WO2002011939A1

WO2002011939A1 - Optische anordnung

Info

Publication number: WO2002011939A1
Application number: PCT/EP2001/008839
Authority: WO
Inventors: Bernd Ozygus
Original assignee: Leica Microsystems Ag
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2002-02-14
Also published as: EP1318887A1; DE10039341A1; US20030147135A1; JP2004506227A

Abstract

Eine Optische Anordnung mit einem Stereomikroskop, das ein Objektiv (4, 13) aufweist, und mit einem Laser (5), der einen Laserstrahl (8) zur Bearbeitung eines Werkstücks (9) emittiert, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein kippbarer Spiegel (10) vorgesehen ist, mit dem der Laserstrahl (8) durch das Objektiv (4, 13) hindurch über das Werkstück (9) führbar ist.

Description

Optische Anordnung

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung mit einem Stereomikroskop, das ein Objektiv ausweist, und mit einem Laser, der einen Laserstrahl zur Bearbeitung eines Werkstücks emittiert. Mikromaterialbearbeitung mit Festkörperlasersystemen ist eine bereits gut eingeführte Technik, die aufgrund ihrer physikalischen Vorteile immer breitere Anwendungen findet. Das Anwendungsfeld reicht hier von vielfältigen Bearbeitungen im Metallbereich (Schweißen, Bohren, Schneiden, Markieren) bis hin zur Medizin und Biologie. Viele spezielle Bearbeitungsaufgaben lassen sich nur mit Lasern durchführen. Wichtig für das Bearbeitungsergebnis ist neben dem kleinen Spotdurchmesser des Laserstrahls auf dem Werkstück bzw. der Probe eine gute visuelle Kontrolle der Bearbeitung. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Benutzung eines Stereomikroskops, in dessen Strahlengang der Laser eingekoppelt wird. Bei den zur Zeit benutzten Aufbauten geschieht die Einkopplung des Laserstrahls in den Strahlengang des Mikroskops über einen feststehenden dichroitischen Spiegel, der gleichzeitig von dem Beobachtungs- und dem Laserstrahlengang benutzt wird. Die Fokussierung des Lasers und die Beobachtung geschieht mit dem gleichen Objektiv. Um einen kleineren Spotdurchmesser der Laserstrahls auf dem Werkstück bzw. der Probe zu ermöglichen, wird der Laserstrahl mit einem Teleskop geeignet aufgeweitet. Die Beobachtung des Bearbeitungsvorganges geschieht über einen Vergrößerungswechsler oder eine Zoomoptik mittels der Mikroskopokulare oder einer CCD Kamera.

Die Justierung des Laserstrahls relativ zum Werkstück sowie eine gezielte Bearbeitung wird über die Verschiebung des Werkstücks relativ zum

Mikroskop realisiert. Die Position des Laserstrahls, innerhalb des mit dem Mikroskop beobachteten Bereichs, bleibt dabei fest. Arbeitsphysiologisch ist diese Art der Beobachtung aber eher ungünstig, da sich bei der Bearbeitung immer das ganze Bild bewegt und es so eher zu Ermüdungserscheinungen kommt. Die deutschen Offenlegungsschrift DE 197 12 795 A1 offenbart eine Vorrichtung zur unterbrechungsfreien handwerklichen Laserbearbeitung mit einem feststehenden Laserstrahl.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung mit einem Stereomikroskop anzugeben, die ein einfaches, ergonomisches und präzises Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl ermöglicht und darüber hinaus eine kompakte Bauform aufweist.

Obige Aufgabe wird durch eine optische Anordnung gelöst, die durch dadurch gekennzeichnet ist, dass ein kippbarer Spiegel vorgesehen ist, mit dem der Laserstrahl durch das Objektiv hindurch über das Werkstück führbar ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass das eine fixe Position des Werkstücks und gleichzeitig eine Bewegung des Laserspots ermöglicht ist.

Erfindungsgemäß ist kein feststehender dichroitischer Spiegel sondern ein kippbarer Umlenkspiegel im Laserstrahlengang vorgesehen. Ein weiterer wichtiger Vorteil dieser Anordnung besteht in der deutlich kompakteren Bauform. Es kann auf eine motorische Bewegung des Werkstücks verzichtet werden. Die hier bisher benutzten Translationselemente haben aufgrund der notwendigen hohen räumlichen Auflösung eine relativ große Bauform (vorgespannte Spindeln, etc).

In einer bevorzugen Ausgestaltung ist der kippbare Spiegel innerhalb des Stereomikroskops angeordnet. In einer anderen Variante ist der kippbare Spiegel zwischen dem Laser und dem Stereomikroskop angeordnet, wobei vorzugsweise ein feststehender Umlenkspiegel vorgesehen ist, der den vom kippbaren Spiegel kommenden Laserstrahl empfängt und zum Objektiv umlenkt.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltungsform bei der kippbare Spiegel motorisch angetrieben ist. Vorzugsweise beinhaltet der kippbare Spiegel einen piezoelektrisch angetriebenen Taumeltisch, wobei ein Steuerelement zur Einstellung der

Winkelstellung des Taumeltischs vorgesehen ist, der vorzugsweise als Joystick ausgeführt ist. Auch eine Computermaus, ein Trackball oder andere Eingabegeräte sind einsetzbar.

In einer bevorzugen Ausgestaltung der optischen Anordnung ist der Laserstrahl mit dem Objektiv zu einem Fokus fokussierbar, wobei der Fokus einen Fokusdurchmesser aufweist. Weiterhin ist ein Teleskop mit einstellbarer Vergrößerung vorgesehen, mit dem der Fokusdurchmesser und die Divergenz des Laserstrahles einstellbar ist. Durch die Einstellung der Divergenz lässt sich die axiale Lage des Fokus im Werkstück beeinflussen.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleich wirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein optische Anordnung gemäß dem Stand der Technik und

Fig.2 eine erfindungsgemäße optische Anordnung.

Fig. 1 zeigt ein optische Anordnung gemäß dem Stand der Technik. Die Einkopplung des Laserstrahls in den Strahlengang des Mikroskops geschieht über einen feststehenden dichroitischen Spiegel 3, der gleichzeitig von dem Beobachtungs- 7 und dem Laserstrahlen 8 benutzt wird. Die Fokussierung des Lasers 5 und die Beobachtung geschieht mit dem gleichen Objektiv 4. Um einen kleineren Spotdurchmesser der Laserstrahls 8 auf dem Werkstück 9 bzw. der Probe zu ermöglichen, wird der Laserstrahl mit einem Teleskop 6 geeignet aufgeweitet. Die Beobachtung des Bearbeitungsvorganges geschieht über einen Vergrößerungswechsler oder eine Zoomoptik 2 mittels der Mikroskopokulare 1 oder einer CCD Kamera.

In Fig. 2 ist eine Ausführung dargestellt, bei der die Umlenkung mittels eines kippbarer Umlenkspiegel 10, der als piezoelektrisch angetriebener Taumeltisches 11 ausgebildet ist. Solche Bauteile lassen sich aufgrund ihrer kompakten Außenmaße problemlos in ein Stereomikroskop integrieren. Bei einem Winkelbereich des Taumeltisches 11 von 4 mrad und einer Brennweite des Objektivs 13 von 50 mm ergibt sich beispielsweise ein Scannbereich von 200 μm x 200 μm. Der Fokusdurchmesser eines Grundmodelasers mit einer Wellenlänge von 1064 nm in einem solchen Aufbau liegt verglichen hierzu bei ca. 5 μm. Die Fokusgröße auf dem Werkstück und die genaue Position der Strahltaille relativ zur Beobachtungsebene des Mikroskops lässt sich über das Teleskop 12 einstellen. Zur Einstellung des Taillendurchmessers muss die Vergrößerung des Teleskops einstellbar sein, zur Einstellung der Taillenlage wird die Divergenz des Strahls hinter dem Teleskop verändert. Zur Einstellung der Winkelstellung des Taumeltischs des piezoelektrisch angetriebenen Taumeltisches 11 ist ein Steuerelement 14 vorgesehen, das als Joystick ausgeführt ist.

Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste:

1 Mikroskopokulare

2 Zoomoptik

3 dichroitischer Spiegel

4 Objektiv

5 Laser

6 Teleskop

7 Beobachtungsstrahlen

8 Laserstrahl

9 Werkstück

10 kippbarer Umlenkspiegel

11 Taumeltisch

12 Teleskop

13 Objektiv

14 Steuerelement

Claims

Patentansprüche

1. Optische Anordnung mit einem Stereomikroskop, das ein Objektiv (4, 13) aufweist, und mit einem Laser (5), der einen Laserstrahl (8) zur Bearbeitung eines Werkstücks (9) emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein kippbarer Spiegel (10) vorgesehen ist, mit dem der Laserstrahl (8) durch das Objektiv (4, 13) hindurch über das Werkstück (9) führbar ist.

2. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der kippbare Spiegel (10) innerhalb des Stereomikroskops angeordnet ist.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der kippbare Spiegel (10) zwischen dem Laser (5) und dem Stereomikroskop angeordnet ist.

4. Optische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein feststehender Umlenkspiegel vorgesehen ist, der den vom kippbaren Spiegel (10) kommenden Laserstrahl empfängt und zum Objektiv (4, 13) umlenkt.

5. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der kippbare Spiegel (10) motorisch angetrieben ist.

6. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der kippbare Spiegel (10) einen piezoelektrisch angetriebenen

Taumeltisch (11) beinhaltet.

7. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerelement (14) zur Einstellung der Winkelstellung des Taumeltischs (11) vorgesehen ist

8. Optische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (14) ein Joystick ist.

9. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (8) mit dem Objektiv (4, 13) zu einem Fokus fokussierbar ist, wobei der Fokus einen Fokusdurchmesser aufweist.

10. Optische Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teleskop (6, 12) mit einstellbarer Vergrößerung vorgesehen ist, mit dem der Fokusdurchmesser einstellbar ist.

11. Optische Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teleskop (6, 12) vorgesehen ist, mit dem die Divergenz des

Laserstrahles (8) einstellbar ist.