DE102022127259B4 - Method and apparatus for focusing a beam onto an object and method for creating an opening in a workpiece using this method - Google Patents
Method and apparatus for focusing a beam onto an object and method for creating an opening in a workpiece using this methodInfo
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Abstract
Verfahren zum Abbilden wenigstens eines Strahls (1) einer elektromagnetischen Strahlung auf ein Objekt (2), wobei der Strahl (1) über dessen Strahlengang (3) durch eine optische Anordnung (4) mittels eines optischen Scannersystems (5) der optischen Anordnung (4), aufweisend wenigstens zwei optische Scanner (6), zumindest zweimal mit vorgegebenem und/oder vorgebbarem, variablem Winkel, jeweils den Strahlengang (3) des Strahls (1) verändernd, abgelenkt wird und der Strahl (1) zwischen einer jeweiligen Ablenkung keiner Brechung unterliegt, der Strahl (1) nach dessen Ablenkung zudem mittels einer Abbildungsoptik (7) auf das Objekt (2) abgebildet und durch das Abbilden mittels der Abbildungsoptik (7) ein Fokusbereich (8) des Strahls (1) auf und/oder in das Objekt (2) gelegt wird, mittels des Scannersystems (5) zudem wenigstens eine Schwenkbewegung eines aus dem Scannersystem (5) austretenden Strahlabschnitts (9) des Strahls (1) erzeugt wird und die Schwenkbewegung und/oder zumindest eine Drehbewegung (15) um den Pivotpunkt (10) eine Bewegung des Fokusbereichs (8) in zumindest eine Raumrichtung (X, Y) senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik (7) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Schwenkbewegung der Pivotpunkt (10) des Strahlabschnitts (9) im Strahlengang (3) in der Abbildungsoptik (7) liegt und dem Strahl (1) über dessen Strahlengang (3) durch die optische Anordnung (4) mittels einer Strahlformungsoptik (16) eine Strahlformung aufgeprägt wird, sodass am und/oder im Objekt (2) ein in Richtung des Strahlengangs (3) verlängerter Fokusbereich (8) abgebildet wird, welcher sich über zumindest einen Teil der in Richtung des Strahlengangs (3) ausgebildeten Abmessung des Objekts (2) erstreckt. Method for imaging at least one beam (1) of electromagnetic radiation onto an object (2), wherein the beam (1) is deflected via its beam path (3) by an optical arrangement (4) by means of an optical scanner system (5) of the optical arrangement (4), comprising at least two optical scanners (6), at least twice with a predetermined and/or predefinable variable angle, each time changing the beam path (3) of the beam (1), and the beam (1) is not subject to refraction between each deflection, the beam (1) is also imaged onto the object (2) by means of an imaging optic (7) after its deflection, and a focus area (8) of the beam (1) is placed on and/or into the object (2) by means of the imaging optic (7), at least one swiveling movement of a beam segment (9) exiting the scanner system (5) is also generated, and the swiveling movement and/or at least one rotational movement (15) about the The pivot point (10) causes a movement of the focus area (8) in at least one spatial direction (X, Y) perpendicular to the optical axis of the imaging optics (7), characterized in that during the pivoting movement the pivot point (10) of the beam section (9) lies in the beam path (3) in the imaging optics (7) and the beam (1) is shaped via its beam path (3) by the optical arrangement (4) by means of a beam shaping optics (16), so that a focus area (8) extended in the direction of the beam path (3) is imaged on and/or in the object (2), which extends over at least a part of the dimension of the object (2) formed in the direction of the beam path (3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Abbilden wenigstens eines Strahls auf ein Objekt, wobei der Strahl über dessen Strahlengang durch eine optische Anordnung mittels wenigstens zwei optischen Scannern zumindest zweimal den Strahlengang des Strahls verändernd abgelenkt wird und der Strahl nach dessen Ablenkung zudem mittels einer Abbildungsoptik auf das Objekt abgebildet und durch das Abbilden mittels der Abbildungsoptik ein Fokusbereich des Strahls auf und/oder in das Objekt gelegt wird.The invention relates to a method and a device for imaging at least one beam onto an object, wherein the beam is deflected at least twice via its beam path by means of an optical arrangement using at least two optical scanners, thereby changing the beam path of the beam, and the beam is also imaged onto the object by means of an imaging optic, and by means of the imaging using the imaging optic a focus area of the beam is placed on and/or in the object.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einbringen wenigstens einer Öffnung in das als Werkstück aus einem transparenten Material ausgebildete Objekt mittels des vorstehend genannten Verfahrens.Furthermore, the invention relates to a method for introducing at least one opening into the object designed as a workpiece made of a transparent material by means of the aforementioned method.
Aufgrund seiner optischen, elektrischen sowie chemischen und mechanischen Eigenschaften eignet sich Glas in sehr hohem Maße dazu, beispielsweise Silizium nicht nur als Träger, sondern auch als unmittelbar strukturiertes Volumenmaterial bei vergleichsweise geringen Kosten zu ersetzen, sodass sich eine große Breite an Anwendungsmöglichkeiten erschließt. Diese reichen dabei z. B. von der Mikro- respektive Nanoelektronik über mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sowie der Anwendung im Bereich der Mikrofluidik bis hin zur Verwendung im Packaging von Systemen. Eine bedeutende Voraussetzung hierfür stellt jedoch die Verfügbarkeit eines Glasbearbeitungsverfahrens dar, mittels welchem eine Erzeugung präziser Strukturen sehr geringer Abmessungen im Glas und somit eine Mikrobearbeitung des Glases bei bevorzugt hoher Formfreiheit der Strukturen in Verbindung mit geringen Bearbeitungszeiten ermöglicht wird.Due to its optical, electrical, chemical, and mechanical properties, glass is highly suitable for replacing silicon, for example, not only as a substrate but also as a directly structured bulk material at comparatively low cost, thus opening up a wide range of applications. These range from micro- and nanoelectronics and microelectromechanical systems (MEMS) to applications in microfluidics and system packaging. A crucial prerequisite for this, however, is the availability of a glass processing method that enables the creation of precise structures of very small dimensions within the glass, and thus allows for micromachining of the glass, preferably with a high degree of structural freedom and short processing times.
Grundsätzlich sind aus dem Stand der Technik bereits vielfältige Glasbearbeitungsverfahren bekannt, wobei unter anderem Trennschleif-, Ätz- oder Laserablationsverfahren zur Bearbeitung des Glases eingesetzt werden. Diese Verfahren weisen nachteilig jedoch teils hohe Bearbeitungszeiten bei geringer Formfreiheit auf. Zum Teil werden durch die genannten Verfahren auch unerwünschte Defekte in das Glas eingebracht, welche beispielsweise in Form von Chipping, Mikrorissen oder thermisch induzierten Spannungen vorliegen.In principle, numerous glass processing methods are already known from the prior art, including abrasive cutting, etching, and laser ablation. However, these methods have the disadvantage of sometimes requiring long processing times and offering limited freedom in shaping. Furthermore, some of these methods introduce undesirable defects into the glass, such as chipping, microcracks, or thermally induced stresses.
Ein darüber hinaus aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren, welches diese Nachteile nicht aufweist, besteht in der Mikrobearbeitung des Glases mittels eines laserinduzierten Tiefenätzens. Ein solches Verfahren ist dabei unter der Bezeichnung LIDE (Laser Induced Deep Etching) bekannt geworden. Das LIDE-Verfahren ermöglicht hierbei das Einbringen von überaus präzisen Strukturen bei äußerst geringen Bearbeitungszeiten und schafft somit die Voraussetzungen für den vermehrten Einsatz von Glas als Werkstoff in den eingangs genannten Anwendungen.Furthermore, a known prior art method that does not exhibit these disadvantages involves the micro-machining of glass using laser-induced deep etching. This method is known as LIDE (Laser Induced Deep Etching). The LIDE process enables the creation of extremely precise structures with very short processing times, thus creating the conditions for the increased use of glass as a material in the applications mentioned above.
Das LIDE-Verfahren steht dabei im Kontrast zu einem als selektives laserinduziertes Ätzen auch unter der Bezeichnung ISLE (In-volume Selective Laser-induced Etching) bekannten Verfahren, welches zur Erzeugung von Strukturen aus und in transparenten Materialien geeignet ist. Hierfür wird Laserstrahlung im Inneren eines transparenten Materials wie Glas nahezu punktförmig fokussiert, wodurch das Material in einem kleinen Volumen von lediglich einigen Kubikmikrometern strukturell und/oder chemisch verändert wird. Die veränderten Volumina lassen sich anschließend mit einer um Zehnerpotenzen höheren Ätzrate ätzen als unverändertes Material. Aufgrund der durch die punktförmige Fokussierung des Laserstrahls vorliegenden, kleinen Volumina, welche verändert wurden, ist zur Strukturierung eine überaus hohe Anzahl an Pulsfolgen notwendig. Diese führen jedoch wiederum zu hohen Bearbeitungszeiten.The LIDE process contrasts with a method known as selective laser-induced etching, also called ISLE (In-volume Selective Laser-induced Etching), which is suitable for creating structures in and from transparent materials. In ISLE, laser radiation is focused almost to a point within a transparent material such as glass, structurally and/or chemically altering the material in a small volume of only a few cubic micrometers. The altered volumes can then be etched at a rate ten times higher than that of unaltered material. Due to the small volumes of altered material resulting from the point-like focusing of the laser beam, an extremely high number of pulse sequences is required for structuring. This, in turn, leads to long processing times.
Hingegen wird bei dem, beispielsweise aus der
Aus der
Die vorgenannten Ausgestaltungen des laserinduzierten Tiefenätzens, insbesondere jedoch die
In diesem Zusammenhang ist es jedoch bereits aus dem Stand der Technik bekannt, einen Laserstrahl mittels eines optischen Scannersystems, beispielsweise mittels wenigstens eines Galvanometer-Scanners, abzulenken, um die von einem Laserstrahl in kurzer Zeitspanne überstreichbare Fläche zu erhöhen.In this context, however, it is already known from the prior art to deflect a laser beam by means of an optical scanner system, for example by means of at least one galvanometer scanner, in order to increase the area that can be covered by a laser beam in a short period of time.
Die Verwendung von Scannersystemen zur Ablenkung von Laserstrahlen, welche eine zuvor genannte Strahlformung aufweisen, stellt sich jedoch, insbesondere in Kombination mit zur Abbildung des Laserstrahls auf das Material üblicherweise verwendeten Standardoptiken, als problematisch dar, da hierdurch eine Störung der Strahlformung des Laserstrahls hervorgerufen wird, sodass der verlängerte Fokusbereich nicht gewährleistet werden kann.However, the use of scanner systems for deflecting laser beams, which exhibit the aforementioned beam shaping, proves problematic, especially in combination with standard optics commonly used to image the laser beam onto the material, as this causes a disturbance in the beam shaping of the laser beam, so that the extended focus range cannot be guaranteed.
Zur Umgehung dieser Problematik werden jedoch bereits Lösungsansätze im Stand der Technik vorgeschlagen.However, solutions to circumvent this problem are already being proposed in the state of the art.
So sind aus der
Zudem offenbart die gattungsgemäße
Aus der
Der
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche einen zur Verwendung an eine Laserbearbeitungsanwendung angepassten und darüber hinaus vereinfachten optischen Aufbau aufweisen.Against this background, the invention is based on the objective of providing a method and a device of the type mentioned at the outset, which have an optical design adapted for use in a laser processing application and which is also simplified.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 sowie einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.This problem is solved according to the invention by a method according to the features of claims 1 and 2 and a device according to the features of claim 11.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.Further details of the invention can be found in the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Abbilden wenigstens eines Strahls einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere eines Laserstrahls einer Laserstrahlung, auf ein Objekt vorgesehen. Ein solcher, insbesondere gepulster Strahl würde bevorzugt zunächst durch eine Strahlquelle, insbesondere eine Laserquelle, der optischen Anordnung emittiert werden.According to the invention, a method for imaging at least one beam of electromagnetic radiation, in particular a laser beam, onto an object is provided. Such a beam, in particular a pulsed beam, would preferably first be emitted by a beam source, in particular a laser source, of the optical arrangement.
Hierbei wird der insbesondere emittierte Strahl über dessen Strahlengang durch eine optische Anordnung mittels eines optischen Scannersystems der optischen Anordnung, den Strahlengang respektive eine Ausbreitungsrichtung des Strahls verändernd, abgelenkt. Dafür weist das Scannersystem wenigstens zwei optische Scanner auf, über welche der Strahl zumindest zweimal mit vorgegebenem und/oder vorgebbarem, variablem Winkel abgelenkt wird.In this process, the emitted beam is deflected along its path by an optical arrangement using an optical scanner system, thereby changing the beam path or direction of propagation. For this purpose, the scanner system comprises at least two optical scanners, through which the beam is deflected at least twice at a predetermined and/or predefinable, variable angle.
Der Strahl respektive die Strahlung unterliegt dabei vor und/oder zwischen einer jeweiligen Ablenkung keiner weiteren Brechung. Somit durchtritt der Strahl zumindest zwischen einer jeweiligen Ablenkung kein weiteres den Strahl insbesondere brechendes optisches Element, wie z. B. eine Sammellinse, was den optischen Aufbau deutlich vereinfacht und unerwünschte Abbildungsfehler vermeidet. Eine hierdurch beim Ablenken des Strahls hervorgerufene Störung einer gegebenenfalls vorhandenen Strahlformung bedarf jedoch einer Korrektur.The beam, or rather the radiation, undergoes no further refraction before and/or between each deflection. Thus, at least between each deflection, the beam does not pass through any further optical element that refracts the beam, such as a converging lens. This significantly simplifies the optical setup and avoids unwanted aberrations. However, any disturbance of a beam shaping that may be present during the deflection of the beam requires correction.
So wird der Strahl nach dessen Ablenkung erfindungsgemäß mittels einer Abbildungsoptik auf das Objekt abgebildet, wobei durch das Abbilden mittels der Abbildungsoptik ein Fokusbereich des Strahls auf und/oder in das Objekt gelegt wird. Dabei ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass mittels des Scannersystems wenigstens eine Schwenkbewegung eines aus dem Scannersystem austretenden Strahlabschnitts des Strahls erzeugt wird, bei welcher der Pivotpunkt oder Drehpunkt des Strahlabschnitts im Strahlengang nicht erfindungsgemäß vor oder erfindungsgemäß in der Abbildungsoptik liegt. Hierbei bewirkt die Schwenkbewegung und/oder zumindest eine Drehbewegung um den Pivotpunkt eine Bewegung des Fokusbereichs in zumindest eine Raumrichtung senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik. Dadurch, dass der Pivotpunkt des Strahlabschnitts vor und/oder in der Abbildungsoptik gelegt wird, werden dem Strahl durch die Ablenkung eingeprägte, unerwünschte Abbildungsfehler gewinnbringend vermieden. Dies insbesondere ohne die Verwendung spezieller Abbildungsoptiken zur Vermeidung solch unerwünschter Abbildungsfehler. Hingegen lassen sich als Abbildungsoptik üblicherweise für die Abbildung des Strahls auf das Objekt verwendete Standardoptiken einsetzen.According to the invention, after deflection, the beam is imaged onto the object by means of an imaging optic, whereby the imaging by means of the imaging optic places a focus area of the beam onto and/or into the object. Furthermore, according to the invention, at least one pivoting movement of a beam segment exiting the scanner system is generated by means of the scanner system, in which the pivot point or rotation point of the beam segment in the beam path is not located in front of or within the imaging optic. Here, the pivoting movement and/or at least a rotational movement about the pivot point causes a movement of the focus area in at least one spatial direction perpendicular to the optical axis of the imaging optic. By placing the pivot point of the beam segment in front of and/or within the imaging optic, undesirable imaging errors introduced into the beam by the deflection are advantageously avoided. This is achieved, in particular, without the use of special imaging optics to prevent such undesirable imaging errors. Instead, standard optics commonly used for imaging the beam onto the object can be employed as the imaging optic.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem Strahl bei dessen Strahlengang durch die optische Anordnung mittels einer Strahlformungsoptik eine Strahlformung aufgeprägt wird, wodurch am und/oder im Objekt ein in Richtung des Strahlengangs verlängerter Fokusbereich abgebildet wird, welcher sich über zumindest einen Teil einer in Richtung des Strahlengangs ausgebildeten Abmessung des Objekts erstreckt. Mittels des verlängerten Fokusbereichs ließen sich wie bereits eingangs erwähnt, z. B. die Bearbeitungszeiten des insbesondere als Werkstück ausgebildeten Objekts im Rahmen eines somit vorliegenden LIDE-Verfahrens gegenüber einem punktförmigen Fokus deutlich verringern und somit der Durchsatz steigern.Furthermore, according to the invention, the beam is shaped by means of a beam-shaping optic during its path through the optical arrangement, thereby imaging a focal area on and/or in the object that is extended in the direction of the beam path and covers at least a portion of a dimension of the object that extends in the direction of the beam path. As already mentioned, the extended focal area could be used, for example, to reduce the processing times of the object, particularly the workpiece, within the framework of the LIDE process thus presented. significantly reduce throughput compared to a point-like focus.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Einbringen wenigstens einer Öffnung, insbesondere einer Ausnehmung und/oder einer Durchbrechung, in das als Werkstück, hierbei bevorzugt als ein Substrat, aus einem transparenten Material, insbesondere Glas, ausgebildete Objekt vorgesehen. Dabei wird mittels des vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abbilden des Strahls wenigstens im Fokusbereich des Strahls, insbesondere jedoch ausschließlich im Fokusbereich des Strahls, eine Modifikation des Materials des Werkstücks erzeugt. Dies, ohne dass es dabei zu einem Abtrag des Materials infolge des Einwirkens der Strahlung des Strahls kommt, sodass anschließend die Öffnung durch die Einwirkung eines ätzenden Mediums durch einen anisotropen Abtrag des Materials in dem jeweiligen Bereich der Modifikation in dem Werkstück erzeugt wird. Der Abtrag des Materials entsteht daher ausschließlich infolge der Ätzwirkung des ätzenden Mediums und nicht in direkter Folge der Einwirkung des Strahls respektive der Strahlung des Strahls. Obwohl die Ätzrate der Modifikation oder Modifikationen um mehrere Zehnerpotenzen höher liegt als die eines unmodifizierten Materials, kann das Werkstück zusätzlich mit einer Maskierung, insbesondere einer Ätzmaske, bevorzugt aus einem strukturierten Fotoresist, versehen sein, in welcher die zu ätzenden Bereiche freigelegt sind.Furthermore, the invention provides a method for introducing at least one opening, in particular a recess and/or a perforation, into the workpiece, preferably a substrate, made of a transparent material, especially glass. Using the beam imaging method described above, a modification of the workpiece material is produced at least in the beam's focal region, but particularly exclusively in the beam's focal region. This occurs without any material removal resulting from the beam's radiation. Subsequently, the opening is created in the workpiece by the action of an etching medium through anisotropic material removal in the respective modification area. The material removal therefore results solely from the etching effect of the etching medium and not directly from the beam's action or radiation. Although the etch rate of the modification or modifications is several orders of magnitude higher than that of an unmodified material, the workpiece can additionally be provided with a mask, in particular an etch mask, preferably made of a structured photoresist, in which the areas to be etched are exposed.
Eine jeweilige Modifikation würde bevorzugt durch zumindest einen Puls des Strahls erzeugt werden, wobei zur Erzeugung mehrerer, z. B. an sich unterscheidenden Positionen auf dem Werkstück befindender Modifikationen der Strahl respektive der Fokusbereich des Strahls zwischen den Pulsen des Strahls durch das Ablenken über das Werkstück bewegt wird. Derart lassen sich über das Werkstück nicht zusammenhängende oder zusammenhängende, auch überlappende Modifikationen im Werkstück erzeugen, welche bei dem nachfolgenden Einwirken des Ätzmediums entfernt werden und die wenigstens eine Öffnung im Werkstück bilden. Durch das Erzeugen mehrerer zusammenhängender Modifikationen lassen sich somit, entsprechend aus einer Vielzahl an einzelnen Öffnungen zusammengesetzte, Strukturen mit hoher Formfreiheit im Werkstück formen.Each modification would preferably be generated by at least one pulse of the beam. To generate multiple modifications, e.g., at different positions on the workpiece, the beam, or rather its focal area, is moved across the workpiece between pulses by deflection. In this way, non-contiguous or contiguous, even overlapping, modifications can be created on the workpiece. These modifications are removed by the subsequent application of the etching medium and form at least one opening in the workpiece. By generating several contiguous modifications, structures with a high degree of freedom of form can be created in the workpiece, composed of a multitude of individual openings.
Durch das zum Erzeugen einer Vielzahl an Modifikationen genutzte Bewegen des Fokusbereichs durch das Ablenken über die optischen Scanner lässt sich zudem eine deutliche Verringerung der Bearbeitungszeiten bei vorliegender, hoher Formfreiheit, insbesondere im Vergleich mit einem standardmäßigen LIDE-Verfahren, erzielen.Furthermore, by moving the focus area through deflection via the optical scanners, which is used to generate a large number of modifications, a significant reduction in processing times can be achieved while maintaining a high degree of freedom in shape, especially compared to a standard LIDE method.
Der dabei durch die Ablenkung des Strahls und somit der Bewegung des Fokusbereichs überdeckbare Bereich je Raumrichtung, in welchem folglich auch die Modifikationen, insbesondere ohne Überlagerung einer weiteren Bewegung erzeugbar wären, kann z. B. bis zu Plus/Minus zehn Millimeter um eine Mittelachse oder einen Mittelpunkt betragen. Dies bei einem äußerst geringen Positionsfehler des Fokusbereichs und demnach der Modifikationen von weniger als zehn Mikrometern.The area covered by the deflection of the beam and thus the movement of the focus area in each spatial direction, in which the modifications could consequently be generated, especially without the superposition of any further movement, can, for example, be up to plus/minus ten millimeters around a central axis or point of intersection. This is achieved with an extremely small positional error of the focus area and therefore of the modifications, of less than ten micrometers.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine jeweilige Drehbewegung des Strahlabschnitts um - ausschließlich - eine Drehachse des Pivotpunkts und somit eine jeweilige lineare Bewegung des Fokusbereichs in eine - einzige - Raumrichtung über zwei zusammenwirkende und den Strahl im Strahlengang ablenkende Rotationsbewegungen zweier optischer Scanner um deren zwei zueinander parallele Rotationsachsen durchgeführt. Die beiden Scanner bilden dabei ein Scannerpaar. Durch die Verwendung zweier Scanner mit parallel zueinander ausgerichteten Rotationsachsen zur Bewegung des Fokusbereichs des Strahls in eine einzige Raumrichtung lassen sich in vorteilhaft einfacher Weise unerwünschte Abbildungsfehler des Strahls und hierbei insbesondere des Fokusbereichs, welche bei der Verwendung lediglich eines Scanners auftreten würden, gewinnbringend minimieren oder gar vermeiden.In a particularly advantageous embodiment of the invention, a rotational movement of the beam segment about – exclusively – a rotational axis of the pivot point, and thus a linear movement of the focus area in a single spatial direction, is achieved by means of two cooperating rotational movements of two optical scanners about their two parallel axes of rotation, which deflect the beam in the beam path. The two scanners form a scanner pair. By using two scanners with parallel axes of rotation to move the focus area of the beam in a single spatial direction, undesirable imaging errors of the beam, and in particular of the focus area, which would occur when using only one scanner, can be advantageously and simply minimized or even avoided.
Überaus gewinnbringend stellt sich eine Ausführung der Erfindung zudem dann dar, wenn zur linearen Bewegung des Fokusbereichs in zwei Raumrichtungen zwei Drehbewegungen des Strahlabschnitts um, insbesondere senkrecht aufeinander stehende, Drehachsen des Pivotpunkts überlagert werden. So ließe sich der Fokusbereich des Strahls respektive der auf dem Objekt oder Werkstück auftreffende Strahl nicht nur lediglich entlang einer Linie sondern auch zweidimensional, über eine Fläche bewegen. Zur Durchführung der beiden Drehbewegungen des Strahlabschnitts um den Pivotpunkt würde der Strahl je Drehbewegung über zwei und somit insgesamt über vier Rotationsachsen zu zwei Gruppen aus zwei Rotationsachsen abgelenkt, wobei die Rotationsachsen der zwei Gruppen senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Die Rotationsachsen würden entsprechend durch die optischen Scanner bereitgestellt, wobei eine Gruppe aus zwei Rotationsachsen folglich über ein Scannerpaar ausgebildet wäre.An embodiment of the invention proves particularly advantageous when, in addition to the linear movement of the focus area in two spatial directions, two rotational movements of the beam segment around, in particular perpendicular, axes of rotation of the pivot point are superimposed. This would allow the focus area of the beam, or the beam striking the object or workpiece, to be moved not only along a line but also two-dimensionally across a surface. To execute the two rotational movements of the beam segment around the pivot point, the beam would be deflected by two axes of rotation for each rotation, resulting in a total of four axes of rotation, forming two groups of two axes of rotation, with the axes of rotation of the two groups being perpendicular to each other. The axes of rotation would be provided accordingly by the optical scanners, with each group of two axes of rotation being formed by a pair of scanners.
Ferner ist in einer Erfolg versprechenden Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zwei, eine Drehbewegung des Strahlabschnitts um - ausschließlich - eine Drehachse des Pivotpunkts bewirkenden, zusammenwirkenden und den Strahl im Strahlengang ablenkenden, Rotationsbewegungen eines Scannerpaars asynchron ausgebildet sind. Durch diese asynchrone Bewegung lässt sich in vorteilhafter Weise die Schwenkbewegung des Strahls um wenigstens einen Scanner des Scannerpaars, hierbei insbesondere den im Strahlengang des Strahls zweiten oder hinteren Scanner des Scannerpaars bewirken. Dabei sollte sich wenigstens eine der Größen Absolutwinkel, Winkelgeschwindigkeit und/oder Winkelbeschleunigung der Scanner, insbesondere eines Ablenkelements der Scanner voneinander unterscheiden.Furthermore, in a promising embodiment of the invention, it is provided that the two cooperating rotational movements, which cause a rotational movement of the beam section about - exclusively - an axis of rotation of the pivot point and deflect the beam in the beam path, The deflection elements of a scanner pair are configured asynchronously. This asynchronous movement advantageously allows the pivoting motion of the beam around at least one scanner of the scanner pair, in particular the second or rearmost scanner in the beam path. At least one of the following parameters—absolute angle, angular velocity, and/or angular acceleration—should differ between the scanners, especially one deflection element of the scanners.
Es sei zudem erwähnt, dass grundsätzlich die Möglichkeit besteht, dass der im Rahmen wenigstens eines der Verfahren ausgebildete Strahl im Allgemeinen, insbesondere jedoch im Fokusbereich des Strahls am und/oder im Objekt respektive Werkstück einen Gauß'schen Fokus aufweist. Dies entspräche somit einer Ausgestaltung ohne eine Strahlformung des Strahls und somit einem verlängerten Fokusbereich. Möglicherweise auftretende Abbildungsfehler ließen sich dennoch vorteilhaft vermeiden.It should also be mentioned that, in principle, there is a possibility that the beam formed within at least one of the methods will generally, but especially in the beam's focal region at and/or within the object or workpiece, exhibit a Gaussian focus. This would correspond to a design without beam shaping and thus an extended focal region. Any imaging errors that might occur could nevertheless be advantageously avoided.
Die Strahlformung kann dabei durch eine Strahlformungsoptik erfolgen, welche beispielsweise als ein Axicon, ein diffraktiv-optisches Element (DOE) oder als ein räumlicher Modulator für Licht, auch als Spatial Light Modulator (SLM) bekannt, ausgeführt ist. Hierüber ließe sich der Strahl insbesondere als ein Bessel-ähnlicher Strahl ausgestalten. In weithin bevorzugter Ausführung würde die Strahlformung jedoch in einem Aufprägen einer sphärischen Aberration erfolgen, was ebenfalls einen verlängerten, insbesondere zigarrenförmigen, Fokusbereich des Strahls bewirkt. Für eine solche Strahlformung sollte das Strahlformungselement bevorzugt als eine insbesondere planparallele Quarzplatte ausgeführt sein.Beam shaping can be achieved by beam shaping optics, which can be implemented, for example, as an axicon, a diffractive optical element (DOE), or a spatial light modulator (SLM). This would allow the beam to be shaped, in particular, as a Bessel-like beam. However, in a highly preferred embodiment, beam shaping would be achieved by imprinting a spherical aberration, which also results in an extended, particularly cigar-shaped, focal region of the beam. For such beam shaping, the beam shaping element should preferably be a quartz plate, especially one that is plane-parallel.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung erfolgt das Aufprägen der Strahlformung mittels der Strahlformungsoptik zudem vor dem Eintritt des Strahls in das optische Scannersystem der Anordnung. Derart lässt sich die Entstehung von Abbildungsfehlern durch eine Formung eines abgelenkten und somit insbesondere unter einem Winkel auf das Strahlformungselement auftreffenden Strahls vermeiden.In a further advantageous embodiment of the invention, the beam shaping is applied by means of the beam shaping optics before the beam enters the optical scanner system of the arrangement. This avoids the formation of imaging errors caused by shaping a deflected beam, which therefore strikes the beam shaping element at an angle.
Eine überaus praxisgerechte Gestaltung der Erfindung liegt ferner darin begründet, dass ein jeweiliger Fokusbereich des sich in seinem Strahlengang durch die optische Anordnung aufgrund der Ablenkung verändernden Strahls durch die Abbildungsoptik auf eine - einzige, insbesondere gemeinsame - Fokusebene abgebildet wird, auf der der jeweilige Fokusbereich liegt oder von der sich der jeweilige Fokusbereich in das Objekt erstreckt. Durch den somit stets auf der Fokusebene liegenden oder sich von der Fokusebene erstreckenden Fokusbereich kann vorteilhaft eine auf das Objekt und insbesondere das Material des Werkstücks einwirkende Intensität des Strahls im Fokusbereich gewährleistet werden. Dadurch bedingt sich auch ein gleichmäßiges respektive gleichartiges Erzeugen mehrerer Modifikationen im Material des Werkstücks. Hierfür sollte die Abbildungsoptik bevorzugt als wenigstens ein f-Theta Objektiv ausgeführt sein.A further highly practical aspect of the invention lies in the fact that each focal region of the beam, which changes in its path due to deflection by the optical arrangement, is imaged by the imaging optics onto a single, and in particular common, focal plane on which the respective focal region lies or from which the respective focal region extends into the object. Because the focal region thus always lies on or extends from the focal plane, a consistent beam intensity acting on the object, and especially on the material of the workpiece, can be advantageously ensured within the focal region. This also results in the uniform and consistent generation of multiple modifications in the material of the workpiece. For this purpose, the imaging optics should preferably be designed as at least one f-theta lens.
In nicht minder gewinnbringender Ausgestaltung sieht die Erfindung darüber hinaus vor, dass das Abbilden eines jeweiligen Fokusbereichs durch die Abbildungsoptik telezentrisch erfolgt. Derart wäre der Fokusbereich des Strahls stets parallel zur optischen Achse der Abbildungsoptik ausgerichtet, wodurch sich stets gleichgerichtete und sich somit in ihrer Winkelausrichtung im Werkstück nicht unterscheidende Modifikationen im Werkstück erzeugen lassen. Dies bei entsprechender Ausrichtung des Objekts respektive des Werkstücks insbesondere senkrecht zur Oberfläche des Objekts respektive des Werkstücks. Hierfür sollte die Abbildungsoptik bevorzugt als wenigstens ein telezentrisches f-Theta Objektiv ausgeführt sein.In a no less advantageous embodiment, the invention further provides that the imaging of a respective focus area by the imaging optics is telecentric. In this way, the focus area of the beam would always be aligned parallel to the optical axis of the imaging optics, thereby enabling the generation of modifications in the workpiece that are always aligned in the same direction and thus do not differ in their angular orientation. This is achieved with a corresponding orientation of the object or workpiece, in particular perpendicular to the surface of the object or workpiece. For this purpose, the imaging optics should preferably be designed as at least one telecentric f-theta lens.
Ebenso wird eine besonders vielversprechende Weiterbildung der Erfindung dadurch beschrieben, dass die - lineare Bewegung des Fokusbereichs in zumindest eine Raumrichtung mit wenigstens einer zusätzlichen Bewegung, insbesondere einer Linearbewegung, einer Verfahrachse überlagert wird. Hierbei ist die Verfahrachse Teil einer Vorrichtung, wobei an der Verfahrachse wiederum wenigstens ein Teil der der Vorrichtung zugehörigen optischen Anordnung angeordnet ist. Die Verfahrachse ist dabei insbesondere als eine Linearachse ausgebildet. Durch die Kombination der Bewegung des Fokusbereichs durch das Ablenken des Strahls über insbesondere ein oder zwei Scannerpaare mit der zusätzlichen Bewegung wenigstens einer Verfahrachse lassen sich auch Werkstücke bearbeiten, deren Abmessungen über die maximal mögliche Ablenkung der Strahlen respektive den daraus resultierenden, möglichen Bewegungsabschnitt des Fokusbereichs hinausgeht und sich somit das Werkstück bevorzugt über seiner gesamte Ausdehnung mit zudem sehr hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten und somit niedrigen Bearbeitungszeiten bearbeiten lässt. Zudem lassen sich Modifikationen im Werkstück erzeugen, welche vereinzelt und/oder zusammenhängend einer quasi beliebigen Bahnkurve, z. B in Form eines Splines, folgen. Die jeweiligen, möglichen Bewegungsrichtungen der Bewegung des Fokusbereichs und der Verfahrachse müssen dabei nicht parallel und/oder senkrecht zueinander ausgerichtet sein. Denkbar ist hingegen eine Ausrichtung in einem quasi beliebigen Winkel, beispielsweise einem Winkel von 45 Grad.A particularly promising further development of the invention is described in that the linear movement of the focus area in at least one spatial direction is superimposed with at least one additional movement, in particular a linear movement, of a traversing axis. Here, the traversing axis is part of a device, wherein at least a part of the optical arrangement belonging to the device is arranged on the traversing axis. The traversing axis is specifically designed as a linear axis. By combining the movement of the focus area by deflecting the beam via, in particular, one or two scanner pairs with the additional movement of at least one traversing axis, it is also possible to process workpieces whose dimensions exceed the maximum possible deflection of the beams or the resulting possible movement range of the focus area. Thus, the workpiece can preferably be processed over its entire extent at very high processing speeds and therefore short processing times. Furthermore, modifications can be created in the workpiece that follow a virtually arbitrary trajectory, e.g., in the form of a spline, either individually or consecutively. The possible directions of movement for the focus area and the axis of travel do not have to be parallel and/or perpendicular to each other. An alignment at virtually any angle is conceivable, for example, an angle of 45 degrees.
Insbesondere im Zusammenhang mit der vorstehenden Weiterbildung, jedoch ebenso im Allgemeinen, ist eine Ausführung der Erfindung als mit Vorteil behaftet anzusehen, bei welcher durch die Überlagerung der - linearen - Bewegung des Fokusbereichs in zumindest eine Raumrichtung mit der wenigstens einen zusätzlichen - linearen - Bewegung der Verfahrachse, die zusätzliche Bewegung der Verfahrachse wenigstens teilweise korrigiert und/oder wenigstens teilweise kompensiert wird. Bei gleichgerichteten Bewegungsrichtungen des Fokusbereichs und der Verfahrachse ließe sich derart die Bewegung des Fokusbereichs insbesondere in Redundanz zu der Bewegung der Verfahrachse überlagern und somit beispielsweise eine Auflösung der Positionierung von Modifikationen gegenüber der durch die Verfahrachse selbst bereitgestellten Auflösung im Werkstück erhöhen. Zudem kann die Bewegung der Verfahrachse auch vollständig durch die Bewegung des Fokusbereichs kompensiert werden. Die beispielsweise dann, wenn in die Bewegungsrichtung der Verfahrachse mehrere Modifikationen an exakt gleiche Position oder an gleicher Position, jedoch mit einem Versatz z. B. quer zur Bewegungsrichtung der Verfahrachse im Werkstück erzeugt werden sollen. Eine sehr hohe Formfreiheit im Werkstück erzeugter Strukturen lässt sich somit mit herausragender Präzision gewährleisten.Particularly in connection with the aforementioned further development, but also in general, an embodiment of the invention is considered advantageous in which the additional movement of the traversing axis is at least partially corrected and/or at least partially compensated by superimposing the linear movement of the focus area in at least one spatial direction with the at least one additional linear movement of the traversing axis. With the focus area and the traversing axis moving in the same direction, the movement of the focus area could thus be superimposed, particularly redundantly, on the movement of the traversing axis, thereby increasing, for example, the resolution of the positioning of modifications compared to the resolution provided by the traversing axis itself in the workpiece. Furthermore, the movement of the traversing axis can also be completely compensated by the movement of the focus area. This is particularly relevant when several modifications are to be generated in the workpiece at exactly the same position or at the same position but with an offset, e.g., transversely to the direction of movement of the traversing axis. A very high degree of freedom in the form of structures generated in the workpiece can thus be guaranteed with outstanding precision.
Ferner ist erfindungsgemäß zudem auch eine Vorrichtung mit einer optischen Anordnung, insbesondere zur Durchführung zumindest eines der vorstehend erläuterten Verfahren angedacht. Hierbei weist die optische Anordnung der Vorrichtung eine Strahlquelle, insbesondere eine Laserquelle, zum Emittieren eines Strahls einer elektromagnetischen Strahlung, hierbei insbesondere eines Laserstrahls einer Laserstrahlung, und ein optisches Scannersystem auf. Das Scannersystem ist seinerseits über wenigstens zwei optische Scanner mit je zumindest einem rotierbaren Ablenkelement zur Ablenkung des Strahls ausgeführt. In diesem Zusammenhang ist auszuführen, dass im Strahlengang zwischen den Scannern kein weiteres, insbesondere optisch brechendes Element angeordnet ist. Darüber hinaus weist die optische Anordnung wenigstens eine Abbildungsoptik auf, durch welche der Strahl auf ein Objekt abbildbar und durch das Abbilden mittels der Abbildungsoptik ein Fokusbereich des Strahls auf und/oder in das Objekt legbar ist. Erfindungsgemäß bilden hierbei je zwei Scanner ein Scannerpaar, wobei die Rotationsachsen der einem jeweiligen Scannerpaar zugehörigen Scanner zueinander parallel ausgerichtet sind. Die optische Anordnung weist dabei wenigstens ein Scannerpaar oder zumindest zwei, bevorzugt ausschließlich zwei, Scannerpaare auf. Es ist zu beachten, dass die Rotationsachsen respektive die Gruppen der Rotationsachsen der Scanner der unterschiedlichen Scannerpaare jedoch senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich vorteilhaft wenigstens ein Teil der erfindungsgemäßen Verfahren durchführen, wobei ein deutlich vereinfachter optischer Aufbau der optischen Anordnung vorliegt. So lassen sich unerwünschte Abbildungsfehler vermeiden und zugleich beim Ablenken des Strahls hervorgerufene Störungen einer gegebenenfalls vorhandenen Strahlformung korrigieren, indem ein Pivotpunkt oder Drehpunkt eines aus dem Scannersystem austretenden Strahlabschnitt des Strahls über das Scannersystem im Strahlengang nicht erfindungsgemäß vor oder erfindungsgemäß in die Abbildungsoptik legbar ist. Neben der optischen Anordnung würde die Vorrichtung zudem wenigstens eine Verfahrachse aufweisen, an welcher zumindest ein Teil der optischen Anordnung angeordnet ist.Furthermore, according to the invention, a device with an optical arrangement, in particular for carrying out at least one of the methods described above, is also provided. The optical arrangement of the device comprises a beam source, in particular a laser source, for emitting a beam of electromagnetic radiation, in particular a laser beam, and an optical scanner system. The scanner system is itself designed with at least two optical scanners, each with at least one rotatable deflecting element for deflecting the beam. In this context, it should be noted that no further element, in particular an optical refractive element, is arranged in the beam path between the scanners. In addition, the optical arrangement comprises at least one imaging optic, by which the beam can be imaged onto an object and, by means of the imaging optic, a focus area of the beam can be placed on and/or into the object. According to the invention, two scanners form a scanner pair, wherein the axes of rotation of the scanners belonging to each scanner pair are aligned parallel to each other. The optical arrangement comprises at least one scanner pair or at least two, preferably exclusively two, scanner pairs. It should be noted that the rotation axes, or groups of rotation axes, of the scanners of the different scanner pairs are aligned perpendicular to each other. The device according to the invention advantageously allows at least some of the methods according to the invention to be carried out, with a significantly simplified optical design of the optical arrangement. This allows undesirable imaging errors to be avoided and, at the same time, any disturbances caused by beam deflection in a potentially existing beam shaping to be corrected, since a pivot point or pivot point of a beam segment exiting the scanner system cannot be placed in front of or within the imaging optics in the beam path according to the invention. In addition to the optical arrangement, the device would also have at least one traversing axis on which at least part of the optical arrangement is arranged.
Erfindungsgemäß weist die optische Anordnung zudem eine Strahlformungsoptik auf, mittels der dem Strahl eine Strahlformung aufprägbar ist. Dadurch wird am und/oder im Objekt ein in Richtung des Strahlengangs verlängerter Fokusbereich abgebildet, welcher sich über zumindest einen Teil der in Richtung des Strahlengangs ausgebildeten Abmessung des Objekts erstreckt. Die Strahlformungsoptik ist wie bereits zuvor erläutert beispielsweise als ein Axicon, ein diffraktiv-optisches Element (DOE), als ein räumlicher Modulator für Licht, auch als Spatial Light Modulator (SLM) bekannt, oder als eine insbesondere planparallele Quarzplatte ausführt und/oder bevorzugt nach der Strahlquelle und vor dem optischen Scannersystem angeordnet.According to the invention, the optical arrangement also includes beam-shaping optics by means of which beam shaping can be imposed on the beam. This results in the imaging of a focal area on and/or within the object that is extended in the direction of the beam path and covers at least a portion of the object's dimension as defined in the direction of the beam path. As previously explained, the beam-shaping optics are, for example, implemented as an axicon, a diffractive optical element (DOE), a spatial modulator for light, also known as a spatial light modulator (SLM), or, in particular, as a plane-parallel quartz plate, and/or are preferably arranged downstream of the beam source and upstream of the optical scanner system.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind einige davon in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese Zeichnungen zeigen in
-
1 eine Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
2a bis 3b Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren.
-
1 a further development of a device according to the invention; -
2a to 3b Further developments of the methods according to the invention.
Die
Nach dem Austritt des Strahls 1 aus der Strahlquelle 19 wird dem Strahl 1 mittels der im Strahlengang 3 auf die Strahlquelle 19 folgenden Strahlformungsoptik 16 eine Strahlformung aufgeprägt.After the beam 1 exits the beam source 19, a beam shaping is imposed on the beam 1 by means of the beam shaping optics 16 following the beam source 19 in the beam path 3.
Der Strahl 1 wird sodann durch das im Strahlengang 3 auf die Strahlformungsoptik 16 folgende optische Scannersystem 5 zweimal mit vorgegebenem, variablem Winkel, jeweils den Strahlengang 3 des Strahls 1 verändernd, abgelenkt, um an verschiedenen Positionen auf dem Werkstück 11 abgebildet zu werden und dabei im Fokusbereich 8 des Strahls 1 eine Modifikation 20 des Materials des Werkstücks 11 zu erzeugen, wobei der Fokusbereich 8 des Strahls 1 in der Weiterbildung der
Um nunmehr eine Störung der dem Strahl 1 über die Strahlformungsoptik 16 aufgeprägte Strahlformung zu vermeiden, wird mittels des Scannersystems 5 und hierbei insbesondere mittels des im Strahlengang 3 auf den ersten Scanner 6 folgenden und vor der Abbildungsoptik 7 angeordneten Scanners 6 eine Schwenkbewegung des aus dem Scannersystem 5 austretenden Strahlabschnitts 9 des Strahls 1 erzeugt, bei welcher der Dreh- oder Pivotpunkt 10 dieses Strahlabschnitts 9 im Strahlengang 3 in der Abbildungsoptik 7 liegt. Die Schwenkbewegung resultiert somit in der Drehbewegung 15 des Strahl 1 um den Pivotpunkt 10, wodurch in dieser Weiterbildung wiederum eine Bewegung des Fokusbereichs 8 in die Raumrichtung X senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik 7 bewirkt wird.To prevent any disturbance of the beam shaping imposed on beam 1 by the beam shaping optics 16, a pivoting movement of the beam segment 9 exiting the scanner system 5 is generated by means of the scanner system 5, and in particular by means of the scanner 6 located in the beam path 3 following the first scanner 6 and in front of the imaging optics 7. During this movement, the pivot point 10 of this beam segment 9 lies in the imaging optics 7 within the beam path 3. The pivoting movement thus results in a rotation 15 of beam 1 about the pivot point 10, which in turn causes a movement of the focus area 8 in the spatial direction X perpendicular to the optical axis of the imaging optics 7.
Es sei in diesem Zusammenhang kurz darauf hingewiesen, dass die
Die Besonderheit der zuvor lediglich im Kurzen angerissenen Ablenkung des Strahls 1 über das Scannersystem 5 liegt dabei darin, dass die Drehbewegung 15 des Strahlabschnitts 9 um die Drehachse 12 des Pivotpunkts 10 und somit auch die lineare Bewegung des Fokusbereichs 8 in die Raumrichtung X über zwei zusammenwirkende und dabei den Strahl 1 im Strahlengang 3 ablenkende Rotationsbewegungen 13 der Scanner 6 um deren zwei zueinander parallele Rotationsachsen 14 durchgeführt wird. Dabei bilden die beiden Scanner 6 ein Scannerpaar, wobei die Rotationsbewegungen 13 der Scanner 6 des Scannerpaars asynchron ausgebildet sind.The special feature of the deflection of beam 1 via the scanner system 5, which has only been briefly outlined above, lies in the fact that the rotational movement 15 of the beam section 9 about the axis of rotation 12 of the pivot point 10, and thus also the linear movement of the focus area 8 in the spatial direction X, is carried out by means of two cooperating rotational movements 13 of the scanners 6 about their two mutually parallel axes of rotation 14, which deflect beam 1 in the beam path 3. The two scanners 6 form a scanner pair, whereby the rotational movements 13 of the scanners 6 of the scanner pair are asynchronous.
Durch das Aufprägen der Strahlformung und dem Abbilden der die Strahlformung aufweisenden Strahls 1 über die Abbildungsoptik 7 wird am respektive im Werkstück 11 ein in Richtung des Strahlengangs 3 verlängerter Fokusbereich 8 abgebildet, welcher sich in dieser Weiterbildung über die gesamte, in Richtung des Strahlengangs 3 ausgebildete Abmessung, hier die Dicke des Werkstücks 11 erstreckt. Der verlängerte Fokusbereich 8 bewirkt somit eine Modifikation 20 des Materials des Werkstücks 11 über die gesamte Dicke des Werkstücks 11, sodass durch einen auf die Modifikation 20 folgenden Ätzschritt eine Öffnung, hier eine Durchbrechung des Werkstücks 11 erzeugt wird.By imprinting the beam shape and imaging the beam 1 exhibiting the beam shape via the imaging optics 7, a focal area 8, extended in the direction of the beam path 3, is imaged on or in the workpiece 11. In this further development, this focal area extends over the entire dimension formed in the direction of the beam path 3, here the thickness of the workpiece 11. The extended focal area 8 thus causes a modification 20 of the material of the workpiece 11 over the entire thickness of the workpiece 11, so that an opening, here a perforation in the workpiece 11, is created by an etching step following the modification 20.
Um bei mehreren, an unterschiedlichen Positionen im Werkstück 11 zu erzeugenden Modifikationen 20 eine im Wesentlichen gleichbleibende, auf das Material des Werkstücks 11 einwirkende Intensität des Strahls 1 im Fokusbereich 8 gewährleisten zu können, wird der jeweilige eine Modifikation 20 erzeugende Fokusbereich 8 des zur Positionierung abgelenkten und sich somit in seinem Strahlengang 3 verändernden Strahls 1 durch die Abbildungsoptik 7 telezentrisch auf eine einzige Fokusebene 17 abgebildet, von der sich der jeweilige Fokusbereich 8 in das Werkstück 11 erstreckt.In order to ensure a substantially constant intensity of the beam 1 acting on the material of the workpiece 11 in the focus area 8 when several modifications 20 are to be produced at different positions in the workpiece 11, the respective focus area 8 of the beam 1, which is deflected for positioning and thus changes in its beam path 3, is telecentrically imaged by the imaging optics 7 onto a single focal plane 17, from which the respective focus area 8 extends into the workpiece 11.
Aus den
Dabei ist es möglich, dass die Fokusbereiche 8 und somit die Modifikationen 20 wie in den
Durch die Überlagerung der Bewegung des Fokusbereichs 8 in die Raumrichtungen X, Y mit der zusätzlichen Bewegung der Verfahrachse 18 in dessen Bewegungsrichtung Y' lässt sich zudem die zusätzliche Bewegung der Verfahrachse 18 wenigstens teilweise korrigieren und/oder wenigstens teilweise kompensieren.By superimposing the movement of the focus area 8 in the spatial directions X, Y with the additional movement of the travel axis 18 in its direction of movement Y', the additional movement of the travel axis 18 can also be at least partially corrected and/or at least partially compensated.
So lässt sich, wie in
Zudem kann die Bewegung der Verfahrachse 18 auch vollständig durch die Bewegung des Fokusbereichs 8 kompensiert werden. Dies insbesondere dann, wenn, wie in
BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE MARK LIST
- 11
- Strahlbeam
- 22
- Objektobject
- 33
- StrahlengangRay path
- 44
- optische Anordnungoptical arrangement
- 55
- ScannersystemScanner system
- 66
- Scannerscanner
- 77
- AbbildungsoptikImaging optics
- 88
- FokusbereichFocus area
- 99
- StrahlabschnittBeam section
- 1010
- PivotpunktPivot point
- 1111
- Werkstückworkpiece
- 1212
- Drehachseaxis of rotation
- 1313
- RotationsbewegungRotational movement
- 1414
- Rotationsachseaxis of rotation
- 1515
- DrehbewegungRotational movement
- 1616
- StrahlformungsoptikBeam shaping optics
- 1717
- FokusebeneFocus level
- 1818
- VerfahrachseTraverse axis
- 1919
- Strahlquelleradiation source
- 2020
- Modifikationmodification
- X, YX, Y
- RaumrichtungSpatial direction
- Y'Y'
- BewegungsrichtungDirection of movement
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010069987A1 (en) * | 2008-12-19 | 2010-06-24 | Deutsches Krebsforschungszentrum | Method and device for dynamically shifting a light beam relative to an optic which focuses the light beam |
| WO2014161534A2 (en) * | 2013-04-04 | 2014-10-09 | Lpkf Laser & Electronics Ag | Method and device for providing through-openings in a substrate and a substrate produced in said manner |
| EP3106943B1 (en) * | 2015-06-16 | 2019-06-26 | Erlas Erlanger Lasertechnik GmbH | Scanner device for a laser beam for laser material machining, machine tool with the scanner device and method for controlling the machine tool with the scanner device |
| DE102020131405A1 (en) * | 2020-11-26 | 2022-06-02 | LANG LASER - System GmbH | Device for material processing with multiple applications |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10339134B4 (en) * | 2003-08-22 | 2019-08-29 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Beam deflector and scanning microscope |
| US7371596B2 (en) * | 2004-12-30 | 2008-05-13 | Semicube, Inc. | Parallel-beam scanning for surface patterning of materials |
| US9201008B2 (en) | 2012-06-26 | 2015-12-01 | Universite Laval | Method and system for obtaining an extended-depth-of-field volumetric image using laser scanning imaging |
| KR20190065480A (en) * | 2014-09-16 | 2019-06-11 | 엘피케이에프 레이저 앤드 일렉트로닉스 악티엔게젤샤프트 | Method for introducing at least one cutout or aperture into a sheetlike workpiece |
| EP3287263A1 (en) * | 2016-08-26 | 2018-02-28 | Multiphoton Optics Gmbh | Device and method for laser assisted processing of bodies or surfaces |
| US10705327B2 (en) * | 2018-01-02 | 2020-07-07 | Industrial Technology Research Institute | Light emitting method and light emitting device |
| DE102020114195A1 (en) | 2020-05-27 | 2021-12-02 | Lpkf Laser & Electronics Aktiengesellschaft | Method for making a recess in a substrate |
| DE102020134422A1 (en) * | 2020-12-21 | 2022-06-23 | Trumpf Laser Gmbh | Device for influencing the beam of a laser beam |
| CN114178687A (en) * | 2021-11-19 | 2022-03-15 | 华中科技大学 | Plug-in laser inclination angle control module and laser scanning processing device |
-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010069987A1 (en) * | 2008-12-19 | 2010-06-24 | Deutsches Krebsforschungszentrum | Method and device for dynamically shifting a light beam relative to an optic which focuses the light beam |
| WO2014161534A2 (en) * | 2013-04-04 | 2014-10-09 | Lpkf Laser & Electronics Ag | Method and device for providing through-openings in a substrate and a substrate produced in said manner |
| EP3106943B1 (en) * | 2015-06-16 | 2019-06-26 | Erlas Erlanger Lasertechnik GmbH | Scanner device for a laser beam for laser material machining, machine tool with the scanner device and method for controlling the machine tool with the scanner device |
| DE102020131405A1 (en) * | 2020-11-26 | 2022-06-02 | LANG LASER - System GmbH | Device for material processing with multiple applications |
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