SISTEMA DE ESCANEO DE LÁSER ACOPLADO POR ORIFICIO.

Un sistema (10) de escaneo de haz de láser de gran potencia totalmente reflejante con una longitud focal ajustable que incluye al menos un espejo (15,

16) de escaneo para dirigir angularmente una parte predeterminada de un haz (20) de láser a lo largo de una trayectoria óptica hacia una pieza (30) de trabajo, que comprende: un primer espejo (11) en la trayectoria óptica del haz (20) de láser y curvado suficientemente para enfocar el haz (20) de láser en un primer punto (21) focal; un segundo espejo (14) en la trayectoria óptica espaciado de dicho primer punto (21) focal; y un tercer espejo; caracterizado por el segundo espejo que está curvado suficientemente para enfocar el haz de láser en un segundo punto (22A, B, y C) focal y trasladable suficientemente en una dirección (27) predeterminada para ajustar el foco de dicho haz (20) de láser en dicho segundo punto (22A, B, y C) focal; y el tercer espejo (15) que está entre dichos primero y segundo espejos y que tiene un orificio (12) en dicho primer punto (21) focal para el paso de dicho haz (20) de láser hacia dicho segundo espejo (14); reflejando dicho tercer espejo (15) hacia dicho Segundo punto (22A, B, y C) focal sustancialmente la totalidad de dicho haz (20) de láser pasado hacia dicho segundo espejo (14)

Campo Técnico

La presente invención se refiere a un equipo de láser que utiliza óptica reflejante que puede tanto escanear un haz de láser como ajustar la trayectoria óptica para lograr una longitud focal variable del haz de láser.

Técnica Anterior 5

El sistema de escaneo de láser utiliza típicamente utiliza motores de galvanómetro para cambiar el ángulo de los espejos de escaneo. Normalmente, las direcciones X e Y son escaneadas por motores aparte. En muchas aplicaciones tales como de marcado o cortado, un haz de láser es escaneado sobre una pieza de trabajo. Para lograr una alta densidad de energía, el haz de láser se enfoca normalmente sobre esta pieza de trabajo. Se han desarrollado lentes de “campo plano” especializadas para lograr un buen foco sobre una superficie plana de la 10 pieza de trabajo incluso con un ángulo de transmisión alto. Sin embargo, algunas aplicaciones requieren que el haz de láser pueda ser enfocado independientemente para adecuar una superficie contorneada. Normalmente, este enfoque se logra trasladando una o más lentes de un sistema óptico para lograr una distancia focal variable. Lastimosamente, los láseres de CO2 altamente energizados pueden producir una distorsión térmica en las lentes que incrementa el tamaño de la marca enfocada. Por lo tanto, es deseable utilizar componentes ópticos reflejantes 15 para aplicaciones de láser de CO2 altamente energizados. La patente de EE. UU. Nº. 5,561,544 titulada "Sistema de Escaneo de Láser con óptica Reflejante", editada e1 de octubre de 1996 por el mismo inventor que esta solicitud, representa un planteamiento anterior para resolver este problema. Esa patente revela un sistema de escaneo de haz de láser altamente energizado totalmente reflejante de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. 20

En la patente 5,561,544 del solicitante se utiliza un espejo elíptico descentrado para enfocar el haz de láser sobre la pieza de trabajo. Un espejo elíptico descentrado tiene realmente dos puntos focales. En este caso, el punto focal está a una larga distancia de la elipse y se utiliza para el enfoque sobre la pieza de trabajo. El otro punto focal está próximo a la elipse y es interno al sistema óptico. Para separar los aces incidente y reflejado asociados con este espejo elíptico descentrado, hay típicamente un ángulo de 45º entre rayos procedentes del 25 punto focal interno y que se dirigen al punto focal distante. Esta geometría descentrada introduce características menos deseables tales como la necesidad de una técnica de ajuste del enfoque que no introduce una traslación al punto focal externo o distante. Sin embargo, el inconveniente más significativo es el hecho de que la elipse descentrada 45º introduce astigmatismo en el haz de láser cuando hay un cambio sustancial en la longitud focal. Dicho de otra manera, el rango de ajuste de las distancias focales al foco externo es menor que el deseado. La 30 presente invención supera este problema del ajuste focal y también utiliza menos espejos que la patente 5,561,544 del solicitante.

Revelación de la Invención

La presente invención es un sistema de escaneo de láser que utiliza óptica reflejante de acuerdo con la reivindicación 1. Un haz de láser es reflejado en un primer espejo cóncavo y devuelto hasta un foco en un primer 35 punto focal (foco interno). Este haz de láser enfocado pasa a través de un pequeño orificio de un espejo. Seguidamente, el haz de láser se expande y se refleja en un segundo espejo cóncavo que, preferiblemente, es un espejo elíptico centrado. A continuación, el haz de láser invierte su sentido y retrocede hacia el espejo con un orificio. Cuando el haz de láser alcanza el espejo con orificio, el haz es mucho mayor que el pequeño orificio. Seguidamente, el haz de láser se refleja predominantemente en el espejo con orificio pasando a través del orificio 40 solamente un pequeño porcentaje del haz. Seguidamente, el haz de láser se refleja en uno o más espejos móviles que dirigen el haz de láser hacia la pieza de trabajo. El espejo con orificio puede ser uno de los espejos móviles que dirigen el haz. La distancia hasta el foco distante en la pieza de trabajo se puede ajustar trasladando el espejo elíptico centrado.

Consecuentemente, un objetivo de la presente invención es proponer un sistema de escaneo de un haz 45 de láser de alta potencia totalmente reflejante mejorado con una longitud focal ajustable mejorada que incluye al menos un espejo de escaneo para dirigir angularmente una parte predeterminada de un haz de láser a lo largo de una trayectoria óptica hasta una pieza de trabajo. El sistema de escaneo tiene una primera superficie reflejante en la trayectoria óptica del haz de láser que se curva suficientemente para enfocar el haz de láser en un primer punto focal. El sistema tiene también al menos una segunda superficie reflejante en la trayectoria óptica que está 50 espaciada del primer punto focal y es trasladable suficientemente en una dirección predeterminada para ajustar el foco del haz de láser en un segundo punto focal. El sistema tiene también una tercera superficie reflejante que está ópticamente entre la segunda superficie reflejante y el segundo punto focal para reflejar el haz de láser enfocado para ser dirigido. La trayectoria óptica tiene un segmento de haz de distancia predeterminada que se extiende desde la tercera superficie reflejante hasta el segundo punto focal de manera que la traslación de la segunda 55 superficie reflejante en la dirección predeterminada cambia la longitud de la trayectoria óptica desde la tercera

superficie reflejante hasta el segundo punto focal con lo que se cambia la distancia predeterminada para ajustar el foco del haz de láser que está siendo dirigido sin producir desviación angular significativa alguna al haz dirigido en la pieza de trabajo.

También es un objetivo de la presente invención en el antes mencionado sistema de escaneo mejorado utilizar menos superficies reflejantes situando un orificio en la tercera superficie reflejante en el primer punto focal. 5

Un objetivo más específico de la invención es un sistema de escaneo de haz de láser de gran potencia totalmente reflejante mejorado con una distancia focal ajustable que incluye al menos un espejo de escaneo para dirigir angularmente una parte predeterminada de un haz de láser a lo largo de una trayectoria óptica hasta una pieza de trabajo. El sistema de escaneo tiene un primer espejo en la trayectoria óptica del haz de láser que está suficientemente curvado para enfocar el laz de láser en un primer punto focal. El sistema tiene también un 10 segundo espejo en la trayectoria óptica espaciado del primer punto focal y suficientemente curvado para enfocar el haz de láser en un segundo punto focal y suficientemente trasladable en una dirección predeterminada para ajustar el foco del haz de láser en el segundo punto focal. El sistema tiene un tercer espejo entre el primero y el segundo espejos que tiene un orificio en el primer punto focal para el paso del haz de láser hacia el segundo espejo. El tercer espejo refleja hacia el segundo punto focal sustancialmente la totalidad del haz de láser que ha 15 sido pasado hacia el segundo espejo.

Son objetivos aún más específicos de la invención en el antes mencionado sistema de escaneo de haz de láser de gran potencia totalmente reflejante en el que el primer espejo es un espejo parabólico descentrado y/o el segundo espejo es un espejo elíptico centrado y/o el tercer espejo es móvil para dirigir el haz de láser hacia la pieza de trabajo. 20

Breve Descripción de los Dibujos

La figura 1 es una vista en perspectiva un tanto esquemática del sistema de escaneo de láser de la invención;

La figura 2 es una vista en sección transversal ampliada de algunos elementos ópticos del sistema de escaneo de láser tomada a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1; 25

La figura 3 es una elipse que ilustra las características de un espejo; y

La figura 4 es un gráfico que ilustra el tamaño de un punto de enfoque mejorado alcanzable con la presente invención.

Descripción Detallada de las Realizaciones Preferentes

La figura 1 muestra una vista en perspectiva de un sistema 10 de escaneo de haz de láser totalmente 30 reflejante. Un haz 20 de láser que se propaga en el sentido de la flecha 28 incide en el espejo o reflector 11 cóncavo. En esta ilustración, el reflector 11 es preferiblemente un espejo parabólico descentrado que enfoca el... [Seguir leyendo]

1. Un sistema (10) de escaneo de haz de láser de gran potencia totalmente reflejante con una longitud focal ajustable que incluye al menos un espejo (15, 16) de escaneo para dirigir angularmente una parte predeterminada de un haz (20) de láser a lo largo de una trayectoria óptica hacia una pieza (30) de trabajo, que comprende:

un primer espejo (11) en la trayectoria óptica del haz (20) de láser y curvado suficientemente para 5 enfocar el haz (20) de láser en un primer punto (21) focal;

un segundo espejo (14) en la trayectoria óptica espaciado de dicho primer punto (21) focal; y

un tercer espejo;

caracterizado por

el segundo espejo que está curvado suficientemente para enfocar el haz de láser en un segundo 10 punto (22A, B, y C) focal y trasladable suficientemente en una dirección (27) predeterminada para ajustar el foco de dicho haz (20) de láser en dicho segundo punto (22A, B, y C) focal; y

el tercer espejo (15) que está entre dichos primero y segundo espejos y que tiene un orificio (12) en dicho primer punto (21) focal para el paso de dicho haz (20) de láser hacia dicho segundo espejo (14); 15

reflejando dicho tercer espejo (15) hacia dicho Segundo punto (22A, B, y C) focal sustancialmente la totalidad de dicho haz (20) de láser pasado hacia dicho segundo espejo (14).

2. El sistema (10) de escaneo de haz de láser de gran potencia totalmente reflejante y mejorado de la reivindicación 1, en el que dicho primer espejo (11) es un espejo parabólico descentrado.

3. El sistema (10) de escaneo de haz de láser de gran potencia totalmente reflejante y mejorado de la 20 reivindicación 1, en el que dicho segundo (14) es sustancialmente un espejo elíptico centrado.

4. El sistema (10) de escaneo de haz de láser de gran potencia totalmente reflejante y mejorado de la reivindicación 1, en el que dicho tercer espejo (15) es móvil para dirigir el haz (20) de láser hacia la pieza (30) de trabajo.

5. El sistema (10) de escaneo de haz de láser de gran potencia totalmente reflejante y mejorado de la 25 reivindicación 1, en el que dicho orificio (12) tiene un diámetro d, el haz (20) de láser tiene un diámetro D proyectado y una relación entre sí de D > 4,5 d, reflejándose dicho haz (20) de láser en dicho primer espejo (15) hacia dicho segundo punto (22A, B, y C) focal más que aproximadamente 95% del haz de láser recibido por dicho tercer espejo (15).

6. El sistema (10) de escaneo de haz de láser de gran potencia totalmente reflejante y mejorado de la 30 reivindicación 5, en el que dicho tercer espejo (15) es móvil para dirigir el haz (20) de láser.