(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏向光学系（ＡＯ）を用いレーザビーム（ＬＳｔ）により孔をあけるための光学孔あけ装置であって、
前記偏向光学系（ＡＯ）により孔の輪郭が設定され、
該偏向光学系（ＡＯ）は、工作物（Ｗ）へのレーザビーム（ＬＳｔ）の射し込み角度（δα）を定める装置を有しており、
レーザビームを工作物（Ｗ）上またはその近くでフォーカシングさせるためのフォーカシング光学系（Ｌ）が設けられている光学孔あけ装置において、
前記射し込み角度（δα）を定める装置は、該射し込み角度（δα）に対し０とは異なる種々の角度が生じるよう、該射し込み角度（δα）を変化させ、
前記射し込み角度（δα）を定める装置は偏向光学系（ＡＯ）の少なくとも１つの偏向ミラー（Ｓｐ１）であり、フォーカシング光学系（Ｌ）に対する該偏向ミラー（Ｓｐ１）の光学的な間隔が主光軸（ＯＡ）と平行に変えられることを特徴とする、光学孔あけ装置。
【請求項２】
前記のミラー（Ｓｐ１）および／またはフォーカシング光学系（Ｌ）は変位可能に支承されており、および／または光学経路長を制御する素子が間に配置されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
偏向光学系（ＡＯ）を用いレーザビーム（ＬＳｔ）により孔をあけるための光学孔あけ装置であって、
前記偏向光学系（ＡＯ）により孔の輪郭が設定され、
該偏向光学系（ＡＯ）は、工作物（Ｗ）へのレーザビーム（ＬＳｔ）の射し込み角度（δα）を定める装置を有しており、
レーザビームを工作物（Ｗ）上またはその近くでフォーカシングさせるためのフォーカシング光学系（Ｌ）が設けられている光学孔あけ装置において、
前記射し込み角度（δα）を定める装置は、該射し込み角度（δα）に対し０とは異なる種々の角度が生じるよう、該射し込み角度（δα）を変化させ、
前記偏向光学系（ＡＯ）は、孔の輪郭を設定するためくさびプレート（Ｋ）を有し、射し込み角度（δα）を定めるため面平行プレート（ＰＰ）を有しており、
前記の偏向光学系（ＡＯ）とフォーカシング光学系（Ｌ）との間の光学経路長を変えるため、前記くさびプレート（Ｋ）がユニットとして面平行プレート（ＰＰ）といっしょに主光軸（ＯＡ）と平行にシフト可能に、および／または前記フォーカシング光学系（Ｌ）がシフト可能に支承されており、および／または光学素子が間に配置されていることを特徴とする、光学孔あけ装置。
【請求項４】
前記フォーカシング光学系（Ｌ）における少なくとも１つのレンズは、屈折率により射し込み角度（δα）を定めるように構成されている、請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏向光学系（ＡＯ）を用いレーザビーム（ＬＳｔ）により孔をあけるための光学孔あけ装置に関する。この場合、前記偏向光学系により孔の輪郭が設定され、該偏向光学系は、工作物へのレーザビームの射し込み角度を定める装置を有しており、レーザビームを工作物上またはその近くでフォーカシングさせるためのフォーカシング光学系が設けられている。
【背景技術】
【０００２】  この種の光学装置は DE 197 41 029 A1 において公知のもとして示されている。たとえば噴射ノズルにおける噴射孔をあけるためのこの公知の装置の場合、望まし半径つまりトレパニング半径をもつレーザビームが導かれ、これは所望の孔半径に対応する。主ビームの方向を変化させることにより、ビーム工具の射し込み角度つまりは孔のテーパを変えることができる。望ましいトレパニング半径を設定するため、レーザビームを工作物上で束ねるフォーカシング光学系の手前にくさびプレートが配置され、さらにその前には射し込み角度ないしは入射角の調整用に傾斜可能な平行平面プレートがレーザビーム束の変位装置として設けられている。射し込み角度を調整するためのビーム変位とトレパニング半径を調整するためのビーム変位は別個に設定可能である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  本発明の課題は、冒頭で述べた形式の光学装置において、たとえば射し込み角度と孔の長手方向セクションの所期の形状の設定のための新たな構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、前記射し込み角度（δα）を定める装置は、該射し込み角度（δα）に対し０とは異なる種々の角度が生じるよう、前記射し込み角度（δα）を変化させ、前記射し込み角度（δα）を定める装置は偏向光学系（ＡＯ）の少なくとも１つの偏向ミラー（Ｓｐ１）であり、フォーカシング光学系（Ｌ）に対する該偏向ミラー（Ｓｐ１）の光学的な間隔が主光軸（ＯＡ）と平行に変えられることにより解決される。さらに上記の課題は、請求項３記載の装置によって解決される。
【発明を実施するための形態】
【０００５】  たとえば光学孔あけ装置の場合にはレーザビーム誘導用のスキャナ光学系とともに設けられている偏向ミラーは、主光軸に平行に変位可能に支承することでレンズから様々な距離のところにつまりはそのレンズの焦点の外に位置決めすることができ、その結果、レーザビーム束を様々な角度でフォーカシング光学系に向けることができ、つまりは様々な主方向で工作物に配向可能でもある。これにより偏向ミラーの位置に応じて種々の射し込み角度ないしは入射角つまりは孔の長手方向セクションが得られるようになり、その際にたとえば孔の入口側開口部から出口側開口部に向かって拡がるまたは狭くなる輪郭を設定することができ、様々なテーパを実現することができる。この場合、工作物に関してレーザビームを種々異なる位置でフォーカシングさせることによっても、たとえば孔の出口側近くまたは入口側近くでフォーカシングさせることによっても、長手方向セクションを変化させることができる。その際に偏向光学系をたとえば、様々な孔の横断面形状が実現されるように構成することもできる。互いに直交する２つの軸を中心に旋回可能な２つのミラーを備えたスキャナ光学系であればこのことは周知のように、各ミラーを所定のように互いに別個に制御することによって行われる。
【０００６】  その際に有利な構成によれば、ミラーおよび／またはフォーカシング光学系はシフト可能に支承されており、および／または光学経路長を制御する素子がその間に配置されている。
【０００７】  所望の孔の長手方向セクションを実現するための別の構成によれば、偏向光学系とフォーカシング光学系との間の光学経路長を変化させるために、くさびプレートだけがまたはユニットとして面平行プレートともに主光軸に平行にシフト可能に支承されており、および／またはフォーカシング光学系がシフト可能に支承されている。くさびプレートもしくはフォーカシング光学系を面平行プレートと共働させてシフトさせることによっても、フォーカシング光学系に対する様々な入射角を達成することができ、その結果として様々な入射角が得られ上述の形状を実現できるようになる。そしてこの場合にも、工作物に対する焦点の調節により長さ方向の輪郭をさらに制御することができる。また、やはり光学経路長を制御する素子を偏向光学系とフォーカシング光学系との間に配置させることができる。
【０００８】  課題を解決するためそして既述のように所望の孔の長手方向セクションを実現するためのさらに別の構成によれば、くさびプレートまたはレンズ状の素子が傾斜可能に支承されている。くさびプレートの傾斜によって、孔の長手方向セクションの成形のために望ましいレーザビームの調節が行われる。この場合、レンズ状の素子としてたとえば一方の側を湾曲させたくさびプレートが用いられる。
【０００９】  課題を解決するためそして規定された孔の長手方向セクションを実現するためのさらに別の構成によれば、入射角を定めるための装置は少なくとも１つの回折素子または屈折素子を有しており、また、入射角を定める装置は少なくとも１つの適応形ミラーまたは特別に湾曲させたミラーを有している。最後に挙げた両方の構成の場合、たとえば回折素子または屈折素子の交換もしくは適応形ミラーまたは特別に湾曲させたミラーの交換により、様々な孔の長手方向セクションを実現できる。この構成と先に挙げた構成との組み合わせも考えられる。
【００１０】  本発明による装置の有利な実施形態によれば、フォーカシング光学系における少なくとも１つのレンズが特別に実現された屈折率により入射角を定めるように構成されている。フォーカシング光学系にこのように特別な屈折特性をもたせることによって、孔の長手方向セクションの輪郭をさらに所期のように制御することができる。
【００１１】  たとえばスキャナ光学系またはトレパニング光学系を備えた光学装置は、工作物にたとえば噴射ノズルなどのような精密な孔をあけたり刻んだりするのに適しており、この場合、孔の幅は材料の厚さに比べて相対的に小さく、たとえば材料の厚さの半分よりも僅かである。たとえば１ｍｍよりも大きい厚さの工作物に１００μｍの幅の孔を取り込むことができる。
【００１２】  次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【実施例】
【００１３】  レーザビームＬＳｔを用いて工作物Ｗに孔をあけるためのもしくは刻むための図１に示されている光学装置は、互いに別個に旋回可能な２つのミラーＳｐ１，Ｓｐ２を有しており、この場合、回転軸が互いに直交するように配置されている。たとえばミラーＳｐ１を用いることでレーザユニットＬＡから到来するレーザビームＬＳｔが図平面において偏向される一方、ミラーＳｐ２を用いることで図平面に対し垂直な偏向が行われる。ビーム路中でミラーＳ２のあとに続くレンズＬをもつ光学系によりレーザビームＬＳｔが工作物Ｗ上にフォーカシングされ、これは開孔もしくは切断のためのエネルギーを束ねるためである。この場合、工作物Ｗの距離はレンズＬの焦点距離に対応し、切断特性もしくは開孔特性ならびに開口部輪郭の作用を変化させるため、たとえば開口部の入口側であるかその出口側が焦点の近くにおかれるよう、この距離を様々に調整することもできる。【００１４】  ミラーＳｐ１はたとえば、仮想の図Ｓｐ１′により破線で描かれているように、ビーム路中においてレンズＬよりも手前で焦点距離ｆ内におかれる。これによりレーザビームＬＳｔのビーム束は、フォーカシング光学系Ｌから工作物Ｗへ主光軸ＯＡについて角度δαで入射するよう、傾斜してフォーカシング光学系Ｌに当たる。その結果、レーザビームは工作物Ｗに斜めに射し込むようになり、このことで孔入口側から孔出口側へと孔の長手方向セクションを拡げることができるようになる。第１のミラーＳＰ１の位置を変えることにより、射し込み角度すなわち入射角δαつまりは輪郭経過を孔の長手方向セクションにわたって変えることができ、その際、様々な開口角をもつ円錐形の拡開形状の代わりにたとえば様々な開口角をもつ円錐形の先細り形状を実現できる。また、上述のようにフォーカシング光学系Ｌと工作物Ｗとの距離を変えることでも、長手方向セクションの輪郭を制御できる。たとえば仮想の図Ｓｐ１′の距離が距離ｆにあるとき、入射角δαは０になる。【００１５】  長手方向セクションにおける孔の輪郭のさらに別の制御は、屈折率の特別な構成のもとで焦点距離または焦点特性についてレンズＬを適切に選択することにより達成することができ、したがって個々の適用事例に合わせることができるようになる。たとえばこの光学装置は、ディーゼル噴射ノズルの孔の製造や、精確に再現可能な所望のインジェクションイメージの達成に適している。また、円形の孔横断面のほか、別個に旋回可能なミラーＳｐ１，Ｓｐ２の相応の制御により、実質的に任意の他の孔横断面も実現できる。さらにこの装置は、材料の厚さと比べて幅の小さい孔の開孔もしくは切断に適用され、ここで孔の幅に対する材料の厚さの係数はたとえば５または１０よりも大きい。【００１６】  図２には、光学的に孔をあけるための別の装置がトレパニング光学系として描かれている。この場合、レーザビームＬＳｔのビーム路において（ここには図示されていない）レーザユニットＬＡからみてまずはじめに面平行プレートＰＰが配置されており、これによってレーザビームＬＳｔは主光軸ＯＡに関して平行にずらされ、さらにレンズＬをもつフォーカシング光学系の手前にはくさびプレートＫが配置されており、これによって���ーザビームＬＳｔが傾けられる。主光軸ＯＡの領域からの平行移動およびそれに続く傾斜によってレーザビームＬＳｔはレンズＬに斜めに当射し、レンズＬから工作物Ｗへ導かれそこで束ねられるレーザビームＬＳｔの主方向が主光軸ＯＡの方向から入射角δαだけ逸れるようになる。レンズＬに対しくさびプレートＫを、あるいはくさびＫに対しレンズＬを、主光軸ＯＡに平行にずらすことにより、レンズＬにおけるレーザビームＬＳｔの投射角つまりは入射角δαを変えることができる。この場合、くさびプレートＫを面平行プレートＰＰとは別個にずらすことができるし、あるいはそれといっしょにユニットとしてずらすことができる。また、冒頭で挙げた DE 197 41 029 A1 に示されているように、２つ１組のくさび−くさびプレートＫの相対的なシフトによりトレパニング半径を変えることができる。【００１７】  さらに、いわば傾斜されたレンズが生じるようにくさびプレートＫを傾けたり付加的な湾曲をつけたりして、入射角を変えることもできる。【００１８】  また、偏向光学系ＡＯを全体的にあるいは部分的に、回折特性または屈折特性をもつ光学素子によって置き換えることができる。さらにビーム偏向のために適応形ミラーおよび／または適応形レンズ素子を用いることができる。さらに所期のように実現された屈折率をもつレンズを、孔の長手方向セクションをさらに制御するために使用することができる。【００１９】  変位運動は孔の長手方向セクションの所望の輪郭を実現するために重要であるので、変位メカニズムは変位運動の再現可能な精確な調節が行われるように構成されており、その際に調節装置は、規定された手動のシフトが行われるように、あるいは制御ユニットを用いて自動的に制御されるシフトが行われるように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  レーザビームにより孔をあけるためのスキャナ光学系を備えた光学装置の概略図である。
【図２】  レーザビームにより孔をあけるためのトレパニング光学系を備えた別の光学装置を示す図である。
【符号の説明】  ＬＡ  レーザユニット
Ｌｓｔ  レーザビーム
Ｓｐ１，Ｓｐ２  旋回可能なミラー
ＡＯ  偏向光学系
Ｗ  工作物
ＯＡ  光軸
ＰＰ  面平行プレート
Ｋ  くさびプレート
Ｌ  フォーカシング光学系
【図１】
0005408831.tif 000002
【図２】
0005408831.tif 000003