenn als Fokussierelement kein transmittierendes Element, son dern ein reflektierendes Element wie beispielsweise ein Konkavspiegel verwendet wird (Anspruch 11).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann immer dann einge setzt werden, wenn es erforderlich ist, einen Licht strahl in mehrere fokussierte Teilstrahlen aufzuspal ten, wie dies beispielsweise beim Bearbeiten und insbe sondere beim Schweißen einer Oberfläche mittels eines Lasers erforderlich ist.

Beispielsweise beim Schweißen von Dosen ist es zum Umstellen auf verschiedenen Formate von Vorteil, wenn die Einstellung 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 allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, und deren einzige Figur einen Querschnitt durch eine erfin dungsgemäße Vorrichtung zeigt.

In der Figur ist eine Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Vorrichtung dargestellt, die ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens einen Lichtstrahl 1 mit einer Achse 1′ in zwei Teilstrahlen 11 und 12 auf spaltet, die an getrennten Orten in der Fokusebene F fokussiert werden.

Mit s ist der Abstand der "Schwerpunkte" der beiden "Fokuspunkte", d. h. genauer gesagt der beiden Fokus flecke in der Fokusebene F bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist hierzu einen Konkavspiegel 2 auf, der den Lichtstrahl 1 fokussiert. Im Lichtweg nach dem Konkavspiegel 2 ist ein Umlenk element 4 angeordnet, das den Lichtstrahl um 90° um lenkt.

Nach dem Umlenkelement 4 ist ein Spiegelelement 3 ange ordnet, das bei der gezeigten Ausführungsform zwei Spiegelflächen 31 und 32 aufweist, die sich längs einer Linie 33 berühren und deren Flächennormale längs dieser Linie (bzw. Fase) einen Winkel << 0° einschließen; anders ausgedrückt ist das Spiegelelement 3 ein gefas ter Planspiegel. Ferner ist das Spiegelelement 3 so ausgebildet, daß es den Lichtstrahl 1 um ca. 90° um lenkt.

Das Spiegelelement 3 und das Umlenkelement 4 sind an zwei nicht dargestellten Linearführungen in x- und z- Richtung verschiebbar gehalten. Eine in z-Richtung verschobene Stellung der beiden Elemente ist in der Figur gestrichtelt dargestellt. In der gestrichelten Stellung ist der Abstand s′ zwischen den beiden Fokus punkten größer als in der mit ausgezogenen Linien dar gestellten Stellung.

Die beschriebene Vorrichtung hat die Eigenschaft, daß unabhängig von der Stellung des Spiegelelements 3 und des Umlenkelements 4 der Lichtweg und damit der Abstand zwischen der optischen Achse 1′ des Lichtstrahls 1 und der Fokusebene F konstant bleibt, so daß keine Ver schiebung des Fokussierelements zur Fokussierung auf die Fokusebene F erforderlich wird.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungs beispiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungs gedankens beschrieben worden, innerhalb dessen selbst verständlich die verschiedensten Modifikationen möglich sind:

Beispielsweise ist es möglich, das Spiegelelement 3 nicht nur translatorisch, sondern auch rotatorisch, beispielsweise durch Schwenken in einer in der Fase oder außerhalb der Fase liegende Schwenkachse zu bewe gen. Ferner kann das Spiegelelement 3 auch mehr als zwei Spiegelflächen aufweisen, so daß mehr als zwei Fokuspunkte entstehen. Weiterhin können die Spiegelele mente nicht nur Oberflächenspiegel, sondern auch Pris menelemente sein. Als Fokussierelement kann auch ein brechendes Element, wie ein Objektiv verwendet werden.

Auch können dann, wenn der Strahl in mehr als zwei Teilstrahlen aufgespalten werden soll, anstelle des Spiegelelements 3 mehrere getrennte Spiegelelemente verwendet werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Fokussieren eines Lichtstrahles (1) in wenigstens zwei Fokuspunkten, mit mindestens einem Fokussierelement (2) und minde stens einem Spiegelelement (3),
das eine wenigstens der Zahl der Fokuspunkte entspre chende Zahl von Spiegelflächen (31, 32) aufweist, die sich jeweils längs einer Linie berühren und deren Flä chennormale längs dieser Linie einen Winkel << 0° ein schließen, so daß das Spiegelelement den Lichtstrahl (1) in eine der Zahl der Fokuspunkte entsprechende Zahl von Teilstrahlen (11, 12) aufspaltet, und
das zur Variation der Strahlintensität in den einzelnen Fokuspunkten und des Abstandes der einzelnen Fokuspunk te relativ zum auftreffenden Lichtstrahl (1) bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß im fokussierten Lichtweg ein Umlenkelement (4) vorgesehen ist, das den Strahlen gang derart umlenkt, daß die aufgespaltenen Teilstrah len (11, 12) in etwa parallel zu dem nicht aufgespalte nen Lichtstrahl vor dem Umlenk- bzw. Spiegelelement verlaufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (4) im Lichtweg zwischen dem Fokussierelement (2) und dem Spiegelelement (3) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung zum Fokussieren eines Lichtstrahles (1) in wenigstens zwei Fokuspunkten, mit mindestens einem Fokussierelement (2) und minde stens einem Spiegelelement (3),
das eine wenigstens der Zahl der Fokuspunkte entspre chende Zahl von Spiegelflächen (31, 32) aufweist, die sich jeweils längs einer Linie berühren und deren Flä chennormale längs dieser Linie einen Winkel << 0° ein schließen, so daß das Spiegelelement den Lichtstrahl (1) in eine der Zahl der Fokuspunkte entsprechende Zahl von Teilstrahlen (11,12) aufspaltet, und
das zur Variation der Strahlintensität in den einzelnen Fokuspunkten und des Abstandes der einzelnen Fokuspunk te relativ zum auftreffenden Lichtstrahl (1) bewegbar ist, oder nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Spiegelele mente vorgesehen sind, von denen jedes den auf es auf treffenden Lichtstrahl bzw. die auf es auftreffenden Lichtstrahlen in eine Zahl von Teilstrahlen aufspaltet, die kleiner als die insgesamt vorgegebene Zahl von Teilstrahlen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Spiegelele mente unabhängig voneinander bewegbar sind, so daß der Abstand und die Intensität einzelner Fokuspunkte unab hängig von anderen Fokuspunkten einstellbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (4) ge meinsam mit dem bzw. den Spiegelelement(en) (3) ver schiebbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Spiegelele ment(e) zwischen einem Fokussierelement (2) und dem Ort (F) der Fokuspunkte angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement ein gefaster Planspiegel oder ein Prisma mit planen Flächen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Spiegelelemen te in Richtung (x) des auf das Spiegelelement auftref fenden Lichtstrahls sowie senkrecht hierzu (z) ver schiebbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement ein einfach gefaster Planspiegel oder das Prisma ein Da chkantprisma ist, und daß das Spiegelelement zur Auf teilung der Strahlintensität auf die beiden Fokuspunkte in Richtung (x) senkrecht zum auftreffenden Lichtstrahl sowie zur Fase und zur Variation des Abstandes der beiden Fokuspunkte in Richtung (z) des auftreffenden Lichtstrahles verschiebbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement schwenk bar, drehbar und/oder kippbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokussierelement (2) ein Konkavspiegel ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement (3) und das Umlenkelement den Lichtstrahl (1) um ca. 90° umlen ken.