"Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit Laserlicht" "Device for processing a workpiece with laser light"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, umfassend mindestens eine Laserlichtquelle zur Erzeugung mindestens eines Laserlichtbundels sowie Mittel zur Erzeugung mindestens eines lateralen Fokusmusters des mindestens einen Laserlichtbundels auf einer Oberfläche des Werkstücks.The present invention relates to a device for machining a workpiece, comprising at least one laser light source for generating at least one laser light bundle and means for generating at least one lateral focus pattern of the at least one laser light bundle on a surface of the workpiece.
Die Lasertechnik hat sich mittlerweile zu einer der Standardtechniken zur Bearbeitung von Werkstücken entwickelt. Neuartige Verfahren wie beispielsweise das Laserschweißen, das Laserschneiden oder das Laserbohren sind aus dem Gebiet der Materialbe- und Verarbeitung nicht mehr wegzudenken.Laser technology has developed into one of the standard techniques for machining workpieces. Novel processes such as laser welding, laser cutting or laser drilling have become indispensable in the field of material processing and processing.
Zu den besonderen Vorteilen der Laserbearbeitung zählt unter anderem, dass die in das Werkstück eingebrachte thermische Energie hinreichend festlegbar ist. Bei einer kurzen Bestrahlungsdauer des Werkstücks wird ausschließlich die Werkstückoberfläche erwärmt, wohingegen eine längere Bestrahlungsdauer zu einer durchgehenden Erwärmung des Werkstücks führt.One of the special advantages of laser processing is that the thermal energy introduced into the workpiece can be adequately determined. With a short exposure time of the workpiece, only the workpiece surface is heated, whereas a longer exposure time leads to continuous heating of the workpiece.
Auch in der Mikroelektronik werden verschiedene Laserstrahlverfahren eingesetzt. Beispielsweise wird bei der Laserlithographie ein Photolack eines Wafers gezielt mit Laserlicht bestrahlt. Danach werden abhängig von der Art des verwendeten Photolacks die bestrahlten oder unbestrahlten Bereiche abgelöst. Die auf diese Weise strukturierte Oberfläche wird anschließend großflächig beschichtet, geätzt oder dotiert.Various laser beam processes are also used in microelectronics. In laser lithography, for example, a photoresist of a wafer is specifically irradiated with laser light. Then, depending on the type of photoresist used, the irradiated or unirradiated areas are detached. The surface structured in this way is then coated, etched or doped over a large area.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise bekannt, kleine optische Faserelemente, die gegebenenfalls gebogen sein können,
nebeneinander in der Weise anzuordnen, dass auf der Oberfläche des Werkstücks ein laterales Fokusmuster des Laserlichts erzeugt wird.It is known from the prior art, for example, small optical fiber elements, which can optionally be bent, to be arranged side by side in such a way that a lateral focus pattern of the laser light is generated on the surface of the workpiece.
Eine derartige Maske, die aus einer Vielzahl optischer Fasern besteht ist allerdings relativ umständlich herzustellen.Such a mask, which consists of a large number of optical fibers, is relatively difficult to manufacture.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.This is where the present invention comes in.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die einfacher herzustellen und flexibler zu handhaben ist.The object of the present invention is to provide a device for machining a workpiece of the type mentioned at the outset, which is easier to manufacture and more flexible to handle.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.The solution to this problem is provided by a device of the type mentioned with the characterizing features of the main claim.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass die Mittel zur Erzeugung des lateralen Fokusmusters mindestens eine Linsenmaske umfassen, die eine Mehrzahl strukturierter Linsensegmente aufweist. Die Linsensegmente sind in der Weise strukturiert, dass sie das mindestens eine Laserlichtbündel so auf die Oberfläche des Werkstücks fokussieren, dass dort das gewünschte laterale Fokusmuster generiert wird . Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise eingesetzt werden, um gezielt Material von der Oberfläche abzutragen, so dass die Oberfläche strukturiert wird . Nur in den Bereichen der Oberfläche, auf die das mindestens eine Laserlichtbündel fokussiert wird , ist die thermische Energiedichte so hoch, dass in diesen Bereichen Material von der Oberfläche abgetragen werden kann. Die Vorrichtung kann beispielsweise auch dazu eingesetzt werden, zwei oder mehrere Werkstücke im Bereich einer gemeinsamen Fügenaht miteinander zu
verschweißen. Dabei wird mittels der Linsenmaske ein laterales Fokusmuster generiert, das der gewünschten Kontur der Schweißnaht entspricht, welche die mindestens zwei Werkstücke verbindet. Als Laserlichtquelle können herkömmliche Laserlichtquellen eingesetzt werden, die gegebenenfalls gepulst sein können.In the solution according to the invention it is proposed that the means for generating the lateral focus pattern comprise at least one lens mask which has a plurality of structured lens segments. The lens segments are structured in such a way that they focus the at least one laser light beam on the surface of the workpiece in such a way that the desired lateral focus pattern is generated there. The device according to the invention can be used, for example, to selectively remove material from the surface, so that the surface is structured. Only in the areas of the surface on which the at least one laser light bundle is focused is the thermal energy density so high that material can be removed from the surface in these areas. The device can also be used, for example, to join two or more workpieces together in the area of a joint joint weld. A lateral focus pattern is generated by means of the lens mask, which corresponds to the desired contour of the weld seam that connects the at least two workpieces. Conventional laser light sources, which can optionally be pulsed, can be used as the laser light source.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die strukturierten Linsensegmente auf einer ersten, der Oberfläche des Werkstücks während des Betriebs der Vorrichtung zugewandten Seite eine mindestens abschnittsweise konkav geformte optisch funktionale Grenzfläche auf. Das bedeutet, dass diese Linsensegmente, eine negative Brennweite besitzen. Das im Wesentlichen parallele, auf die Linsenmaske auftreffende Laserlichtbündel wird demzufolge im weiteren Strahlverlauf so abgebildet, als hätte es seinen Ursprung in einem virtuellen Brennpunkt, der vor der Laserlicht-Eintrittsfläche der Linsenmaske liegt. Dadurch wird insbesondere der weitere Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung vereinfacht, da anhand der Lage des virtuellen Brennpunkts der strukturierten Linsensegmente sehr einfach vorausberechnet werden kann, wo das Werkstück und gegebenenfalls weitere optisch abbildende Elemente der Vorrichtung angeordnet werden müssen, damit das mindestens eine Laserlichtbündel zur Erzeugung des lateralen Fokusmusters auf die Oberfläche fokussiert wird und dort beispielsweise Material abtragen kann oder Werkstücke miteinander verschweißen kann.In a particularly preferred embodiment, the structured lens segments have an optically functional interface, which is concavely shaped at least in sections, on a first side facing the surface of the workpiece during operation of the device. This means that these lens segments have a negative focal length. The essentially parallel laser light beam striking the lens mask is consequently imaged in the further beam path as if it had its origin in a virtual focal point which lies in front of the laser light entry surface of the lens mask. This in particular simplifies the further construction of the device according to the invention, since the position of the virtual focal point of the structured lens segments makes it very easy to predict where the workpiece and possibly further optically imaging elements of the device must be arranged so that the at least one laser light bundle for generating the lateral focus pattern is focused on the surface and can, for example, remove material there or weld workpieces to one another.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Linsenmaske abschnittsweise im Wesentlichen konkav-zylindrische Linsensegmente zur Erzeugung eines abschnittsweise im Wesentlichen linearen lateralen Fokusmusters auf der Oberfläche umfasst. Die Linsenmaske kann auch abschnittsweise im Wesentlichen plankonkav-zylindrische Linsensegmente zur Erzeugung des abschnittsweise im wesentlichen linearen Fokusmusters
umfassen. Diejenige Seite der Linsensegmente, aus der das Laserlichtbündel austritt, ist bei diesen konkav-zylindrischen beziehungsweise plankonkav-zylindrischen Linsensegmenten abschnittsweise rinnenartig strukturiert. Jedes dieser einzelnen konkav-zylindrischen beziehungsweise plankonkav-zylindrischen Linsensegmente kann abschnittsweise ein im wesentlichen lineares laterales Fokusmuster auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugen. Es ist klar, dass die Länge dieser im Wesentlichen linearen lateralen Fokusmuster einerseits von der Dimensionierung der konkavzylindrischen beziehungsweise plankonkav-zylindrischen Linsensegmente und andererseits von der Anzahl der aneinandergereihten Linsensegmente dieses Typs abhängt.A particularly preferred embodiment provides that the lens mask in sections comprises essentially concave-cylindrical lens segments for generating a partially linear lateral focus pattern on the surface. The lens mask can also have sections of essentially plano-concave cylindrical lens segments for generating the focus pattern which is essentially linear in sections include. The side of the lens segments from which the laser light beam emerges is structured in sections in these concave-cylindrical or plano-concave-cylindrical lens segments in a channel-like manner. Each of these individual concave-cylindrical or plano-concave-cylindrical lens segments can, in sections, produce an essentially linear lateral focus pattern on the surface of the workpiece. It is clear that the length of these essentially linear lateral focus patterns depends on the one hand on the dimensioning of the concave-cylindrical or plano-concave-cylindrical lens segments and on the other hand on the number of lens segments of this type which are lined up.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Linsenmaske abschnittsweise im Wesentlichen konkav-toroidale Linsensegmente zur Erzeugung eines abschnittsweise kurvenförmigen Fokusmusters umfasst. Ferner kann die Linsenmaske auch abschnittsweise im Wesentlichen plankonkav- toroidale Linsensegmente zur Erzeugung des abschnittsweise kurvenförmigen Fokusmusters umfassen.In a development of the present invention, it is proposed that the lens mask in sections comprises essentially concave-toroidal lens segments for generating a focus pattern that is curved in sections. Furthermore, the lens mask can also comprise, in sections, essentially plano-concave toroidal lens segments for generating the focus pattern, which is curved in sections.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Linsenmaske mosaikartig aus einer Mehrzahl von Linsensegmenten zusammengesetzt. Dabei kann es sich um Linsensegmente handeln, die zur Erzeugung eines linearen lateralen Fokusmusters und/oder um solche zur Erzeugung eines kurvenförmigen lateralen Fokusmusters handeln. Damit wird deutlich , dass der mosaikartige Aufbau der Linsenmaske aus einer Mehrzahl von Linsensegmenten, die abschnittsweise kurvenförmige und/oder lineare Fokusmuster auf der Oberfläche erzeugen, dazu geeignet ist, in gewissen Grenzen beliebige laterale Fokusmuster zu generieren, um beispielsweise gezielt und in wohl definierter Art und Weise Material von der
Oberfläche des Werkstücks abzutragen beziehungsweise zwei oder mehrere Werkstücke entlang einer gemeinsamen Fügenaht zusammenzufügen.In a particularly preferred embodiment, the lens mask is composed of a plurality of lens segments in the manner of a mosaic. These can be lens segments that are used to generate a linear lateral focus pattern and / or are used to generate a curved lateral focus pattern. This makes it clear that the mosaic-like structure of the lens mask from a plurality of lens segments, which in sections produce curved and / or linear focus patterns on the surface, is suitable for generating any desired lateral focus patterns within certain limits, for example, in a targeted and well-defined manner and way material from the To remove the surface of the workpiece or to join two or more workpieces along a joint seam.
Zur Verbesserung der Strahlqualität des mindestens einen Laserlichtbundels kann die Vorrichtung mindestens einen Homogenisator zur Homogenisierung des mindestens einen Laserlichtbundels aufweisen, der zwischen der Laserlichtquelle und der Linsenmaske angeordnet ist.To improve the beam quality of the at least one laser light bundle, the device can have at least one homogenizer for homogenizing the at least one laser light bundle, which is arranged between the laser light source and the lens mask.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Mittel zur Erzeugung des lateralen Fokusmusters mindestens ein erstes, wenigstens abschnittsweise konvexes Linsenmittel aufweisen, das zwischen der Linsenmaske und dem Werkstück angeordnet ist. In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Mittel zur Erzeugung des lateralen Fokusmusters mindestens ein zweites, wenigstens abschnittsweise konvexes Linsenmittel aufweisen, das zwischen dem ersten Linsenmittel und dem Werkstück angeordnet ist.In an advantageous embodiment, it is proposed that the means for generating the lateral focus pattern have at least one first, at least sectionally convex lens means, which is arranged between the lens mask and the workpiece. In a further development it is proposed that the means for generating the lateral focus pattern have at least a second, at least sectionally convex lens means, which is arranged between the first lens means and the workpiece.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Brennweite des ersten Linsenmittels größer als die Brennweite des zweiten Linsenmittels, so dass die Anordnung der Linsenmaske und des ersten und zweiten Linsenmittels im Wesentlichen einer herkömmlichen Teleskopanordnung entspricht. Der Strahlengang der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet somit die gewünschte, auf der Oberfläche zu erzeugende Struktur in Form eines verkleinerten lateralen Fokusmusters auf der Oberfläche des Werkstücks beziehungsweise im Bereich einer Fügenaht zweier oder mehrerer miteinander zu verbindender Werkstücke ab.In a particularly advantageous embodiment, the focal length of the first lens means is greater than the focal length of the second lens means, so that the arrangement of the lens mask and the first and second lens means essentially corresponds to a conventional telescope arrangement. The beam path of the device according to the invention thus forms the desired structure to be produced on the surface in the form of a reduced lateral focus pattern on the surface of the workpiece or in the region of a joint seam of two or more workpieces to be connected to one another.
Insgesamt wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks zur Verfügung gestellt, die einfach
herzustellen und in gewissen Grenzen an beliebige laterale Fokusmuster angepasst werden kann.
Overall, the present invention provides a device for machining a workpiece that is simple can be produced and adapted to any lateral focus pattern within certain limits.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigenFurther features and advantages of the present invention will become clear from the following description of a preferred exemplary embodiment with reference to the accompanying figures. Show in it
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Strahlengangs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks;Figure 1 is a schematic representation of the beam path of an inventive device for machining a workpiece.
Fig. 2 eine Ansicht der Oberfläche des Werkstücks in Richtung des Pfeils I I von Fig. 1 mit einer Darstellung lateraler Fokusmuster sowie einem Ausschnitt einer Linsenmaske der erfindungsgemäßen Vorrichtung;FIG. 2 shows a view of the surface of the workpiece in the direction of arrow II of FIG. 1 with a representation of lateral focus patterns and a section of a lens mask of the device according to the invention;
Fig. 3 eine Ansicht der Linsenmaske in Richtung des Pfeils I I I von Fig. 1 , die abschnittsweise aus plankonkav-zylindrischen Linsensegmenten und plankonkav-toroidalen Linsensegmenten aufgebaut ist;Fig. 3 is a view of the lens mask in the direction of arrow I I I of Figure 1, which is constructed in sections from plano-concave-cylindrical lens segments and plano-concave-toroidal lens segments.
Fig. 4a eine Ansicht eines plankonkav-zylindrischen Linsensegments in Richtung des Pfeils IVa von Fig. 4b;4a is a view of a plano-concave cylindrical lens segment in the direction of arrow IVa of FIG. 4b;
Fig. 4b eine Draufsicht auf das plankonkav-zylindrische Linsensegment gemäß Fig. 4a;4b shows a plan view of the plano-concave cylindrical lens segment according to FIG. 4a;
Fig. 5a eine Ansicht eines plankonkav-toroidalen Linsensegments in Richtung des Pfeils Va von Fig. 5b;5a shows a view of a plano-concave-toroidal lens segment in the direction of the arrow Va from FIG. 5b;
Fig. 5b eine Draufsicht auf das plankonkav-toroidale Linsensegment gemäß Fig. 5a.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der der Strahlengang einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Bearbeiten eines Werkstücks 2 schematisch dargestellt ist.5b shows a plan view of the plano-concave-toroidal lens segment according to FIG. 5a. First, reference is made to FIG. 1, in which the beam path of a device 1 according to the invention for machining a workpiece 2 is shown schematically.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine hier nicht explizit dargestellte Laserlichtquelle 3 zur Erzeugung von Laserlichtbündeln 30, 31 . Bevor die Laserlichtbündel 30, 31 auf die Eintrittsfläche einer Linsenmaske 10 treffen, durchlaufen sie zunächst vorzugsweise einen hier ebenfalls nicht explizit gezeigten Homogenisator zur Homogenisierung der Laserlichtbündel 30, 31 . Der Homogenisator kann beispielsweise ein Array zueinander gekreuzter Zylinderlinsen umfassen. Die Laserlichtbündel 30, 31 treffen dann auf die Linsenmaske 10, die eine Mehrzahl strukturierter Linsensegmente 100, 101 , 102, 103, 104, 105, auf die später näher eingegangen wird, aufweist. Man erkennt, dass die Linsensegmente 100, 101 , 102, 103, 104, 105 der Linsenmaske 10 auf ihrer Austrittsseite, das heißt, auf ihrer der Oberfläche 20 des Werkstücks 2 zugewandten Seite abschnittsweise im Wesentlichen konkav geformte optisch funktionale Grenzflächen 1000 aufweisen. Die Eintrittsflächen 1001 der Linsensegmente 100, 101 , 102, 103, 104, 105, durch die die Laserlichtbündel 30, 31 in die Linsenmaske 10 eintreten, sind hingegen in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen planausgeführt.The device 1 comprises a laser light source 3, which is not explicitly shown here, for generating laser light bundles 30, 31. Before the laser light bundles 30, 31 meet the entry surface of a lens mask 10, they first preferably pass through a homogenizer for homogenizing the laser light bundles 30, 31, which is also not explicitly shown here. The homogenizer can comprise, for example, an array of crossed cylindrical lenses. The laser light bundles 30, 31 then strike the lens mask 10, which has a plurality of structured lens segments 100, 101, 102, 103, 104, 105, which will be discussed in more detail later. It can be seen that the lens segments 100, 101, 102, 103, 104, 105 of the lens mask 10 have partially concave-shaped optically functional interfaces 1000 on their exit side, that is to say on their side facing the surface 20 of the workpiece 2. The entry surfaces 1001 of the lens segments 100, 101, 102, 103, 104, 105, through which the laser light bundles 30, 31 enter the lens mask 10, on the other hand, are essentially planar in this exemplary embodiment.
Der weitere optische Aufbau der Vorrichtung 1 entspricht im Wesentlichen demjenigen einer herkömmlichen Teleskopanordnung. Das bedeutet, dass im weiteren Strahlverlauf hinter der Linsenmaske 10 ein erstes Linsenmittel 1 1 , das mindestens eine konvex geformte optisch funktionale Grenzfläche 1 10 aufweist sowie ein zweites Linsenmittel 12, das ebenfalls mindestens eine konvex geformte optisch funktionale Grenzfläche 120 aufweist, angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl das erste Linsenmittel 1 1 und das zweite Linsenmittel 12 plankonvex ausgeführt. Der
Durchmesser des ersten Linsenmittels 1 1 ist dabei größer als derjenige des zweiten Linsenmittels 12. Ferner ist bei der hier gezeigten Teleskopanordnung die Brennweite des ersten Linsenmittels 1 1 größer als diejenige des zweiten Linsenmittels 12. Das erste Linsenmittel 1 1 wirkt also quasi wie ein Objektiv und das zweite Linsenmittel 12 wie ein Okular einer herkömmlichen Teleskopanordnung.The further optical structure of the device 1 essentially corresponds to that of a conventional telescope arrangement. This means that in the further beam path behind the lens mask 10, a first lens means 11, which has at least one convexly shaped optically functional interface 110, and a second lens means 12, which also has at least one convexly shaped optically functional interface 120, are arranged. In this embodiment, both the first lens 11 and the second lens 12 are made plano-convex. The The diameter of the first lens means 1 1 is larger than that of the second lens means 12. Furthermore, in the telescope arrangement shown here, the focal length of the first lens means 1 1 is larger than that of the second lens means 12. The first lens means 1 1 thus acts like a lens and the second lens means 12 like an eyepiece of a conventional telescope arrangement.
Man erkennt, dass die Laserlichtbündel 30, 31 mittels der Linsenmaske 10 sowie des ersten Linsenmittels 1 1 und des zweiten Linsenmittels 12 auf die Oberfläche 20 des Werkstücks 2 fokussiert werden. Dabei wird, abhängig von der Geometrie der einzelnen Linsensegmente 100, 101 , 102, 103, 104, 105 der Linsenmaske 10, auf der Oberfläche 20 des Werkstücks 2 ein laterales Fokusmuster 21 erzeugt. Im Bereich dieses lateralen Fokusmusters 21 ist die Energiedichte der auf die Oberfläche 20 des Werkstücks 2 auftreffenden Laserlichtbündel 30, 31 so groß, dass dort Material von der Oberfläche 20 der Werkstücks 2 abgetragen werden kann.It can be seen that the laser light bundles 30, 31 are focused on the surface 20 of the workpiece 2 by means of the lens mask 10 and the first lens means 11 and the second lens means 12. Depending on the geometry of the individual lens segments 100, 101, 102, 103, 104, 105 of the lens mask 10, a lateral focus pattern 21 is generated on the surface 20 of the workpiece 2. In the area of this lateral focus pattern 21, the energy density of the laser light bundles 30, 31 striking the surface 20 of the workpiece 2 is so great that material can be removed from the surface 20 of the workpiece 2 there.
Im Bereich der Mikrosystemtechnik kann die Oberfläche 20 des Werkstücks 2 beispielsweise eine Schicht umfassen, die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezielt abgetragen werden kann, um so die Oberfläche 20 vor der Weiterbearbeitung zu strukturieren.In the field of microsystem technology, the surface 20 of the workpiece 2 can comprise, for example, a layer that can be removed in a targeted manner by means of the device 1 according to the invention, in order to structure the surface 20 before further processing.
Der makroskopische geometrische Aufbau der Linsenmaske 10 aus einzelnen unterschiedlich strukturierten Linsensegmenten 100, 101 , 102, 103, 104, 105 entspricht dabei dem auf der Oberfläche 20 zu erzeugenden lateralen Fokusmuster 21 . Der Strahlengang der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bildet somit die gewünschte, auf der Oberfläche 20 zu erzeugende Struktur in Form eines verkleinerten lateralen Fokusmusters 21 auf der Oberfläche 20 des Werkstücks 2 ab. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich
beispielsweise laterale Auflösungen in einer Größenordnung zwischen etwa 1 μm und 10 μm erzielen.The macroscopic geometric structure of the lens mask 10 from individual, differently structured lens segments 100, 101, 102, 103, 104, 105 corresponds to the lateral focus pattern 21 to be generated on the surface 20. The beam path of the device 1 according to the invention thus depicts the desired structure to be produced on the surface 20 in the form of a reduced lateral focus pattern 21 on the surface 20 of the workpiece 2. With the help of the device according to the invention For example, achieve lateral resolutions in the order of magnitude between approximately 1 μm and 10 μm.
Fig. 2 zeigt exemplarisch eine Draufsicht auf die Oberfläche 20 des Werkstücks 2 nach der Bearbeitung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 . Des weiteren mehrere auf der Oberfläche 20 generierte laterale Fokusmuster 21 , 22, 23, 24, 25 dargestellt. Beispielhaft sind hier ein im Wesentlichen ovales laterales Fokusmuster 21 , zwei kreisrunde laterale Fokusmuster 22 sowie zwei mehrfach geschwungene, abschnittsweise aus geraden und kurvenförmigen Abschnitten bestehende laterale Fokusmuster 23, 24 gezeigt.2 shows an example of a top view of the surface 20 of the workpiece 2 after processing by means of the device 1 according to the invention. Furthermore, several lateral focus patterns 21, 22, 23, 24, 25 generated on the surface 20 are shown. An essentially oval lateral focus pattern 21, two circular lateral focus patterns 22 and two multiply curved lateral focus patterns 23, 24, which consist of straight and curved sections, are shown here by way of example.
Anhand des im Wesentlichen oval geformten lateralen Fokusmusters 21 soll nachfolgend exemplarisch unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert werden, auf weiche Weise ein derartiges Fokusmuster mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 auf der Oberfläche 20 des Werkstücks 2 erzeugt werden kann. Um das ovale Fokusmuster 21 , wie es in Fig. 2 gezeigt ist, zu erhalten, wird eine Linsenmaske 10 eingesetzt, die aus insgesamt sechs einzelnen strukturierten Linsensegmenten 100, 101 , 102, 103, 104, 105 zusammengesetzt ist.Based on the essentially oval shaped lateral focus pattern 21, an example will be explained below with further reference to FIG. 3, in which way such a focus pattern can be generated on the surface 20 of the workpiece 2 using the device 1 according to the invention. In order to obtain the oval focus pattern 21, as shown in FIG. 2, a lens mask 10 is used, which is composed of a total of six individual structured lens segments 100, 101, 102, 103, 104, 105.
Von diesen sechs Linsensegmenten 100, 101 , 102, 103, 104, 105 sind zwei Linsensegmente 100, 101 im Wesentlichen plankonkavzylindrisch geformt, um abschnittsweise im Wesentlichen lineare Fokusmuster auf der Oberfläche 20 des Werkstücks zu erzeugen.Of these six lens segments 100, 101, 102, 103, 104, 105, two lens segments 100, 101 are essentially plano-concave cylindrical in order to produce sections of essentially linear focus patterns on the surface 20 of the workpiece.
Die übrigen Linsensegmente sind plankonkav-toroidale Linsensegmente 102, 103, 104, 105, welche abschnittsweise gekrümmte und somit kurvenartige Fokusmuster auf der Oberfläche 20 des Werkstücks 2 erzeugen.
Schon anhand dieser Überlegungen wird deutlich, dass beispielsweise die ebenfalls in Fig. 2 dargestellten kreisrunden lateralen Fokusmuster 22 jeweils mit Hilfe einer Linsenmaske 10 erzeugt werden können, die insgesamt vier plankonkav-toroidale Linsensegmente 102, 103, 104, 105 aufweist.The remaining lens segments are plano-concave-toroidal lens segments 102, 103, 104, 105, which produce sections that are curved and thus curve-like focus patterns on the surface 20 of the workpiece 2. Already on the basis of these considerations it becomes clear that, for example, the circular lateral focus patterns 22 likewise shown in FIG. 2 can each be generated with the aid of a lens mask 10 which has a total of four plano-concave-toroidal lens segments 102, 103, 104, 105.
In gewissen Grenzen beliebige andere Fokusmuster, wie beispielsweise die abschnittsweise aus geraden und kurvenförmigen Bereichen bestehenden lateralen Fokusmuster 23, 24 können demzufolge mittels einer Linsenmaske erzeugt werden, die abschnittsweise aus plankonkav-toroidalen und plankonkavzylindrischen Linsensegmenten aufgebaut ist.Any other focus patterns within certain limits, such as the lateral focus patterns 23, 24 consisting of sections of straight and curved areas, can consequently be generated by means of a lens mask, which is built up in sections from plano-concave-toroidal and plano-concave cylindrical lens segments.
Ein Ausschnitt der Linsenmaske 10, die zur Erzeugung des ovalen Fokusmusters 21 eingesetzt wird, ist noch einmal in Fig. 3 in einer Ansicht in Richtung des Pfeils I M von Fig. 1 dargestellt. Man erkennt zwei plankonkav-toroidale Linsensegmente 102, 104, zwischen denen ein plankonkav-zylindrisches Linsensegment 100 angeordnet ist. An die beiden plankonkav-toroidalen Linsensegmente 102, 104 schließen sich wiederum plankonkav-toroidale Linsensegmente 103, 105 an, zwischen denen ein plankonkav-zylindrisches Linsenmittel angeordnet ist.A section of the lens mask 10, which is used to generate the oval focus pattern 21, is shown again in FIG. 3 in a view in the direction of the arrow I M in FIG. 1. Two plano-concave-toroidal lens segments 102, 104 can be seen, between which a plano-concave-cylindrical lens segment 100 is arranged. Plano-concave-toroidal lens segments 103, 105, in turn, adjoin the two plano-concave-toroidal lens segments 102, 104, between which a plano-concave-cylindrical lens means is arranged.
Es wird deutlich, dass mit Hilfe einer Linsenmaske 10, die abschnittsweise plankonkav-zylindrische und/oder plankonkav- toroidale Linsensegmente aufweist, weitgehend beliebig geformte laterale Fokusmuster 21 , 22, 23, 24 auf der Oberfläche 20 des Werkstücks 2 erzeugt werden können.It is clear that with the aid of a lens mask 10, which has sections of plano-concave cylindrical and / or plano-concave toroidal lens segments, largely arbitrarily shaped lateral focus patterns 21, 22, 23, 24 can be produced on the surface 20 of the workpiece 2.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise zur Laserlithographie oder auch zum Schweißen oder Löten zweier oder mehrerer unterschiedlicher Werkstücke eingesetzt werden.
Abhängig vom Aufbau der Linsenmaske 10 aus einzelnen Linsensegmenten 100, 101 , 102, 103, 104, 105 kann beispielsweise die laterale Kontur einer Schweißnaht gezielt vorgegeben werden.The device according to the invention can be used, for example, for laser lithography or also for welding or soldering two or more different workpieces. Depending on the structure of the lens mask 10 from individual lens segments 100, 101, 102, 103, 104, 105, the lateral contour of a weld seam, for example, can be predetermined.
Als Laserlichtquelle 3 können solche Laserlichtquellen eingesetzt werden, die eine hinreichend hohe Energiedichte auf der Oberfläche 20 zur Verfügung stellen, um dort Material abzutragen beziehungsweise lokal aufzuschmelzen. Abhängig vom Anwendungsgebiet können gepulste oder kontinuierlich betriebene Laserlichtquellen eingesetzt werden.Laser light sources which provide a sufficiently high energy density on the surface 20 in order to remove or melt material there can be used as the laser light source 3. Depending on the field of application, pulsed or continuously operated laser light sources can be used.
Die Figuren 4a, 4b beziehungsweise 5a und 5b zeigen exemplarisch ein plankonkav-zylindrisches Linsensegment 100, 101 und ein plankonkav-toroidales Linsensegment 102 in einer Seitenansicht (Fig. 4a, 5a) beziehungsweise in einer Draufsicht (Fig. 4b und 5b).FIGS. 4a, 4b or 5a and 5b show an example of a plano-concave-cylindrical lens segment 100, 101 and a plano-concave-toroidal lens segment 102 in a side view (FIGS. 4a, 5a) or in a top view (FIGS. 4b and 5b).
Man erkennt, dass das plankonkav-zylindrische Linsensegment 100, 101 auf einer Seite eine im Wesentlichen konkav geformte optisch funktionale Grenzfläche 1000 aufweist, wohingegen die dieser Seite gegenüberliegende optisch funktionale Grenzfläche 1001 im Wesentlichen plan ist. Mit Hilfe dieses plankonkav-zylindrischen Linsensegments 100, 101 lassen sich abschnittsweise im Wesentlichen lineare laterale Fokusmuster auf der Oberfläche 20 des Werkstücks 2 erzeugen.It can be seen that the plano-concave-cylindrical lens segment 100, 101 has an essentially concave-shaped optically functional interface 1000 on one side, whereas the optically functional interface 1001 opposite this side is essentially planar. With the aid of this plano-concave-cylindrical lens segment 100, 101, essentially linear lateral focus patterns can be generated in sections on the surface 20 of the workpiece 2.
Das in den Fig. 5a und 5b dargestellte plankonkav-toroidale Linsensegment 102 weist, wie in Fig. 5b gezeigt, ebenfalls eine im Wesentlichen konkav geformte optisch funktionale Grenzfläche 1000 auf. Ausgehend von der mittels eines Pfeils in Fig. 5b markierten Seite weist das plankonkav-toroidale Linsensegment 102 eine sich nach rechts erstreckende Krümmung auf, so dass bei Verwendung
dieses Linsensegment 102 in der Linsenmaske 10 auf der Oberfläche 20 des Werkstücks 2 ein nach links gerichteter, kurvenförmiger Abschnitt eines Fokusmusters erzeugt wird.The plano-concave-toroidal lens segment 102 shown in FIGS. 5a and 5b, as shown in FIG. 5b, likewise has a substantially concave-shaped optically functional interface 1000. Starting from the side marked by an arrow in FIG. 5b, the plano-concave-toroidal lens segment 102 has a curvature extending to the right, so that when in use this lens segment 102 in the lens mask 10 on the surface 20 of the workpiece 2 a leftward, curved section of a focus pattern is generated.
Es wird deutlich, dass ein mosaik- oder pixelartiger Aufbau einer Linsenmaske 10 aus einer Mehrzahl plankonkav-zylindrischer Linsensegmente 100, 101 und/oder plankonkav-toroidaler Linsensegmente 102, 103, 104, 105 die Erzeugung in weiten Teilen beliebiger lateraler Fokusmuster auf der Oberfläche 20 des Werkstücks 2 ermöglicht.It becomes clear that a mosaic-like or pixel-like construction of a lens mask 10 from a plurality of plano-concave-cylindrical lens segments 100, 101 and / or plano-concave-toroidal lens segments 102, 103, 104, 105 largely generates any lateral focus pattern on the surface 20 of the workpiece 2 enables.
Ferner kann die Linsenmaske 10 sehr einfach durch eine andere Linsenmaske, mittels derer ein anderes Fokusmuster auf der Oberfläche erzeugt werden kann, ausgetauscht werden . Eine derartige Linsenmaske ist erheblich flexibler als diejenigen, die bisher aus dem Stand der Technik bekannt geworden sind , so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in besonders vorteilhafter Weise insbesondere bei der Laserlithographie oder beim Laserschweißen eingesetzt werden kann.
Furthermore, the lens mask 10 can be exchanged very simply by another lens mask, by means of which a different focus pattern can be generated on the surface. Such a lens mask is considerably more flexible than those which have hitherto become known from the prior art, so that the device according to the invention can be used in a particularly advantageous manner, in particular in laser lithography or in laser welding.