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DE102008048502A1 - Optical device for focusing laser beam in a laser processing head for material processing, comprises collimator, a first and second lens group movably arranged in axial direction, and front lens group stationary arranged to the collimator - Google Patents

Optical device for focusing laser beam in a laser processing head for material processing, comprises collimator, a first and second lens group movably arranged in axial direction, and front lens group stationary arranged to the collimator Download PDF

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DE102008048502A1
DE102008048502A1 DE102008048502A DE102008048502A DE102008048502A1 DE 102008048502 A1 DE102008048502 A1 DE 102008048502A1 DE 102008048502 A DE102008048502 A DE 102008048502A DE 102008048502 A DE102008048502 A DE 102008048502A DE 102008048502 A1 DE102008048502 A1 DE 102008048502A1
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Germany
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lens group
collimator
relative
front lens
laser beam
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Ceased
Application number
DE102008048502A
Other languages
German (de)
Inventor
Jörg Dr.rer.nat. Bernges
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Precitec KG
Original Assignee
Precitec KG
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Publication date
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Publication of DE102008048502A1 publication Critical patent/DE102008048502A1/en
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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Abstract

The optical device comprises a collimator (18), a first and second lens group (21, 22) movably arranged in axial direction, and a front lens group (23) that is stationary arranged relative to the collimator. The movably arranged lens groups are formed so that the axial position of the processing focus (16) relative to the front lens group is adjustable through its displacement without changing the magnification. The second movable lens group comprises a positive focal length while the first movable lens group and the front lens group posses a negative focal length. The optical device comprises a collimator (18), a first and second lens group (21, 22) movably arranged in axial direction, and a front lens group (23) that is stationary arranged relative to the collimator. The movably arranged lens groups are formed so that the axial position of the processing focus (16) relative to the front lens group is adjustable through its displacement without changing the magnification. The second movable lens group comprises a positive focal length while the first movable lens group and the front lens group posses a negative focal length. A servomotor is arranged for displacing the first and the second movable lens group. The actuating drive provided by the servo motor transmits one of the movable lens group over a drive arrangement to another movable lens group so that the movable lens groups are displaced relative to each other in displacement of the lens group relative to the front lens group. The servo motor is arranged between the movable lens groups and is controllable dependent upon the movement of other servo motor.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls in einen Arbeitsfokus, insbesondere zur Fokussierung eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungskopf zur Materialbearbeitung.The The invention relates to an optical device for focusing a Laser beam in a working focus, especially for focusing a laser beam in a laser processing head for material processing.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung ist es oft erforderlich, dass die Lage des Arbeitsfokus relativ zu einem Laserbearbeitungskopf verändert wird, je nachdem ob größere oder kleinere Abstände zwischen Werkstück und Laserbearbeitungskopf erforderlich sind. Bei der Einstellung der Fokuslage relativ zum Laserbearbeitungskopf sollte sich dabei der Durchmesser des Arbeitsfokus nicht ändern, sodass bei gleicher Laserleistung die Leistungsdichte im Arbeitsfokus konstant ist.at the machining of workpieces by means of laser radiation Often it is necessary that the location of the work focus is relative changed to a laser processing head, as appropriate whether larger or smaller distances between Workpiece and laser processing head are required. When adjusting the focus position relative to the laser processing head should the diameter of the working focus does not change so with the same laser power, the power density in the working focus is constant.

Aus der DE 41 43 414 ist ein Laserbearbeitungskopf bekannt, bei dem eine Fokussierlinse in Richtung der optischen Achse verschiebbar ist, wodurch die Lage des Arbeitsfokus relativ zum Laserbearbeitungskopf verändert werden kann, ohne dass dabei eine Änderung der Leistungsdichte erfolgt. Hier ist jedoch der Verstellbereich für den Arbeitsfokus relativ klein, da er dem mechanischen Verstellweg der Fokussierlinse entspricht.From the DE 41 43 414 a laser processing head is known in which a focusing lens is displaceable in the direction of the optical axis, whereby the position of the working focus relative to the laser processing head can be changed without causing a change in the power density. Here, however, the adjustment range for the working focus is relatively small, since it corresponds to the mechanical adjustment path of the focusing lens.

Um bei einem Laserbearbeitungskopf einen größeren Verstellweg für den Arbeitsfokus zu erreichen, schlägt die WO 2008/019681 A1 vor, an Stelle einer einzelnen Fokussierlinse ein Linsensystem einzusetzen, bei dem Abstände der einzelnen Linsengruppen relativ zueinander variabel sind, um dadurch den Arbeitsfokus entlang der optischen Achse des Systems zu verschieben.In order to achieve a larger adjustment path for the working focus in a laser processing head, suggests the WO 2008/019681 A1 instead of using a single focusing lens, a lens system in which distances of the individual lens groups are variable relative to each other, thereby to shift the working focus along the optical axis of the system.

Die bekannte optische Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls weist einen Kollimator auf, der das aus einer optischen Faser austretende Laserlicht in einen aufgeweiteten parallelen Laserstrahl kollimiert. Die Vorrichtung zur Fokussierung des kollimierten Laserstrahls umfasst eine erste Linsengruppe mit sammelnder Wirkung, die entlang der optischen Achse verschiebbar ist, eine zweite Linsengruppe mit zerstreuender Wirkung, also mit negativer Brechkraft sowie eine vierte Linsengruppe, die wiederum sammelnde Wirkung, also eine positive Brechkraft besitzt. Die dritte und vierte Linsengruppe sind dabei relativ zueinander und zum Laserbearbeitungskopf feststehend angeordnet.The known optical device for focusing a laser beam has a collimator that emits the laser light emerging from an optical fiber collimated into an expanded parallel laser beam. The device for focusing the collimated laser beam comprises a first Lens group with collecting effect, along the optical axis is displaceable, a second lens group with dissipative effect, So with negative refractive power and a fourth lens group, in turn collecting effect, that has a positive refractive power. The third and fourth lens group are relative to each other and to the laser processing head fixedly arranged.

Alternativ dazu kann bei dem aus der WO 2008/019681 A1 bekannten optischen Vorrichtung zur Fokussierung eines Arbeitslaserstrahls auch die erste Linsengruppe fixiert sein, während die zweite Linsengruppe relativ zur ersten und dritten axial verschiebbar ist.Alternatively, in which from the WO 2008/019681 A1 known optical device for focusing a working laser beam and the first lens group to be fixed while the second lens group is axially displaceable relative to the first and third.

Um bei gleichem Abstand zwischen einem Objekt und einer festen Bildebene das Objekt mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben jeweils scharf abbilden zu können, ist es in der Fotografie bekannt, Zoomobjektive einzusetzen. Bei derartigen Zoomobjektiven, wie sie beispielsweise aus der US 4,591,235 A oder der US 4,846,562 A bekannt sind, sind vier Linsengruppen vorgesehen, die abwechselnd negative und positive Brechkraft besitzen. Während die dritte Linsengruppe bei diesen bekannten Zoomobjektiven stationär ist, können die erste, die zweite sowie die vierte Linsengruppe entlang der optischen Achse bewegt werden, sodass die Luftzwischenräume zwischen den einzelnen Linsengruppen variabel sind.In order for the same distance between an object and a fixed image plane to be able to image the object with different image scales in each case sharply, it is known in photography to use zoom lenses. In such zoom lenses, as for example from the US 4,591,235 A or the US 4,846,562 A are known, four lens groups are provided, which have alternately negative and positive power. While the third lens group is stationary in these known zoom lenses, the first, second, and fourth lens groups can be moved along the optical axis, so that the air gaps between the individual lens groups are variable.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere optische Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls in einen Arbeitsfokus bereit zu stellen, mit der es ermöglicht wird, die Lage des Arbeitsfokus entlang der optischen Achse zu verschieben, ohne dabei, gleichbleibende Laserleistung vorausgesetzt, die Leistungsdichte im Arbeitsfokus zu ändern.From that Based on the object of the invention, another optical device for focusing a laser beam into a Provide a work focus that will enable to shift the position of the working focus along the optical axis, without, assuming consistent laser power, the power density to change in the working focus.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.These Task is achieved by the device according to claim 1 solved. Advantageous embodiments and developments The invention are described in the subclaims.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass zwischen einem Kollimator und einer Frontlinsengruppe, die relativ zum Kollimator feststehend angeordnet ist, eine erste und eine zweite in axialer Richtung verschiebbare Linsengruppe vorgesehen ist, wobei die beweglich angeordneten Linsengruppen so ausgebildet sind, dass durch ihre Verschiebung die axiale Lage des Arbeitsfokus relativ zur Frontlinsengruppe einstellbar ist, ohne dass sich dabei die Vergrößerung verändert.According to the invention so provided that between a collimator and a front lens group, which is fixed relative to the collimator, a first and a second axially displaceable lens group is, wherein the movably arranged lens groups are formed are that by their displacement, the axial position of the working focus relative to the front lens group is adjustable, without affecting it the magnification changed.

Erfindungsgemäß wird also durch die Verschiebung der beiden innen liegenden Linsengruppen relativ zueinander und relativ zum Kollimator und zur Frontlinsengruppe einerseits die Lage des Arbeitsfokus auf der optischen Achse verschoben, während andererseits der Fokusdurchmesser und damit die Leistungsdichte im Arbeitsfokus konstant gehalten wird, da trotz der Verschiebung des Arbeitsfokus die Gesamtvergrößerung des Systems gleich bleibt.According to the invention So by the displacement of the two inner lens groups relative to each other and relative to the collimator and the front lens group on the one hand shifted the position of the working focus on the optical axis while on the other hand, the focus diameter and thus the power density in the work focus is kept constant, despite the shift the working focus the overall magnification of the system stays the same.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite verschiebbare Linsengruppe eine positive Brennweite aufweist, während die erste verschiebbare Linsengruppe und die Frontlinsengruppe jeweils eine negative Brennweite besitzen. Hierdurch wird nicht nur erreicht, dass sich Abbildungsfehler des Gesamtsystems besser kompensieren lassen, sondern dass sich auch die Energiedichte innerhalb der erfindungsgemäßen Fokussiervorrichtung geringhalten lässt.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the second displaceable lens group has a positive focal length, while the first displaceable lens group and the front lens group each have a negative focal length. This not only ensures that aberrations of the overall system can be better compensated, but that the energy density within the Fo lowers kussiervorrichtung.

Zweckmäßiger Weise ist zur Verschiebung der ersten und der zweiten verschiebbaren Linsengruppe zumindest ein Stellmotor vorgesehen.Appropriately Way is to shift the first and the second displaceable Lens group provided at least one servomotor.

Hierbei ist es möglich, dass der vom Stellmotor gelieferte Stellantrieb für die eine verschiebbare Linsengruppe über eine Getriebeanordnung auch zur anderen verschiebbaren Linsengruppe übertragen wird, so dass bei einer Verschiebung der Linsengruppen relativ zur Frontlinsengruppe die verschiebbaren Linsengruppen auch relativ zueinander verschoben werden. Der Einsatz einer Getriebeanordnung, der es ermöglicht, beide Linsengruppen nicht nur relativ zur Frontlinse und zum Kollimator, sondern auch relativ zueinander zu verschieben, führt zu einer einfachen Ansteuerung des erfindungsgemäßen Fokussierungssystems. Als Getriebeanordnung kann dabei jedes die gewünschte Verschiebung ermöglichende Getriebe, wie z. B. Kurvengetriebe mit Kurvenscheiben verwendet werden. Es können aber auch Getriebe mit entsprechenden Führungsnuten und Nutenfolgern eingesetzt werden.in this connection It is possible that the actuator supplied by the servomotor for a sliding lens group over a Transmission arrangement is also transmitted to the other displaceable lens group, so that with a shift of the lens groups relative to the front lens group the displaceable lens groups are also displaced relative to each other. The use of a gear arrangement that makes it possible both lens groups not only relative to the front lens and the collimator, but also to shift relative to each other leads to a simple control of the invention Focusing system. As gear arrangement can each of the desired displacement enabling transmissions, such as B. cam mechanism can be used with cams. It but can also gear with corresponding guide grooves and groove successors are used.

Je nach Aufbau des Laserbearbeitungskopfes, für den die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen ist, kann es aber auch zweckmäßig sein, wenn für jede der beiden verschiebbaren Linsengruppen ein eigener Stellmotor vorgesehen ist, wobei vorzugsweise der eine Stellmotor in Abhängigkeit von der Bewegung des anderen Stellmotors steuerbar ist. Hierdurch lässt sich der mechanische Aufbau der Vorrichtung wesentlich vereinfachen.ever after construction of the laser processing head for which the invention Device is provided, but it may also be appropriate be if for each of the two sliding lens groups a separate servo motor is provided, preferably one Actuator depending on the movement of the other Servomotor is controllable. This allows the mechanical Considerably simplify the construction of the device.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below, for example, with reference to the drawing explained in more detail. Show it:

1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes zu Materialbearbeitung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu Fokussierung des Laserstrahls; 1 a greatly simplified schematic representation of a laser processing head for material processing with a device according to the invention for focusing the laser beam;

2 eine vereinfachte schematische Darstellung der einzelnen Linsengruppen der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und 2 a simplified schematic representation of the individual lens groups of the device according to the invention; and

3 ein nicht maßstäbliches Diagramm zur Veranschaulichung der Linsenstellungen entlang der optischen Achse mit der zugehörigen Lage des Arbeitsfokus. 3 a not to scale diagram illustrating the lens positions along the optical axis with the associated position of the working focus.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichem Bezugszeichen versehen.In The various figures of the drawing are corresponding to each other Components provided with the same reference numerals.

Wie in 1 rein schematisch gezeigt ist, ist in einem Laserbearbeitungskopf 10 als optische Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls 11 eine Objektivanordnung 12 vorgesehen, die eine Laserlichtquelle 14 auf ein Werkstück 15 abbildet. Das Bild der Laserlichtquelle 14 stellt dabei den Arbeitsfokus 16 dar, in dem die Laserstrahlung mit dem Werkstück 15 wechselwirkt.As in 1 is shown purely schematically is in a laser processing head 10 as an optical device for focusing a laser beam 11 a lens arrangement 12 provided, which is a laser light source 14 on a workpiece 15 maps. The image of the laser light source 14 puts the working focus 16 in which the laser radiation with the workpiece 15 interacts.

Als Laserlichtquelle 14 dient im dargestellten Ausführungsbeispiel die Austrittsfläche einer optischen Faser 17, durch die die Laserstrahlung von einem Laser (nicht dargestellt) dem Laserbearbeitungskopf 10 zugeführt wird.As a laser light source 14 serves in the illustrated embodiment, the exit surface of an optical fiber 17 , by which the laser radiation from a laser (not shown) the laser processing head 10 is supplied.

Die Objektivanordnung 12 umfasst als Grundobjektiv einen Kollimator 18, der den aus der optischen Faser 17 austretenden, divergenten Laserstrahl 11 in einen parallelen Laserstrahl 11'' kollimiert. In Lichtrichtung gesehen hinter dem Kollimator 18 ist im parallelen Laserstrahl 11'' ein Strahlteiler 19 angeordnet, der dazu dient, Strahlung, die aus dem Bereich der Wechselwirkungszone um den Arbeitsfokus 16 herum einfällt, aus dem Arbeitsstrahlengang auszukoppeln und über ein Anschlusselement 20 einem oder mehreren Sensor- und/oder Beobachtungsmodulen zuzuführen.The lens arrangement 12 includes as a basic objective a collimator 18 that's out of the optical fiber 17 emerging, divergent laser beam 11 in a parallel laser beam 11 '' collimated. Seen in the light direction behind the collimator 18 is in the parallel laser beam 11 '' a beam splitter 19 arranged to serve radiation from the area of the interaction zone around the working focus 16 comes around, decouple from the working beam path and a connection element 20 supply one or more sensor and / or observation modules.

Hinter dem Strahlteiler 19 ist als erste in axialer Richtung verschiebbar angeordnete Linsengruppe ein Korrekturglied 21 mit negativer Brechkraft vorgesehen, dem als zweite in axialer Richtung verschiebbar angeordnete Linsengruppe ein Variator 20 mit positiver Brechkraft folgt. Der werkstückseitige Abschluss der Objektivanordnung 12 wird von einer Frontlinsengruppe 23 mit negativer Brechkraft gebildet, die in nicht näher dargestellter Weise ein dem Werkstück 15 gegenüberliegendes Schutzglas aufweisen kann.Behind the beam splitter 19 is the first axially displaceably arranged in the lens group a correction element 21 provided with negative refractive power, the second axially displaceably arranged in the lens group a variator 20 with positive refractive power follows. The workpiece end of the lens assembly 12 is from a front lens group 23 formed with negative refractive power, in a manner not shown a the workpiece 15 may have opposite protective glass.

Anstelle einer optischen Faser 17 kann jedes andere Strahlführungssystem vorgesehen sein, um den Laserstrahl vom Laser zum Laserbearbeitungskopf 10 zu führen. Liefert das verwendete Strahlführungssystem bereits einen parallelen Laserstrahl, so kann auf den Kollimator 18 verzichtet werden. Anderenfalls muss das Grundobjektiv entsprechend angepasst werden, um im Bereich des Laserbearbeitungskopfes einen parallelen Laserstrahl 11'' zu erhalten.Instead of an optical fiber 17 Any other beam guiding system may be provided to move the laser beam from the laser to the laser processing head 10 respectively. If the beam delivery system used already provides a parallel laser beam, then the collimator can be used 18 be waived. Otherwise, the basic objective must be adapted accordingly to a parallel laser beam in the area of the laser processing head 11 '' to obtain.

Während der Kollimator 18 und die Frontlinsengruppe 23 im Laserbearbeitungskopf 10 fest angeordnet sind, sind das Korrekturglied 21 und der Variator 22 axial, also in Richtung der optischen Achse die Objektivanordnung 12 verschiebbar gelagert.While the collimator 18 and the front lens group 23 in the laser processing head 10 are fixed, are the correction member 21 and the variator 22 axially, ie in the direction of the optical axis, the objective arrangement 12 slidably mounted.

Zur Verschiebung des Korrekturglieds 21 und des Variators 22 sind zwei Stellmotoren 24, 25 vorgesehen, von denen der eine Stellmotor von einer nicht dargestellten Steuervorrichtung angesteuert wird, um eine der beiden beweglich angeordneten Linsengruppen zu verschieben. Der andere Stellmotor wird dann in Abhängigkeit von der Betätigung des ersten Stellmotors gesteuert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient der den Variator 22 bewegende Stellmotor 25 als unmittelbar gesteuerter Stellmotor (Master), während der das Korrekturglied 21 verschiebende Stellmotor 24 in Abhängigkeit vom Stellmotor 25 gesteuert wird und damit als sogenannter Slave arbeitet. Es ist jedoch grundsätzlich auch denkbar, dass die Master-Slave-Funktion der beiden Stellmotoren vertauscht wird.For shifting the correction element 21 and the variator 22 are two servomotors 24 . 25 provided, of which a servomotor is driven by a control device, not shown, to move one of the two movably arranged lens groups. The other Stellmo Tor is then controlled in response to the operation of the first servomotor. In the illustrated embodiment of the serves the variator 22 moving servomotor 25 as an immediately controlled servomotor (master), during which the correction element 21 shifting servomotor 24 depending on the servomotor 25 is controlled and thus works as a so-called slave. However, it is also conceivable that the master-slave function of the two servomotors is reversed.

Ferner ist es möglich, nur einen Stellmotor zur Verschiebung von beiden Linsengruppen vorzusehen. In diesem Fall wird eine der beiden Linsengruppen direkt angetrieben, während die andere verschiebbare Linsengruppe über eine Getriebeanordnung (nicht dargestellt) verschoben wird.Further It is possible to use only one servomotor for shifting provide for both lens groups. In this case, one of the two Lens groups are driven directly, while the other is displaceable Lens group via a gear arrangement (not shown) is moved.

Um den Arbeitsfokus 16 aus der in 2 dargestellten Zwischenlage P16 näher an den Laserbearbeitungskopf zu verlegen oder ihn davon weiter weg zu verschieben, ist zunächst der Variator 22 entsprechend der in 3 dargestellten Kurve V in –x-Richtung, also entgegen der Lichtrichtung beziehungsweise in +x-Richtung also in Lichtrichtung zu verschieben. Das ist aus in 3 der dargestellten Position P21 auf der Kurve K in beiden Fällen in –x-Richtung zu verschieben.To the work focus 16 from the in 2 To move laid intermediate layer P16 closer to the laser processing head or to move it further away, is initially the variator 22 according to the in 3 shown curve V in the -x direction, ie opposite to the direction of light or in the + x direction so to move in the direction of light. That's out in 3 the position P21 shown on the curve K in both cases in the -x direction to move.

Mit andern Worten, wenn der Arbeitsfokus 16 aus der Nahstellung N, die in 3 auf der x-Achse liegend angedeutet ist, über die Zwischenposition P16 in die Fernstellung N verschoben werden soll, wird der Variator 22 und das Korrekturglied 21 zunächst aus ihrer in der Zeichnung am weitesten links liegenden Position in Strahlrichtung entsprechend der Kurven V beziehungsweise K verschoben, wobei sich auch der Arbeitsfokus entsprechend der Kurve AF in 3 verschiebt. Für eine weitere Verschiebung des Arbeitsfokus in Richtung der Fernstellung AF wird über die Zwischenposition P22 hinaus der Variator 22 weiter in Strahlrichtung verschoben, während nunmehr das Korrekturglied 21 entsprechend der Kurve K in Richtung seiner Ausgangsposition zurückgeführt wird.In other words, when the work focus 16 from the near position N, in 3 lying on the x-axis is indicated to be moved over the intermediate position P16 in the remote position N, the variator 22 and the correction term 21 first shifted from its leftmost position in the drawing in the beam direction according to the curves V and K, wherein also the working focus corresponding to the curve AF in 3 shifts. For a further shift of the working focus in the direction of the remote position AF beyond the intermediate position P22 beyond the variator 22 moved further in the beam direction, while now the correction element 21 is returned according to the curve K in the direction of its initial position.

Es ist zu beachten, dass in 3 der Maßstab auf der x-Achse für die Verschiebung der beiden Linsengruppen und des Arbeitsfokus aus zeichnungstechnischen Gründen unterschiedlich gewählt ist. Wird beispielsweise die negative Brechkraft des Korrekturgliedes 21 so gewählt, dass seine Brennweite im Bereich von –700 mm bis –750 mm liegt, während die positive Brechkraft des Variators 22 eine Brennweite von +300 mm bis +350 mm liefert und die Frontlinsengruppe 23 eine Brennweite im Bereich von –670 bis –720 aufweist, kann eine Verschiebung des Arbeitsfokus um 800 bis 900 mm erzielt werden. Die Verschiebung des Korrekturglieds 21 liegt dabei im Bereich zwischen 25 und 30 mm, und die Verschiebung des Variators 22 liegt im Bereich von 200 bis 250 mm.It should be noted that in 3 the scale on the x-axis is chosen differently for the displacement of the two lens groups and the working focus for drawing reasons. If, for example, the negative refractive power of the correction element 21 chosen so that its focal length is in the range of -700 mm to -750 mm, while the positive refractive power of the variator 22 a focal length of +300 mm to +350 mm supplies and the front lens group 23 has a focal length in the range of -670 to -720, a shift of the working focus by 800 to 900 mm can be achieved. The shift of the correction term 21 lies in the range between 25 and 30 mm, and the displacement of the variator 22 is in the range of 200 to 250 mm.

Die Verwendung einer Zerstreungslinse oder Zerstreungslinsengruppe als Korrekturglied 21 führt im Laserbearbeitungskopf zu einem erweiterten Strahlquerschnitt, sodass im Variator 22 eine geringere Energiedichte vorliegt, was zu einer geringeren thermischen Belastung führt. Außerdem lassen sich auf diese Weise Abbildungsfehler besser korrigieren.The use of a dissipating lens or dispersing lens group as a correction element 21 leads in the laser processing head to an extended beam cross-section, so that in the variator 22 a lower energy density is present, which leads to a lower thermal load. In addition, aberrations can be better corrected in this way.

Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls ermöglicht es somit, den Abstand zwischen der Laserlichtquelle 14, also zwischen dem Faserende und dem Arbeitsfokus über einen weiten Bereich zu variieren, um dadurch die Arbeitsabstände zwischen Laserbearbeitungskopf 14 und Werkstück 15 an die jeweiligen Bearbeitungsaufgaben, Werkstückformen und dergleichen anpassen zu können, ohne dass sich dabei der Abbildungsmaßstab also die Energiedichte im Arbeitsfokus ändert.The optical device according to the invention for focusing a laser beam thus makes it possible to adjust the distance between the laser light source 14 So to vary between the fiber end and the working focus over a wide range, thereby the working distances between the laser processing head 14 and workpiece 15 to be able to adapt to the respective processing tasks, workpiece shapes and the like, without thereby the magnification so the energy density changes in the working focus.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 4143414 [0003] - DE 4143414 [0003]
  • - WO 2008/019681 A1 [0004, 0006] - WO 2008/019681 A1 [0004, 0006]
  • - US 4591235 A [0007] - US 4591235 A [0007]
  • - US 4846562 A [0007] - US 4846562 A [0007]

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Optische Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls (11) in einen Arbeitsfokus (16), insbesondere zur Fokussierung eines Laserstrahls (11) in einem Laserbearbeitungskopf (10) zur Materialbearbeitung, mit – einem Kollimator (18), – einer ersten und einer zweiten in axialer Richtung verschiebbar angeordneten Linsengruppe (21, 22) und – mit einer Frontlinsengruppe (23), die relativ zum Kollimator (18) feststehend angeordnet ist, wobei die beweglich angeordneten Linsengruppen (21, 22) so ausgebildet sind, dass durch ihre Verschiebung die axiale Lage des Arbeitsfokus (16) relativ zur Frontlinsengruppe (23) einstellbar ist, ohne dass sich dabei die Vergrößerung verändert.Optical device for focusing a laser beam ( 11 ) into a working focus ( 16 ), in particular for focusing a laser beam ( 11 ) in a laser processing head ( 10 ) for material processing, with - a collimator ( 18 ), - a first and a second axially displaceably arranged lens group ( 21 . 22 ) and - with a front lens group ( 23 ) relative to the collimator ( 18 ) is arranged stationary, wherein the movably arranged lens groups ( 21 . 22 ) are formed so that by their displacement, the axial position of the working focus ( 16 ) relative to the front lens group ( 23 ) is adjustable without changing the magnification. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite verschiebbare Linsengruppe (22) eine positive Brennweite aufweist, während die erste verschiebbare Linsengruppe (21) und die Frontlinsengruppe (23) jeweils eine negative Brennweite besitzen.Device according to claim 1, characterized in that the second displaceable lens group ( 22 ) has a positive focal length while the first displaceable lens group ( 21 ) and the front lens group ( 23 ) each have a negative focal length. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verschiebung der ersten und der zweiten verschiebbaren Linsengruppe (21, 22) zumindest ein Stellmotor (24, 25) vorgesehen ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that for the displacement of the first and the second displaceable lens group ( 21 . 22 ) at least one servomotor ( 24 . 25 ) is provided. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Stellmotor (24) gelieferte Stellantrieb für die eine verschiebbare Linsengruppe (21, 22) über eine Getriebeanordnung zur anderen verschiebbaren Linsengruppe (22, 21) übertragen wird, so dass bei einer Verschiebung der Linsengruppen (21, 22) relativ zur Frontlinsengruppe (23) die verschiebbaren Linsengruppen (21, 22) auch relativ zueinander verschoben werden.Apparatus according to claim 3, characterized in that the of the servomotor ( 24 ) supplied actuator for the one displaceable lens group ( 21 . 22 ) via a gear arrangement to the other displaceable lens group ( 22 . 21 ) is transferred so that when a shift of the lens groups ( 21 . 22 ) relative to the front lens group ( 23 ) the displaceable lens groups ( 21 . 22 ) are also shifted relative to each other. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der beiden verschiebbaren Linsengruppen (21, 22) ein eigener Stellmotor (24, 25) vorgesehen ist.Apparatus according to claim 3, characterized in that for each of the two displaceable lens groups ( 21 . 22 ) an own servomotor ( 24 . 25 ) is provided. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Stellmotor (24, 25) in Abhängigkeit von der Bewegung des anderen Stellmotors (25, 24) steuerbar ist.Apparatus according to claim 5, characterized in that the one servomotor ( 24 . 25 ) in dependence on the movement of the other servomotor ( 25 . 24 ) is controllable.
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