WO2014083158A1 - Scanning device for scanning a laser beam in a working plane - Google Patents
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- WO2014083158A1 WO2014083158A1 PCT/EP2013/075096 EP2013075096W WO2014083158A1 WO 2014083158 A1 WO2014083158 A1 WO 2014083158A1 EP 2013075096 W EP2013075096 W EP 2013075096W WO 2014083158 A1 WO2014083158 A1 WO 2014083158A1
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- G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
- G02B26/10—Scanning systems
- G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors
Definitions
- the present invention relates to a scanning device for scanning a laser beam in a working plane comprising optical
- Wavefront transformation means which are designed so that they can influence the laser beam such that the laser beam after passing through the optical
- Wavefront transforming means in at least one direction has a top-hat angle distribution, scanning means which are designed so that the laser beam in the working plane in two
- the mean propagation direction of the laser radiation means the mean propagation direction of the laser radiation, especially if this is not a plane wave or at least partially divergent.
- laser beam, light beam, sub-beam or beam is, unless expressly stated otherwise, not an idealized beam of geometric optics meant, but a real light beam, such as a laser beam with a Gaussian profile or a modified Gaussian profile or a top Hat profile, which has no infinitesimal small, but an extended beam cross-section.
- top hat distribution or top hat intensity distribution or top hat profile is meant an intensity distribution that can be described, at least in one direction, essentially by a rectangular function (rect (x)).
- real intensity distributions, the deviations from a rectangular function in the percentage range or inclined flanks can also be referred to as a top hat distribution or top hat profile.
- Such scanning devices to date have scanning means with a first and a second deflection mirror, which are each rotatable about an axis of rotation by means of a galvanometer associated therewith.
- Deflection mirror is preferably oriented orthogonal to the axis of rotation of the second deflection mirror.
- a lens means is arranged in the beam path between the scanning means and the working plane, which can focus the laser beam in the working plane, wherein the laser beam is deflected in the working plane proportional to the scan angle ⁇ .
- Scanning device is scanned, which has no gaussian profile, but a top hat profile. In many applications it is
- the intensity profile of the laser beam in the working plane, at least in one direction, is a top Hat profile matches.
- single-mode lasers are generally used as laser light sources.
- Deflecting mirrors are only approximately met, so that it can - especially in a laser beam with top hat distribution - come to the above-mentioned impairments of the intensity distribution in the working plane.
- the top hat profile does not remain in the working plane
- the present invention makes it a task, a
- a device for scanning a laser beam in a working plane is characterized in that the scanning means comprise precisely one mirror, which rotates about two axes of rotation, which are located in a pupil plane of the objective means in a common
- Cutting pivot is rotatable.
- the optical wavefront transformation means are designed so that they can influence the laser beam in such a way that the laser beam after passing through the optical waveguide
- Wavefront transforming means in two directions has a top hat angle distribution.
- the scanning device it is possible to scan the laser steel with top hat profile in two directions in the working plane such that the top hat profile remains at least substantially symmetrical in both directions.
- the deformations of the top hat profile when scanning over a workpiece in the working plane can be significantly reduced compared to the prior art.
- the actuator means may be piezoelectric. Piezoelectric actuator means allow a precise and rapid adjustment of the rotational angle of the mirror about the two axes of rotation.
- Each of the piezoelectric actuator means in this embodiment may comprise one or more piezo elements to which the mirror is suspended.
- Electromagnetic actuator means can also cause a precise and rapid adjustment of the rotational angles of the mirror about the two axes of rotation.
- each of the electromagnetically-driven actuator means may include one or more
- a lens of the objective means which is first in the beam path of the laser radiation, can have a distance of between 10 and 100 mm from the pupil plane of the objective means.
- a last in the beam path of the laser radiation lens of the lens means have a distance between 100 to 1000 mm from the working plane.
- the objective means is an F-theta objective means.
- the objective means can fulfill an F-theta function, so that the beam height in the working plane depends directly on the scan angle and not on its tangent.
- the objective means as an F-theta objective means, it is advantageously possible to have a relatively large in the work plane, Plan to produce area that is exposed to the laser radiation.
- a telecentric F-theta objective means is advantageously capable of keeping the focus of the laser beam in the working plane in the entire scan area.
- Another advantage of a telecentric F-theta objective means is that it can keep the laser beam orthogonal to the scan area of the working plane. This effect is particularly advantageous when a laser beam incident obliquely to the working plane is undesirable in the application, as is the case, for example, in numerous applications in material processing in which the laser beam preferably does not obliquely strike a workpiece arranged in the working plane should.
- Fig. 1 is a schematic side view of a scanning device
- FIG. 1 a Cartesian coordinate system is shown in FIG. 1, which defines the x direction, the y direction, which in the present case extends into the plane of the drawing, and the z direction.
- the scanning device includes optical
- Wavefront transformation means 3 which are designed so that they influence the laser beam 1 in such a way and can cause a transformation of the Gaussian profile of the laser beam 1 in such a way that the laser beam 1 after passing through the optical
- Wavefront transformation means 3 has a top hat angle distribution.
- the wavefront transformation means 3 comprise in a manner known per se not explicitly shown optical means
- Transformation interfaces that can cause such a transformation of the profile of the laser beam 1, so that the laser beam. 1 after passing through the transformation interfaces has the desired top hat angle distribution.
- the scanning device furthermore has scanning means which are located behind the beam path of the laser beam 1 behind the beam path
- Wavefront transformation means 3 are arranged.
- the scanning means comprise a rotatable mirror 5 and controllable (off
- actuator means 7, 8 which are coupled to the rotatable mirror 5.
- the actuator means 7, 8 are able to rotate the rotatable mirror 5 about two mutually orthogonal axes of rotation, thereby the laser beam 1 in the below
- a first axis of rotation of the mirror 5 preferably extends parallel to the x-axis and a second axis of rotation preferably extends parallel to the y-axis.
- the scanning device comprises an objective means 4, which is arranged in the beam path of the laser beam 1 between the mirror 5 and the working plane 2.
- the lens means 4 comprises a plurality of lens means 40, 41, 42, 43, which are arranged one behind the other in the beam path of the laser beam 1.
- the objective means 4 may preferably be designed as F-theta objective means. This means that the objective means 4 can fulfill an F-theta function, so that the beam height in the working plane 2 depends directly on the scanning angle and not on its tangent.
- the F-theta objective means is capable of keeping the focus of the laser beam 1 in the working plane 2 in the entire scan field.
- the lens means 4 thus does not work jet imaging. Consequently, due to the Fourier transformation of the wavefront of the laser beam 1, no image plane exists.
- the F-theta objective means may also be telecentric in an advantageous variant.
- a telecentric F-theta lens means is also advantageously able to control the focus of the laser beam 1 in the entire scan area in the
- arranged workpiece incident laser beam 1 is undesirable, as for example in numerous applications in the
- the rotatable mirror 5 is arranged in the beam path of the scanning device, that the intersection of its two axes of rotation and thus that pivot point 9 by which the mirror 5 can rotate effectively, in the pupil plane 6 of the lens means 4 is located.
- the actuator means 7, 8 may be designed piezoelectrically and comprise one or more piezo elements on which / the mirror 5 is suspended and which can cause the rotational movement of the mirror 5 about the two axes of rotation. Alternatively, the
- Actuator 7, 8 also be formed electromagnetically and electromagnetic coils include, which are formed and coupled to the mirror 5 so that they can cause the rotational movement of the mirror 5 about the two axes of rotation.
- Pupillenebene 6 of the lens means 4 may in particular the
- the remaining residual distortion for a particular scan angle about the first axis of rotation should be identical (or at least nearly identical) to the distortion at identical scanning angle about the second axis of rotation.
- Typical distances between the pivot point 9 of the mirror 5 (and thus the pupil plane 6) and the plane of the first lens 40 in the beam path of the objective means 4 are typically about 10 to 100 mm.
- Typical working distances between the lens surface of the last lens 43 in the beam path of the objective means 4 and the working plane 2 are in the range of 100 to 1000 mm.
Landscapes
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Abstract
Description
Scanvorrichtung zum Scannen eines Laserstrahls in einer Scanning device for scanning a laser beam in one
Arbeitsebene working level
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Scanvorrichtung zum Scannen eines Laserstrahls in einer Arbeitsebene, umfassend optische The present invention relates to a scanning device for scanning a laser beam in a working plane comprising optical
Wellenfronttransformationsmittel, die so ausgebildet sind, dass sie den Laserstrahl derart beeinflussen können, dass der Laserstrahl nach einem Hindurchtritt durch die optischen Wavefront transformation means, which are designed so that they can influence the laser beam such that the laser beam after passing through the optical
Wellenfronttransformationsmittel in zumindest einer Richtung eine Top-Hat-Winkelverteilung aufweist, Scanmittel, die so ausgebildet sind, dass sie den Laserstrahl in der Arbeitsebene in zwei Wavefront transforming means in at least one direction has a top-hat angle distribution, scanning means which are designed so that the laser beam in the working plane in two
Raumrichtungen bewegen können, sowie ein Objektivmittel mit einer Anzahl hintereinander angeordneter Linsen, das im Strahlenweg des Laserstrahls zwischen den Scanmitteln und der Arbeitsebene Move spatial directions, and a lens means having a number of successively arranged lenses, in the beam path of the laser beam between the scanning means and the working plane
angeordnet ist und so ausgebildet ist, dass es eine is arranged and designed so that there is a
Fouriertransformation des Laserstrahls mit der Top-Hat- Winkelverteilung bewirken kann. Fourier transformation of the laser beam with the top hat angle distribution can cause.
Definitionen : In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung meint die mittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise divergent ist. Mit Laserstrahl, Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil oder einem modifizierten Gauß-Profil oder einem Top-Hat-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist. Mit Top-Hat-Verteilung oder Top-Hat-Intensitätsverteilung oder Top-Hat-Profil ist eine Intensitätsverteilung gemeint, die sich zumindest hinsichtlich einer Richtung im Wesentlichen durch eine Rechteckfunktion (rect (x)) beschreiben lässt. Dabei sollen reale Intensitätsverteilungen, die Abweichungen von einer Rechteckfunktion im Prozentbereich beziehungsweise geneigte Flanken aufweisen, ebenfalls als Top-Hat-Verteilung oder Top-Hat-Profil bezeichnet werden können. Definitions: In the propagation direction of the laser radiation means the mean propagation direction of the laser radiation, especially if this is not a plane wave or at least partially divergent. By laser beam, light beam, sub-beam or beam is, unless expressly stated otherwise, not an idealized beam of geometric optics meant, but a real light beam, such as a laser beam with a Gaussian profile or a modified Gaussian profile or a top Hat profile, which has no infinitesimal small, but an extended beam cross-section. By top hat distribution or top hat intensity distribution or top hat profile is meant an intensity distribution that can be described, at least in one direction, essentially by a rectangular function (rect (x)). Here, real intensity distributions, the deviations from a rectangular function in the percentage range or inclined flanks, can also be referred to as a top hat distribution or top hat profile.
Scanvorrichtungen zum Scannen eines Laserstrahls in einer Scanning devices for scanning a laser beam in one
Arbeitsebene, in der ein zu bearbeitendes Werkstück angeordnet werden kann, sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Derartige Scanvorrichtungen weisen bislang Scanmittel mit einem ersten und einem zweiten Ablenkspiegel auf, die jeweils mittels eines ihnen zugeordneten Galvanometers um eine Drehachse drehbar sind. Die Drehachse des ersten Working plane in which a workpiece to be machined can be arranged, are known from the prior art in different embodiments. Such scanning devices to date have scanning means with a first and a second deflection mirror, which are each rotatable about an axis of rotation by means of a galvanometer associated therewith. The axis of rotation of the first
Ablenkspiegels ist dabei vorzugsweise orthogonal zur Drehachse des zweiten Ablenkspiegels orientiert. Durch präzises Verkippen der beiden Ablenkspiegel, an denen der einfallende Laserstrahl auf seinem Strahlweg nacheinander reflektiert wird, kann der Laserstrahl in der Arbeitsebene in zwei voneinander verschiedenen, vorzugsweise zueinander orthogonalen, Raumrichtungen gescannt oder gezielt an einem bestimmten Ort in der Arbeitsebene platziert werden. Deflection mirror is preferably oriented orthogonal to the axis of rotation of the second deflection mirror. By precise tilting of the two deflection mirrors, on which the incident laser beam is reflected successively on its beam path, the laser beam can be scanned in the working plane in two mutually different, preferably mutually orthogonal, spatial directions or specifically placed at a specific location in the working plane.
Üblicherweise ist im Strahlenweg zwischen den Scanmitteln und der Arbeitsebene ein Objektivmittel angeordnet, das den Laserstrahl in die Arbeitsebene fokussieren kann, wobei der Laserstrahl in der Arbeitsebene proportional zum Scanwinkel Θ ausgelenkt wird. Usually, a lens means is arranged in the beam path between the scanning means and the working plane, which can focus the laser beam in the working plane, wherein the laser beam is deflected in the working plane proportional to the scan angle Θ.
In der praktischen Anwendung kann beim Scannen von Laserstrahlen mittels einer derartigen Scanvorrichtung die Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene beeinträchtigt sein. Dieses Problem tritt In practical application, when scanning laser beams by means of such a scanning device, the intensity distribution in the working plane may be impaired. This problem occurs
insbesondere dann auf, wenn ein Laserstrahl mittels der in particular, when a laser beam by means of
Scanvorrichtung gescannt wird, der kein Gauß-Profil, sondern ein Top-Hat-Profil aufweist. Bei zahlreichen Anwendungen ist es Scanning device is scanned, which has no gaussian profile, but a top hat profile. In many applications it is
allerdings wünschenswert, dass das Intensitätsprofil des Laserstrahls in der Arbeitsebene zumindest hinsichtlich einer Richtung einem Top- Hat-Profil entspricht. Dazu werden in der Regel Single-Mode-Laser als Laserlichtquellen verwendet. However, it is desirable for the intensity profile of the laser beam in the working plane, at least in one direction, to be a top Hat profile matches. For this purpose, single-mode lasers are generally used as laser light sources.
Die Funktion der Scanmittel und des Objektivmittels ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Scanvorrichtungen nur dann in theoretisch idealisierter Weise gegeben, wenn die Drehachsen der beiden Ablenkspiegel in der Pupillenebene des Objektivmittels vor diesem liegen. In der Praxis kann diese Bedingung bei zwei The function of the scanning means and of the lens means is given in the known from the prior art scanning devices only in a theoretically idealized manner, when the axes of rotation of the two deflecting mirror in the pupil plane of the lens means lie before this. In practice, this condition may occur at two
Ablenkspiegeln nur annähernd erfüllt werden, so dass es - insbesondere bei einem Laserstrahl mit Top-Hat-Verteilung - zu den vorstehend genannten Beeinträchtigungen der Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene kommen kann. In zumindest einer Raumrichtung (Achse) bleibt das Top-Hat-Profil in der Arbeitsebene nicht Deflecting mirrors are only approximately met, so that it can - especially in a laser beam with top hat distribution - come to the above-mentioned impairments of the intensity distribution in the working plane. In at least one spatial direction (axis), the top hat profile does not remain in the working plane
symmetrisch erhalten. obtained symmetrically.
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine The present invention makes it a task, a
Scanvorrichtung zum Scannen eines Laserstrahls in einer Scanning device for scanning a laser beam in one
Arbeitsebene der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und To provide working level of the type mentioned above, which avoids the disadvantages of the prior art and
insbesondere beim Scannen eines Laserstrahl mit einem Top-Hat- Profil die Top-Hat-Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene im especially when scanning a laser beam with a top hat profile the top hat intensity distribution in the working plane in
Wesentlichen erhalten kann. Can essentially receive.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Vorrichtung zum Scannen eines Laserstrahls in einer Arbeitsebene der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der The solution to this problem provides a device for scanning a laser beam in a working plane of the type mentioned above with the features of the characterizing part of claim 1. The dependent claims relate to advantageous developments of
vorliegenden Erfindung. present invention.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Scannen eines Laserstrahls in einer Arbeitsebene zeichnet sich dadurch aus, dass die Scanmittel genau einen Spiegel umfassen, der um zwei Drehachsen, die sich in einer Pupillenebene des Objektivmittels in einem gemeinsamen A device according to the invention for scanning a laser beam in a working plane is characterized in that the scanning means comprise precisely one mirror, which rotates about two axes of rotation, which are located in a pupil plane of the objective means in a common
Drehpunkt schneiden, drehbar ist. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Scanvorrichtung ist es in vorteilhafter Weise möglich, einen Cutting pivot, is rotatable. With the help of the scanning device according to the invention, it is possible in an advantageous manner, a
Laserstahl mit einem Top-Hat-Profil derart in der Arbeitsebene zu scannen, dass das Top-Hat-Profil (zumindest weitestgehend) Scan laser steel with a top hat profile in the working plane in such a way that the top hat profile (at least for the most part)
symmetrisch erhalten bleibt. Die Verformungen des Top-Hat-Profils beim Scannen - insbesondere über ein Werkstück in der Arbeitsebene - können gegenüber dem Stand der Technik in überraschender Weise erheblich reduziert werden. Durch das Vorsehen lediglich eines einzelnen Spiegels können zudem der Aufbau sowie die Justage der Scanvorrichtung vereinfacht werden. is maintained symmetrically. The deformations of the top hat profile during scanning - in particular over a workpiece in the working plane - can be significantly reduced in comparison to the prior art in a surprising manner. By providing only a single mirror also the structure and the adjustment of the scanning device can be simplified.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die optischen Wellenfronttransformationsmittel so ausgebildet sind, dass sie den Laserstrahl derart beeinflussen können, dass der Laserstrahl nach einem Hindurchtritt durch die optischen In a particularly advantageous embodiment, it is proposed that the optical wavefront transformation means are designed so that they can influence the laser beam in such a way that the laser beam after passing through the optical waveguide
Wellenfronttransformationsmittel in zwei Richtungen eine Top-Hat- Winkelverteilung aufweist. Mit Hilfe der Scanvorrichtung ist es möglich, den Laserstahl mit Top-Hat-Profil in zwei Richtungen derart in der Arbeitsebene zu scannen, dass das Top-Hat-Profil in beiden Richtungen zumindest weitestgehend symmetrisch erhalten bleibt. Die Verformungen des Top-Hat-Profils beim Scannen über ein Werkstück in der Arbeitsebene können gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduziert werden. Wavefront transforming means in two directions has a top hat angle distribution. With the aid of the scanning device, it is possible to scan the laser steel with top hat profile in two directions in the working plane such that the top hat profile remains at least substantially symmetrical in both directions. The deformations of the top hat profile when scanning over a workpiece in the working plane can be significantly reduced compared to the prior art.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht die In a particularly advantageous embodiment, the
Möglichkeit, dass die Scanmittel ansteuerbare Aktuatormittel Possibility that the scanning means controllable actuator means
umfassen, die mit dem Spiegel gekoppelt sind und so ausgebildet sind, dass sie eine Drehung des Spiegels um die beiden Drehachsen, die vorzugsweise orthogonal zueinander orientiert sind, bewirken können. ln einer bevorzugten Ausführungsform können die Aktuatormittel piezoelektrisch ausgebildet sein. Piezoelektrische Aktuatormittel ermöglichen eine präzise und schnelle Einstellung der Drehwinkel des Spiegels um die beiden Drehachsen. Jedes der piezoelektrischen Aktuatormittel kann in dieser Ausführungsform ein oder mehrere Piezo-Elemente umfassen, an dem/denen der Spiegel aufgehängt ist. comprise, which are coupled to the mirror and are adapted to cause a rotation of the mirror about the two axes of rotation, which are preferably oriented orthogonal to each other. In a preferred embodiment, the actuator means may be piezoelectric. Piezoelectric actuator means allow a precise and rapid adjustment of the rotational angle of the mirror about the two axes of rotation. Each of the piezoelectric actuator means in this embodiment may comprise one or more piezo elements to which the mirror is suspended.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform besteht die In an alternative preferred embodiment, the
Möglichkeit, dass die Aktuatormittel elektromagnetisch ausgebildet sind. Elektromagnetische Aktuatormittel können ebenfalls eine präzise und schnelle Einstellung der Drehwinkel des Spiegels um die beiden Drehachsen bewirken. Jedes der elektromagnetisch ausgeführten Aktuatormittel kann zum Beispiel eine oder mehrere Possibility that the actuator means are formed electromagnetically. Electromagnetic actuator means can also cause a precise and rapid adjustment of the rotational angles of the mirror about the two axes of rotation. For example, each of the electromagnetically-driven actuator means may include one or more
elektromagnetische Spulen umfassen, die so ausgebildet und derart mit dem Spiegel gekoppelt sind, dass sie gemeinsam die comprise electromagnetic coils which are so formed and coupled to the mirror that they together the
Drehbewegung des Spiegels um die beiden Drehachsen bewirken können. Can cause rotational movement of the mirror about the two axes of rotation.
Vorzugsweise kann eine im Strahlweg der Laserstrahlung erste Linse des Objektivmittels einen Abstand zwischen 10 bis 100 mm von der Pupillenebene des Objektivmittels aufweisen. Preferably, a lens of the objective means, which is first in the beam path of the laser radiation, can have a distance of between 10 and 100 mm from the pupil plane of the objective means.
Vorteilhaft kann eine im Strahlweg der Laserstrahlung letzte Linse des Objektivmittels einen Abstand zwischen 100 bis 1000 mm von der Arbeitsebene aufweisen. Advantageously, a last in the beam path of the laser radiation lens of the lens means have a distance between 100 to 1000 mm from the working plane.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Objektivmittel ein F-Theta-Objektivmittel ist. Das bedeutet mit anderen Worten, dass das Objektivmittel eine F-Theta-Funktion erfüllen kann, so dass die Strahlhöhe in der Arbeitsebene unmittelbar vom Scanwinkel und nicht von dessen Tangens abhängt. Bei einer Ausbildung des Objektivmittels als F-Theta-Objektivmittel ist es in vorteilhafter Weise möglich, in der Arbeitsebene einen relativ großen, planen Bereich zu erzeugen, der mit der Laserstrahlung beaufschlagt wird. In a particularly preferred embodiment, it is proposed that the objective means is an F-theta objective means. In other words, this means that the objective means can fulfill an F-theta function, so that the beam height in the working plane depends directly on the scan angle and not on its tangent. In an embodiment of the objective means as an F-theta objective means, it is advantageously possible to have a relatively large in the work plane, Plan to produce area that is exposed to the laser radiation.
Das F-Theta-Objektivmittel kann in einer vorteilhaften The F-theta objective means may be used in an advantageous manner
Ausführungsform telezentrisch sein. Ein telezentrisches F-Theta- Objektivmittel ist in vorteilhafter Weise dazu in der Lage, den Fokus des Laserstrahls im gesamten Scanbereich in der Arbeitsebene zu halten. Ein weiterer Vorteil eines telezentrisches F-Theta- Objektivmittels besteht darin, dass es den Laserstrahl orthogonal zum Scanbereich der Arbeitsebene halten kann. Diese Wirkung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in der Anwendung ein schräg zur Arbeitsebene einfallender Laserstrahl unerwünscht ist, wie es zum Beispiel bei zahlreichen Anwendungen in der Materialbearbeitung der Fall ist, bei denen der Laserstrahl möglichst nicht schräg auf ein in der Arbeitsebene angeordnetes Werkstück treffen sollte. Be telecentric embodiment. A telecentric F-theta objective means is advantageously capable of keeping the focus of the laser beam in the working plane in the entire scan area. Another advantage of a telecentric F-theta objective means is that it can keep the laser beam orthogonal to the scan area of the working plane. This effect is particularly advantageous when a laser beam incident obliquely to the working plane is undesirable in the application, as is the case, for example, in numerous applications in material processing in which the laser beam preferably does not obliquely strike a workpiece arranged in the working plane should.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings
Abbildung. Darin zeigt Illustration. It shows
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Scanvorrichtung Fig. 1 is a schematic side view of a scanning device
zum Scannen eines Laserstrahls in einer Arbeitsebene gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. for scanning a laser beam in a working plane according to a preferred embodiment of the present invention.
Zur Vereinfachung der nachfolgenden Beschreibung ist in Fig. 1 ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet, welches die x- Richtung, die y-Richtung, welche sich vorliegend in die Zeichenebene erstreckt, sowie die z-Richtung definiert. To simplify the following description, a Cartesian coordinate system is shown in FIG. 1, which defines the x direction, the y direction, which in the present case extends into the plane of the drawing, and the z direction.
In die in Fig. 1 dargestellte Scanvorrichtung zum Scannen eines Laserstrahls 1 in einer Arbeitsebene 2, in der sich ein zu In the scanning device shown in Fig. 1 for scanning a laser beam 1 in a working plane 2, in which a to
bearbeitendes Werkstück befinden kann, tritt von links der Laserstrahl 1 parallel zur x-Achse ein. Der Laserstrahl 1 weist dabei ein Gauß- Profil auf. Die Scanvorrichtung umfasst optische can be located, the laser beam 1 enters from the left parallel to the x-axis. The laser beam 1 has a Gaussian profile. The scanning device includes optical
Wellenfronttransformationsmittel 3, die so ausgebildet sind, dass sie den Laserstrahl 1 derart beeinflussen und eine Transformation des Gauß-Profils des Laserstrahls 1 in der Weise bewirken können, dass der Laserstrahl 1 nach einem Hindurchtritt durch die optischen Wavefront transformation means 3, which are designed so that they influence the laser beam 1 in such a way and can cause a transformation of the Gaussian profile of the laser beam 1 in such a way that the laser beam 1 after passing through the optical
Wellenfronttransformationsmittel 3 eine Top-Hat-Winkelverteilung aufweist. Die Wellenfront des Laserstrahls 1 sollte möglichst eben sein und vorzugsweise eine sphärische Aberration = 0 aufweisen. Die Wellenfronttransformationsmittel 3 umfassen in an sich bekannter Weise hier nicht explizit dargestellte Optikmittel mit Wavefront transformation means 3 has a top hat angle distribution. The wavefront of the laser beam 1 should be as flat as possible and preferably have a spherical aberration = 0. The wavefront transformation means 3 comprise in a manner known per se not explicitly shown optical means
Transformationsgrenzflächen, die eine derartige Transformation des Profils des Laserstrahls 1 bewirken können, so dass der Laserstrahl 1 nach dem Hindurchtritt durch die Transformationsgrenzflächen die gewünschte Top-Hat-Winkelverteilung aufweist. Transformation interfaces that can cause such a transformation of the profile of the laser beam 1, so that the laser beam. 1 after passing through the transformation interfaces has the desired top hat angle distribution.
Die Scanvorrichtung weist darüber hinaus Scanmittel auf, die im Strahlweg des Laserstrahls 1 hinter den The scanning device furthermore has scanning means which are located behind the beam path of the laser beam 1 behind the beam path
Wellenfronttransformationsmitteln 3 angeordnet sind. Die Scanmittel umfassen einen drehbaren Spiegel 5 und ansteuerbare (aus Wavefront transformation means 3 are arranged. The scanning means comprise a rotatable mirror 5 and controllable (off
Vereinfachungsgründen lediglich schematisch durch Pfeile Simplification reasons only schematically by arrows
symbolisierte) Aktuatormittel 7, 8 die mit dem drehbaren Spiegel 5 gekoppelt sind. Die Aktuatormittel 7, 8 sind dazu in der Lage, den drehbaren Spiegel 5 um zwei zueinander orthogonale Drehachsen zu drehen, um dadurch den Laserstrahl 1 in der weiter unten symbolized) actuator means 7, 8 which are coupled to the rotatable mirror 5. The actuator means 7, 8 are able to rotate the rotatable mirror 5 about two mutually orthogonal axes of rotation, thereby the laser beam 1 in the below
beschriebenen Weise abzulenken. Eine erste Drehachse des Spiegels 5 erstreckt sich dabei vorzugsweise parallel zur x-Achse und eine zweite Drehachse erstreckt sich vorzugsweise parallel zur y-Achse. divert the way described. A first axis of rotation of the mirror 5 preferably extends parallel to the x-axis and a second axis of rotation preferably extends parallel to the y-axis.
Weiterhin umfasst die Scanvorrichtung ein Objektivmittel 4, welches im Strahlweg des Laserstrahls 1 zwischen dem Spiegel 5 und der Arbeitsebene 2 angeordnet ist. Das Objektivmittel 4 umfasst eine Mehrzahl von Linsenmitteln 40, 41, 42, 43, die im Strahlenweg des Laserstrahls 1 hintereinander angeordnet sind. Das Objektivmittel 4 kann vorzugsweise als F-Theta-Objektivmittel ausgebildet sein. Das bedeutet, dass das Objektivmittel 4 eine F-Theta-Funktion erfüllen kann, so dass die Strahlhöhe in der Arbeitsebene 2 unmittelbar vom Scanwinkel und nicht von dessen Tangens abhängt. Furthermore, the scanning device comprises an objective means 4, which is arranged in the beam path of the laser beam 1 between the mirror 5 and the working plane 2. The lens means 4 comprises a plurality of lens means 40, 41, 42, 43, which are arranged one behind the other in the beam path of the laser beam 1. The objective means 4 may preferably be designed as F-theta objective means. This means that the objective means 4 can fulfill an F-theta function, so that the beam height in the working plane 2 depends directly on the scanning angle and not on its tangent.
Bei einer Ausbildung des Objektivmittels 4 als F-Theta-Objektivmittel ist es möglich, in der Arbeitsebene 2 ein großes planes Bildfeld zu erzeugen. Das F-Theta-Objektivmittel ist dazu in der Lage, den Fokus des Laserstrahls 1 im gesamten Scanfeld in der Arbeitsebene 2 zu halten. Durch eine Fernfeldabbildung (oder Fouriertransformation) mit Hilfe des Objektivmittels 2 wird der Laserstrahl 1 mit Top-Hat- Winkelverteilung in die Arbeitsebene 2 transformiert, in der eine Top- Hat-Intensitätsverteilung erhalten wird. Das Objektivmittel 4 arbeitet somit nicht strahlabbildend. Aufgrund der Fouriertransformation der Wellenfront des Laserstrahls 1 existiert folglich auch keine Bildebene. Das F-Theta-Objektivmittel kann in einer vorteilhaften Variante auch telezentrisch ausgebildet sein. Ein telezentrisches F-Theta- Objektivmittel ist in vorteilhafter Weise ebenfalls dazu in der Lage, den Fokus des Laserstrahls 1 im gesamten Scanbereich in der When forming the objective means 4 as an F-theta objective means, it is possible to produce a large plane image field in the working plane 2. The F-theta objective means is capable of keeping the focus of the laser beam 1 in the working plane 2 in the entire scan field. By means of a far-field imaging (or Fourier transformation) with the aid of the objective means 2, the laser beam 1 with top hat angle distribution is transformed into the working plane 2, in which a top view Hat intensity distribution is obtained. The lens means 4 thus does not work jet imaging. Consequently, due to the Fourier transformation of the wavefront of the laser beam 1, no image plane exists. The F-theta objective means may also be telecentric in an advantageous variant. A telecentric F-theta lens means is also advantageously able to control the focus of the laser beam 1 in the entire scan area in the
Arbeitsebene 2 zu halten. Ein weiterer Vorteil eines telezentrischen F- Theta-Objektivmittels besteht darin, dass es den Laserstrahl 1 senkrecht zum Scanbereich der Arbeitsebene 2 halten kann. Diese Eigenschaft ist insbesondere dann von Vorteil, wenn im konkreten Anwendungsfall ein schräg zu einem in der Arbeitsebene 2 Work level 2 to hold. Another advantage of a telecentric F-theta objective means is that it can keep the laser beam 1 perpendicular to the scan area of the working plane 2. This property is particularly advantageous if, in the concrete application, an oblique to one in the working level. 2
angeordneten Werkstück einfallender Laserstrahl 1 unerwünscht ist, wie es zum Beispiel bei zahlreichen Anwendungen in der arranged workpiece incident laser beam 1 is undesirable, as for example in numerous applications in the
Materialbearbeitung der Fall ist. Material processing is the case.
Der drehbare Spiegel 5 ist so im Strahlengang der Scanvorrichtung angeordnet, dass der Schnittpunkt seiner beiden Drehachsen und damit derjenige Drehpunkt 9, um den sich der Spiegel 5 effektiv drehen kann, in der Pupillenebene 6 des Objektivmittels 4 liegt. Die Aktuatormittel 7, 8 können piezoelektrisch ausgeführt sein und ein oder mehrere Piezo-Elemente umfassen, an dem/denen der Spiegel 5 aufgehängt ist und die die Drehbewegung des Spiegels 5 um die beiden Drehachsen bewirken können. Alternativ können die The rotatable mirror 5 is arranged in the beam path of the scanning device, that the intersection of its two axes of rotation and thus that pivot point 9 by which the mirror 5 can rotate effectively, in the pupil plane 6 of the lens means 4 is located. The actuator means 7, 8 may be designed piezoelectrically and comprise one or more piezo elements on which / the mirror 5 is suspended and which can cause the rotational movement of the mirror 5 about the two axes of rotation. Alternatively, the
Aktuatormittel 7, 8 auch elektromagnetisch ausgebildet sein und elektromagnetische Spulen umfassen, die so ausgebildet und derart mit dem Spiegel 5 gekoppelt sind, dass sie die Drehbewegung des Spiegels 5 um die beiden Drehachsen bewirken können. Durch diese optimierte Position des Drehpunkts 9 des Spiegels 5 in der Actuator 7, 8 also be formed electromagnetically and electromagnetic coils include, which are formed and coupled to the mirror 5 so that they can cause the rotational movement of the mirror 5 about the two axes of rotation. By this optimized position of the pivot point 9 of the mirror 5 in the
Pupillenebene 6 des Objektivmittels 4 können insbesondere die Pupillenebene 6 of the lens means 4 may in particular the
Verzeichnungen für so genannte„off-axis"-Strahlen minimiert werden. In vorteilhafter Weise soll die verbleibende Restverzeichnung für einen bestimmten Scanwinkel um die erste Drehachse identisch (oder zumindest nahezu identisch) zu der Verzeichnung bei identischem Scanwinkel um die zweite Drehachse sein. Mit 1' ist in Fig. 1 ein von dem drehbaren Spiegel 5 abgelenkter Laserstrahl bezeichnet, der das Scannen über die Arbeitsebene 2 veranschaulichen soll. The remaining residual distortion for a particular scan angle about the first axis of rotation should be identical (or at least nearly identical) to the distortion at identical scanning angle about the second axis of rotation. 1 'denotes in FIG. 1 a laser beam deflected by the rotatable mirror 5, which is intended to illustrate scanning over the working plane 2.
Mit Hilfe der hier vorgestellten Scanvorrichtung ist es in vorteilhafter Weise möglich, einen Laserstahl 1 mit einem Top-Hat-Profil derart in der Arbeitsebene 2 zu scannen, dass das Top-Hat-Profil in beiden Richtungen zumindest weitestgehend symmetrisch erhalten bleibt, da die Verformungen des Top-Hat-Profils beim Scannen über ein With the help of the scanning device presented here, it is advantageously possible to scan a laser steel 1 with a top hat profile in the working plane 2 in such a way that the top hat profile remains at least largely symmetrical in both directions, since the deformations of the Top Hat profile when scanning over
Werkstück in der Arbeitsebene 2 gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert werden können. Typische Abstände zwischen dem Drehpunkt 9 des Spiegels 5 (und damit der Pupillenebene 6) und der Ebene der im Strahlweg ersten Linse 40 des Objektivmittels 4 liegen typischerweise bei etwa 10 bis 100 mm. Typische Arbeitsabstände zwischen der Linsenoberfläche der im Strahlweg letzten Linse 43 des Objektivmittels 4 und der Arbeitsebene 2 liegen im Bereich von 100 bis 1000 mm. Workpiece in the working plane 2 over the prior art can be significantly reduced. Typical distances between the pivot point 9 of the mirror 5 (and thus the pupil plane 6) and the plane of the first lens 40 in the beam path of the objective means 4 are typically about 10 to 100 mm. Typical working distances between the lens surface of the last lens 43 in the beam path of the objective means 4 and the working plane 2 are in the range of 100 to 1000 mm.
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