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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit
einem Laserlichtstrahl, bei dem der Laserlichtstrahl mit im Wesentlichen
homogener Intensitätsverteilung
auf eine Zielfläche
des Werkstücks
gerichtet wird, wobei der Laserlichtstrahl unter einem Winkel von
ungleich 90° auf
die Zielfläche
trifft.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines
Werkstücks
mit einem Laserlichtstrahl, mit einer Strahlführungseinrichtung, die so ausgebildet
ist, dass der Laser lichtstrahl mit im Wesentlichen homogener Intensitätsverteilung
auf eine Zielfläche
des Werkstücks
gerichtet wird, wobei die Strahlführungseinrichtung eine optische
Anordnung aufweist, mittels der der Laserlichtstrahl so abgelenkt wird,
dass er unter einem Winkel von ungleich 90° auf die Zielfläche trifft.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus
der
DE 101 18 291
A1 bekannt.
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Ein
solches Verfahren und eine solche Vorrichtung werden unter anderem
zur Materialbearbeitung von Werkstücken eingesetzt. Die Materialbearbeitung
eines Werkstücks
mit Laserlicht kann beispielsweise in einem Härten, Schweißen, Abtragen, Bohren
u.s.w. bestehen. Mit dem Laserlichtstrahl wird dabei ein definierter
Bereich am Werkstück
mit hoher Strahlintensität
bestrahlt, um den gewünschten
Bearbeitungsvorgang auszuführen.
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Bei
leicht zugänglichen
Werkstücken
fällt der Laserlichtstrahl
in der Regel ohne Zwischenschaltung eines Umlenkelements direkt
auf das Werkstück ein.
Oft sind die räumlichen
Verhältnisse
am Werkstück
jedoch in der Richtung senkrecht zur Oberfläche begrenzt, wie dies beispielsweise
bei der Bearbeitung von Werkstückinnenflächen der
Fall ist. Ein solches Verfahren ist in der zuvor genannten
DE 101 18 291 A1 beschrieben.
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Dort
wird mit einem Laserlichtstrahl eine innenliegende Fläche eines
zylindrischen metallischen Werkstücks bearbeitet. Um den von
der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahl auf die zu bearbeitende
Zielfläche
des Werkstücks
zu richten, weist die dort beschriebene Vorrichtung eine Strahlführungseinrichtung
auf, die einen Umlenkspiegel aufweist, um den Laserstrahl so umzulenken,
dass er auf die zu bearbeitende Zielfläche des Werkstücks fällt.
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Bei
der Bearbeitung von Werkstücken
mit Laserlicht bildet sich infolge der starken, kurzfristigen Erwärmung der
Zielfläche
eine Plasmawolke, die über
eine Absaugvorrichtung abgesaugt wird. Dabei hat sich jedoch herausgestellt,
dass das Aufschmelzen der vom Laserlichtstrahl erwärmten Fläche so plötzlich erfolgt,
dass geschmolzene Partikel, ohne vom Absaugstrom erfasst zu werden,
in Richtung des Umlenkelements geschleudert werden. Die mit hoher kinetischer
Energie auf den Spiegel treffenden Partikel brennen sich in die
Reflexionsfläche
ein, die infolgedessen schon nach kurzer Einsatzdauer unbrauchbar
wird.
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Zur
Lösung
dieses Problems wird in der
DE 101 18 291 A1 vorgeschlagen, die Reflexionsfläche des
Umlenkspiegels in Bezug auf die zu belichtende Zielfläche des
Werkstücks
derart auszurichten, dass der an ihr umgelenkte Laserlichtstrahl
die zu belichtende Zielfläche
unter einem von 90° abweichenden Winkel
trifft. Entsprechend bildet auch der an dem Umlenkspiegel einmal
reflektierte Laserlichtstrahl mit dem auf dem Umlenkspiegel einfallenden
Laserlichtstrahl einen Winkel von ungleich 90°, üblicherweise etwas größer als
90°.
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Das
schräge
Belichten der Zielfläche
des Werkstücks
beruht auf der Erkenntnis, dass die sich bei der Laserbearbeitung
von dem Werkstück
lösenden
Abtragprodukte größtenteils
senkrecht zur bearbeitenden Zielfläche des Werkstücks abgestrahlt werden.
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Neben
diesen sich bei der bekannten Vorrichtung und dem bekannten Verfahren
ergebenden Problemen besteht für
die flächenhafte
Bearbeitung des Werkstücks
in der Regel die Anforderung, dass die auf das Werkstück eingestrahlte
Laserlichtintensität über die
Zielfläche
homogen verteilt und scharf begrenzt ist.
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Um
dies bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der bekannten Art
zu realisieren, wird der Laserlichtstrahl üblicherweise durch ein anomorphotisches
Teleskopsystem mit Zylinderlinsen auf die gewünschte Form gebracht. Ein refraktiver
oder diffraktiver Homogenisierer erzeugt dann im Brennpunkt einer
nachgeschalteten Linse ein scharfes, homogenes Strahlprofil (Feldebene),
das mit Hilfe einer Feldlinse und eines Abbildungsobjektives verkleinert über den
zuvor erwähnten
Umlenkspiegel auf das Werkstück
abgebildet wird.
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Der
Nachteil hierbei ist, dass die Strahlführungseinrichtung für die Homogenisierung
und Strahlablenkung insgesamt eine Vielzahl von Bauelementen aufweist
und somit insgesamt komplex und aufwendig ist. Die Verwendung vieler
optischer Bauelemente hat zudem den Nachteil, dass diese durch die
hohe Strahlungsintensität
des Laserlichts zu Beschädigungen
Anlass geben, was die Standzeit einer derartigen Vorrichtung verkürzt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass
die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden, dass insbesondere
mit einer weniger aufwendigen optischen Anordnung und damit einem
geringeren Risiko einer Beschädigung
solcher optischen Bauelemente die Zielfläche des Werkstücks möglichst
homogen und scharf begrenzt mit dem Laserlicht beaufschlagt werden
kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens dadurch gelöst, dass
der Laserlichtstrahl mittels der optischen Anordnung in einzelne
Strahlsegmente eingeteilt wird, und dass die einzelnen Strahlsegmente mit
jeweiligen Ablenkungswinkeln derart auf das Werkstück gerichtet
werden, dass sie sich auf der Zielfläche des Werkstücks überlappen.
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Hinsichtlich
der eingangs genannten Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
die optische Anordnung so ausgebildet ist, dass der Laserlichtstrahl
in einzelne Strahlsegmente eingeteilt wird und die einzelnen Strahlsegmente
mit jeweiligen Ablenkungswinkeln derart auf das Werkstück gerichtet werden,
dass sie sich auf der Zielfläche überlappen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
sehen eine Segmentierung des Querschnitts des einfallenden Laserlichtstrahls
in der optischen Anordnung vor, die auch die Ablenkung des Laserlichtstrahls
zum Werkstück
bewirkt, wobei die einzelnen Strahlsegmente dann in eine gemeinsame
Vorzugsrichtung derart abgelenkt werden, dass die einzelnen Strahlsegmente
bzw. Einzelstrahlbüschel
in einer zum einfallenden Laserlichtstrahl bzw. eines entsprechenden
Bauelements der optischen Anordnung verkippten Ebene die Zielfläche scharf
umrandet homogen ausleuchten. Die verwendete optische Anordnung
erfüllt
somit vorteilhafterweise zum einen die Funktion eines Homogenisierers
und einer Strahlablenkeinrichtung in einem, so dass auf eine komplette
Anordnung aus Homogenisierer, Feldlinse und Abbildungsobjektiv,
wie sie beim Stand der Technik eingesetzt werden, verzichtet werden
kann. Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der Vorrichtung verwendete optische Anordnung ist dazu hinsichtlich
ihrer optischen Eigenschaften segmentiert bzw. facettiert, wobei
sich Größe und Ablenkungswinkel
der einzelnen Segmente bzw. Abschnitte, die untereinander verschieden
sein können,
sich aus der Anforderung ergeben, dass ein scharf begrenztes Beleuchtungsgebiet
auf der Zielfläche
des Werkstücks,
die zum Laserlichtstrahl gekippt ist, ergibt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Laserlichtstrahl
auf zumindest ein optisches Bauelement der optischen Anordnung gerichtet,
dessen optisch wirksamer Bereich eine Mehrzahl von Segmenten mit
segmentweise unterschiedlichen diffraktiven, refraktiven und/oder
reflektiven Eigenschaften aufweist.
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In
einer entsprechenden bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung weist
die optische Anordnung zumindest ein optisches Bauelement auf, dessen
optisch wirksamer Bereich eine Mehrzahl von Segmenten mit segmentweise
unterschiedlichen diffraktiven, refraktiven und/oder reflektiven
Eigenschaften aufweist.
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Mit
einer solchen optischen Anordnung kann im Einzelfall mit nur einem
einzigen Element die komplette Anordnung aus Homogenisierer, Feldlinse
und Abbildungsobjektiv ersetzt werden, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung
einen konstruktiv besonders einfachen und damit kostengünstigen
Aufbau erhält.
Wenn die optische Anordnung eine Kombination derartiger optischer
Bauelemente aufweist, können übermäßige Ablenkwinkel,
wie sie bei den bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung auftreten,
vermieden werden, wodurch insbesondere Abbildungsfehler oder eine
unscharfe Ausleuchtung der Zielfläche des Werkstücks vermieden
werden können.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird mittels
des optischen Bauelements der Anordnung sowohl der Laserlichtstrahl
in die einzelnen Strahlsegmente eingeteilt als auch werden die einzelnen
Strahlsegmente mittels desselben optischen Bauelements zur Überlappung
auf der Zielfläche
des Werkstücks
abgelenkt.
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In
einer entsprechenden bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung weist
die optische Anordnung zumindest ein optisches Bauelement auf, das sowohl
den Laserlichtstrahl in die einzelnen Strahlsegmente einteilt als
auch die einzelnen Strahlsegmente zur Überlappung auf der Zielfläche des
Werkstücks
ablenkt.
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Bei
dieser Ausgestaltung wird der Vorteil erreicht, dass die optische
Anordnung insgesamt mit nur einem einzigen optischen Bauelement
auskommt, das sowohl die Funktion der Strahlhomogenisierung als
auch der Ablenkung bzw. Umlenkung des Laserlichtstrahls zur Zielfläche des
Werkstücks
erfüllt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der
Laserlichtstrahl mittels zumindest eines ersten optischen Bauelements
der optischen Anordnung in die einzelnen Strahlsegmente eingeteilt
und mittels zumindest eines zweiten optischen Bauelements werden
die einzelnen Strahlsegmente zur Überlappung auf der Zielfläche abgelenkt.
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In
einer entsprechenden bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung weist
die optische Anordnung zumindest ein erstes optisches Bauelement, das
den Laserlichtstrahl in die einzelnen Strahlsegmente einteilt, und
zumindest ein zweites optisches Bauelement auf, das die einzelnen
Strahlsegmente zur Überlappung
auf der Zielfläche
ablenkt.
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Gegenüber der
zuvor genannten Ausgestaltung kann diese Maßnahme den Vorteil haben, dass zwei
Bauelemente eingesetzt werden können,
die zumindest bezüglich
bestimmter Strahlsegmente keine besonders hohen Ablenkungswinkel
erzeugen müssen,
was die Herstellung solcher optischer Bauelemente vereinfacht. Optische
Bauelemente mit hohen Ablenkungswinkeln sind üblicherweise schwieriger herzustellen
als optische Elemente mit kleineren Ablenkungswinkeln.
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In
bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung werden
für die
optische Anordnung zumindest ein Beugungsgitter mit einer Mehrzahl
von Segmenten mit segmentweise unterschiedlichen Gitterprofilen,
wobei das Gitter vorzugsweise ein Blaze-Gitter mit segmentweise
unterschiedlichen Blaze-Winkeln ist, ein Prisma, dessen eine Grenzfläche mit
einer Gitterstruktur versehen ist, die eine Mehrzahl von Segmente
mit segmentweise unterschiedlichen Gitterprofilen aufweist, ein
Spiegel, der eine Mehrzahl von Segmenten aufweist, wobei die einzelnen
Spiegelsegmente zueinander unterschiedlich orientiert sind, und/oder
zumindest ein optisch abbildendes Element, bspw. eine Linse, das eine
Mehrzahl von Segmenten mit segmentweise unterschiedlichen Krümmungen
und/oder Brechzahlen aufweist, verwendet.
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Beispielsweise
ist es möglich,
den erfindungsgemäßen Effekt
einer gleichzeitigen Homogenisierung und Ablenkung des Laserlichtstrahls,
mit nur einem einzigen Beugungsgitter mit einem von Abschnitt zu
Abschnitt unterschiedlichen Gitterprofil zu realisieren, wobei darin
der Vorteil besteht, dass dieses Beugungsgitter so in Bezug auf
die Zielfläche des
Werkstücks
positioniert werden kann, dass es keinen Überlapp mit der Zielfläche in dessen
Normalenrichtung besitzt; so dass in Normalenrichtung abgestrahlte
Abstrahlprodukte dieses optische Bauelement nicht beeinträchtigen
können.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der
Vorrichtung wird für
die optische Anordnung zumindest ein refraktives und/oder diffraktives
Bauelement verwendet bzw. weist die optische Anordnung zumindest
ein refraktives und/oder diffraktives Bauelement auf, das eine Mehrzahl
von Segmenten mit segmentweise unterschiedlichen diffraktiven und/oder
refraktiven Eigenschaften und/oder Segmentgrößen aufweist, wobei dem ersten
Bauelement ein reflektives zweites Bauelement vor- oder nachgeordnet
ist, das zumindest eine reflektierende Fläche aufweist.
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Eine
solche Anordnung kann beispielsweise aus der Kombination eines facettierten
bzw. segmentierten Beugungsgitters mit einem nachgeordneten Spiegel
bestehen, oder aus einem Prisma, von dem eine erste Grenzfläche reflektierend,
beispielsweise unter Ausnutzung der Totalreflexion, genutzt wird, und
dessen weitere Grenzfläche
beispielsweise mit einer diffraktiven reflektierenden Gitterstruktur
versehen ist, wobei diese Gitterstruktur segmentweise unterschiedliche
Gitterprofile aufweist. Wie bereits erwähnt, kann mit solchen kombinierten
diffraktiven und/oder refraktiven und/oder reflektiven Elementen mit
geringeren Ablenkungswinkeln eine scharf begrenzte homogene Ausleuchtung
der Zielfläche
des Werkstücks
erreicht werden, wobei diese Bauelemente in Bezug auf das Werkstück so positioniert werden
können,
dass bei der Laserlichtbehandlung entstehende Abtragprodukte die
Bauelemente nicht beeinträchtigen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der
Laserlichtstrahl nacheinander durch zumindest zwei diffraktive und/oder
refraktive Bauelemente der optischen Anordnung gerichtet, von denen
zumindest eines eine Mehrzahl von Segmenten mit unterschiedlichen
diffraktiven und/oder refraktiven Eigenschaften und/oder Segmentgrößen aufweist.
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In
einer entsprechenden Ausgestaltung der Vorrichtung weist die optische
Anordnung zumindest zwei diffraktive und/oder refraktive Bauelemente
auf, von denen zumindest eines eine Mehrzahl von Segmenten mit unterschiedlichen
diffraktiven und/oder refraktiven Eigenschaften und/oder Segmentgrößen aufweist.
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Auch
bei dieser Maßnahme
kann auf reflektierende Bauelemente verzichtet werden, was den Vorteil
hat, dass reflektierende Beschichtungen, die Anlass zu Beschädigungen
geben können,
nicht erforderlich sind.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und der beigefügten
Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug
auf diese hiernach näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisch eine Vorrichtung
zur Bearbeitung eines Werkstücks
mit einem Laserlichtstrahl gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine Vorrichtung zur Bearbeitung
eines Werkstücks
mit einem Laserlichtstrahl gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel ähnlich zum
Ausführungsbeispiel
in 1;
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3 eine schematische Darstellung
eines optischen Bauelements zur Verwendung in der Vorrichtung in 1 bzw. in 2 in vergrößertem Maßstab;
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4 eine Vorrichtung zur Bearbeitung
eines Werkstücks
mit einem Laserlichtstrahl gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel;
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4a ein Wabenkondensor nach
dem Stand der Technik;
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5 eine Vorrichtung zur Bearbeitung
eines Werkstücks
mit einem Laserlichtstrahl gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel;
und
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6 eine Vorrichtung zur Bearbeitung
eines Werksktücks
mit einem Laserlichtstrahl gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel,
wiederum ähnlich
zu 1.
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In 1 ist eine mit dem allgemeinen
Bezugszeichen 10 versehene Vorrichtung zur Bearbeitung
eines Werkstücks 12 mit
einem Laserlichtstrahl 14 dargestellt. Mit der Vorrichtung 10 wird
ein Verfahren zur Bearbeitung des Werkstücks 12 mit dem Laserlichtstrahl 14 durchgeführt, das
beispielsweise in einem Schweißen,
Härten
oder Abtragen von Material des Werkstücks 12 besteht.
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Der
Laserlichtstrahl 14 wird von einer nicht dargestellten
Laserlichtquelle erzeugt und gegebenenfalls durch einen der Laserlichtquelle
nachgeschalteten Kollimator kollimiert.
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Der
Laserlichtstrahl 14 weist einen Gesamtquerschnitt Q auf.
Von dem Laserlichtstrahl 14 sind in 1 Einzelstrahlen 16, 18, 20, 22, 24, 26 zur
Veranschaulichung dargestellt. Die Einzelstrahlen 16 und 26 begrenzen
den Laserlichtstrahl 14.
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Die
Vorrichtung 10 weist eine Strahlführungseinrichtung 28 auf,
die so ausgebildet ist, dass der Laserlichtstrahl 14 mit
im Wesentlichen homogener Intensitätsverteilung flächig auf
eine Zielfläche 30 des
Werkstücks 12,
die einen Querschnitt A aufweist, gerichtet wird. Wie aus 1 hervorgeht, trifft dabei der
Laserlichtstrahl 14 unter einem Winkel von ungleich 90° auf die
Zielfläche 30,
d.h. der Laserlichtstrahl 14 fällt schräg auf die Zielfläche des
Werkstücks 12 ein.
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Dazu
weist die Strahlführungseinrichtung 28 eine
optische Anordnung 32 auf, die ein optisches Bauelement
in Form eines Beugungsgitters 34 aufweist.
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Die
optische Anordnung 32, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ausschließlich aus dem
Beugungsgitter 34 besteht, ist so ausgebildet, dass der
Laserlichtstrahl 14 in einzelne Strahlsegmente eingeteilt
wird, von denen in 1 die
Strahlsegmente 36, 38 und 40 zur Veranschaulichung
dargestellt sind. Die optische Anordnung 32 in Form des Beugungsgitters 34 bewirkt
nun, dass die einzelnen Strahlsegmente 36, 38 und 40 mit
unterschiedlichen Ablenkungswinkeln derart auf das Werkstück 12 gerichtet
werden, dass sie sich auf der Zielfläche 30 überlappen,
wie in 1 dargestellt
ist.
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In 1 sind lediglich die drei
Strahlsegmente 36, 38 und 40 dargestellt,
es versteht sich jedoch, dass die Anzahl der Strahlsegmente größer sein kann
und in der Praxis auch größer ist.
Das Strahlsegment 36 ist durch die Einzelstrahlen 16 und 18 begrenzt,
das Strahlsegment 38 durch die Einzelstrahlen 20 und 22 und
das Strahlsegment 40 durch die Einzelstrahlen 24 und 26.
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Die
Segmentierung des Laserlichtstrahls 14 in die Strahlsegmente 36, 38 und 40 wird
durch das Beugungsgitter 34 bewirkt.
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Dazu
weist das optische Bauelement in Form des Beugungsgitters 34 eine
Mehrzahl von Segmenten mit segmentweise unterschiedlichen diffraktiven Eigenschaften
auf. In 1 sind entsprechend
der eingezeichneten drei Strahlsegmente 36, 38 und 40 drei
entsprechende Segmente des Beugungsgitters 34 mit den Bezugszeichen 42, 44 und 46 versehen.
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Die
zuvor erwähnten
untereinander unterschiedlichen diffraktiven Eigenschaften in den
Segmenten 42, 44 und 46 werden durch
jeweils unterschiedliche Gitterprofile erzeugt, wie in 3 in einer vergrößerten Darstellung
des Beugungsgitters 34 angedeutet ist. Beispielsweise kann
das Beugungsgitter 34 ein Blaze-Gitter bzw. Echelette-Gitter
sein, mit segmentweise unterschiedlichen Blaze-Winkeln.
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Das
Beugungsgitter 34 kann zusätzlich auch noch refraktive
Eigenschaften haben, d.h. zusätzlich mit
einer Brechkraft der einzelnen Segmente 42, 44 und 46 versehen
sein, die ebenfalls segmentweise unterschiedlich gewählt werden
kann.
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Die
Größe B, B', B'' der Strahlsegmente 36, 38 und 40 und
die Ablenkwinkel θ sind
derart gewählt,
dass die einzelnen Strahlsegmente 36, 38, 40 am
Werkstück 12 die
Zielfläche 30 homogen
ausleuchten.
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Für den Ablenkungswinkel
gilt
und für die Größe der Strahlsegmente gilt
B = tan Θ·A -
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 wird vollständig auf
Umlenkspiegel zum Ablenken des Laserlichtstrahls 14 auf
die Zielfläche 30 verzichtet.
Außerdem
entfallen gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Homogenisierer, eine Feldlinse und ein Abbildungsobjektiv,
da die optische Anordnung 32 so getroffen ist, dass die
Funktionen des Homogenisierens des Laserlichtstrahls 14 sowie
des Ablenkens und Abbildens auf die Zielfläche 30 des Werkstücks 12 allein
durch, das optische Bauelement in Form des Beugungsgitters 34 realisiert
sind.
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Wie
aus 1 hervorgeht, ist
die Größe der Strahlsegmente 36, 38 und 40 über das
optische Bauelement in Form des Beugungsgitters 34 gesehen
nicht konstant, sondern variiert von Abschnitt 42 zu Abschnitt 44 und
zu Abschnitt 46. Auch die Ablenkungswinkel sind über das
optische Bauelement in Form des Beugungsgitters 34 nicht
symmetrisch oder gleichmäßig verteilt,
sondern nehmen von dem Abschnitt 42 zu dem Abschnitt 46 hin
ab.
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Die
Anzahl, die Größe der Segmente 36, 38 und 40 und
die einzelnen Ablenkungswinkel θ ergeben
sich aus der Anforderung an ein scharf begrenztes Beleuchtungsgebiet
in der zum einfallenden Laserlichtstrahl 14 gekippten Zielfläche 30.
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Ferner
ist in dem Ausführungsbeispiel
in 1 noch eine Blende 48 vorgesehen.
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Bei
dem Verfahren zur Behandlung des Werkstücks 12 mit dem Laserlichtstrahl 14 wird
der Laserlichtstrahl 14 auf die optische Anordnung 32, d.h.
das Beugungsgitter 34 gerichtet, wobei dann das Beugungsgitter 34 den
Laserlichtstrahl 14 in die Strahlsegmente 36, 38 und 40 bzw.
weitere Strahlsegmente ein teilt und die einzelnen Strahlsegmente 36, 38 und 40 bzw.
die weiteren Strahlsegmente dann mit unterschiedlichen Ablenkungswinkeln θ auf die
Zielfläche 30 des
Werkstücks 12 abgelenkt
werden, wo sie mit homogener Intensitätsverteilung die Zielfläche 30 scharf
begrenzt ausleuchten. Bei der Behandlung des Werkstücks 12 mit
dem Laserlichtstrahl 14 von der Zielfläche 30 in deren Normalenrichtung
abgestrahlte Abtragprodukte können
das Beugungsgitter 34 nicht. beeinträchtigen, da das Beugungsgitter 34 parallel
zur Normalenrichtung der Zielfläche 30 verläuft. Die
Blende 48 verhindert des Weiteren nicht nur eine Beaufschlagung
des Werkstücks 12 mit
Streulicht, sondern ebenso eine Beaufschlagung des Beugungsgitters 34 mit
Abtragprodukten, die bei der Bearbeitung des Werkstücks 12 mit dem
Laserlichtstrahl 14 entstehen.
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In 2 ist eine gegenüber dem
Ausführungsbeispiel
in 1 geringfügig abgewandelte Vorrichtung 50 zur
Bearbeitung des Werkstücks 12 mit
dem Laserlichtstrahl 14 dargestellt, die eine Strahlführungseinrichtung 52 aufweist,
mit einer optischen Anordnung 54, die ein optisches Bauelement in
Form eines Beugungsgitters 56 aufweist, das im Unterschied
zu dem Beugungsgitter 34 nicht in Transmission, sondern
in Reflexion genutzt wird. Das Beugungsgitter 56 ist wie
das Beugungsgitter 34 mit segmentweise unterschiedlichen
Gitterprofilen ausgestaltet, entsprechend dem Beugungsgitter 34 gemäß 3, wobei sich die unterschiedlichen
Gitterprofile wie bei dem Beugungsgitter 34 durch unterschiedlich
gewählte
Blaze-Winkel realisieren lassen.
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Anstelle
des in Reflexion genutzten Beugungsgitters 56 kann auch
ein Spiegel verwendet werden, der eine Mehrzahl von Segmenten aufweist, wobei
die einzelnen Spiegelsegmente zueinander unterschiedlich orientiert
sind. Für
die Größe B der einzelnen
Abschnitte und die Ablenkungswinkel θ gelten bei dem segmentierten
in Reflexion genutzten Beugungsgitter 56 bzw. bei einem
wie zuvor erwähnt segmentierten
Spiegel die gleichen Formeln wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
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In 4 ist eine weitere, mit
dem allgemeinen Bezugszeichen 60 versehene Vorrichtung
Azur Bearbeitung des Werkstücks 12 mit
dem Laserlichtstrahl 14 dargestellt.
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Während bei
den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
die optische Anordnung 32 bzw. 54 jeweils ein
optisches Bauelement in Form des in Transmission genutzten Beugungsgitters 34 bzw. des
in Reflexion genutzten Beugungsgitters 56 aufweisen, die
den Laserlichtstrahl 14 sowohl in die einzelnen Strahlsegmente
zerlegen als auch die einzelnen Strahlsegmente zur Überlappung
auf der Zielfläche 30 des
Werkstücks 12 ablenken,
werden bei der Vorrichtung 60 die Funktion des Homogenisierens und
Ablenkens durch zumindest zwei Bauelemente realisiert, wie nachfolgend
beschrieben wird.
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Eine
Strahlführungseinrichtung 62 der
Vorrichtung 60 weist eine optische Anordnung 64 auf,
die ein erstes in Transmission betriebenes optisches Bauelement 66 beinhaltet.
Dieses Element übernimmt
die Funktion des Homogenisierens bzw. Segmentierens des Laserlichtstrahls 14.
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Das
Element 66 kann sowohl in Form eines facettierten oder
segmentierten Beugungsgitter ausgelegt sein, wie in 3 dargestellt, oder alternativ in Form
eines sogenannten Wabenkondensors, bestehend aus refraktiven Einzelelementen
bzw. aus einer Kombination eines Linsenarrays und einer nachgeschalteten
Linse wie in 4a dargestellt.
Wesentlich ist dabei, dass das Element 66 eine Mehrzahl
von Segmenten aufweist, von denen in 4 drei
Segmente mit den Bezugszeichen 68, 70 und 72 versehen
sind, in denen die diffraktiven, bzw. refraktiven Eigenschaften
von Segment zu Segment unterschiedlich sind.
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Dem
Element 66 ist ein zweites optisches Bauelement der optischen
Anordnung 64 in Form eines Spiegels 74 nachgeordnet,
der über
seine gesamte Fläche
durchgehend gleiche reflektive Eigenschaften aufweist.
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Um
die gekippte Zielfläche 30 des
Werkstücks 12 homogen
und scharf begrenzt auszuleuchten, ist es erforderlich, entweder
die Größe B der Strahlsegmente 36, 38 bzw. 40 oder
den Ablenkwinkel θ der
einzelnen Strahlsegmente, die durch die einzelnen Segmente 68, 70, 72 erzeugt
werden, ungleichmäßig und
unsymmetrisch zu gestalten.
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Für die Größe B der
Segmente
68,
70 bzw.
72 zur Erzeugung
einer um den Winkel α gekippten Zielfläche
30 gilt
BΘ = A·cos α + A·sinα – sinΘ,mit
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 80 zur Bearbeitung des Werkstückes 12 mit
dem Laserlichtstrahl 14 dargestellt.
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Die
Vorrichtung 80 weist eine Strahlführungseinrichtung 82 mit
einer optischen Anordnung 84 auf, die wiederum ausschließlich ein
optisches Bauelement in Form eines Prismas 86 aufweist.
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Der
einfallende Laserlichtstrahl 14 wird zunächst an
einer ersten Grenzfläche 88 des
Prismas 86 totalreflektiert. Das Prisma 86 ist
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ein rechtwinkliges Prisma, und die Grenzfläche 88 bildet die
Hypotenuse des Prismas 86. Der an der Grenzfläche 88 totalreflektierte Laserlichtstrahl 14 fällt dann
auf eine zweite Grenzfläche 90 des
Prismas 86, die mit einem segmentierten bzw. facettierten
reflektierenden Beugungsgitter bzw. einer Gitterstruktur 92 versehen
ist, d.h. eine Gitterstruktur, die eine Mehrzahl von Segmenten 94, 96 und 98 bzw.
weitere Segmente mit unterschiedlichen Gitterprofilen aufweist, ähnlich zu
den Ausführungsbeispielen
in 1 und 2.
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Für die Größe der Segmente 94, 96 und 98 bzw.
der Gittersegmente gelten ähnliche
Formeln wie bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4, jedoch muss die Brechung
beim Austritt der einzelnen Strahlsegmente 36, 38 und 40 in
den Ablenkwinkel und die Segmentgröße eingerechnet werden.
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Schließlich ist
in 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung 100 zur Bearbeitung des Werkstückes 12 mit
dem Laserlichtstrahl 14 dargestellt, die eine Strahlführungseinrichtung 102 mit einer
optischen Anordnung 104 aufweist, die ein erstes optisches
Bauelement 106 in Form eines ähnlich zu 1 segmentierten, d.h. abschnittsweise
mit unterschiedlichen diffraktiven oder refraktiven Eigenschaften
ausgestaltetes Element auf, das die Strahlhomogenisierung und Segmentierung
des Laserlichtstrahl 14 bewirkt. Ähnlich einem sogenannten Wabenkondensor,
wie er in 4a dargestellt
ist, kann das Element auch mit einer nicht dargestellten Linse kombiniert
sein.
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Das
zusätzliche
Element 108 in Form eines durchgängigen Beugungsgitters dient
dazu, dass das segmentierte Beugungsgitter 106 keine allzu
großen Ablenkungswinkel
erzeugen muss, wie dies im Fall des Ausführungsbeispiels in 1 ist, da solche Beugungsgitter
mit sehr hohen Ablenkungswinkeln schwieriger herzustellen sind als
solche mit kleineren Ablenkungswinkeln.
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In
Abwandlung aller zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele sind weitere
Strahlführungseinrichtungen
mit optischen Anordnungen denkbar, die segmentierte diffraktive
Strukturen mit Abschnitten bzw. Segmenten unterschiedlicher Größe und optischer
Eigenschaft besitzen, wobei die Segmente bzw. Abschnitte mit zusätzlicher
Brechkraft ausgelegt sein können,
ebenso sind segmentierte Spiegel mit abschnittsweise unterschiedlich
orientierten Spiegelsegmenten sowie deren Kombination mit Prismen, Spiegeln
und Linsen denkbar.