用于使辊表面结构化的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于使辊表面、尤其是平整辊的辊表面结构化的装置和方法，其中，所述结构化通过激光去除来进行。

背景技术

例如由文献DE 10 2014 110 285 A1公知了这种类型的装置和方法。在该文献提出的方法中，这种辊表面通过系列的激光脉冲来加工，其空间强度分布通过射束成形器来修改，使得照射在辊表面上的加工区域被改变且尤其被扩大。

这种方法存在的问题是，为了扩大被照射的加工区域，空间强度分布的修改的花费增加。在复杂的射束成形的情况下，成形射束的光学元件的效率也随着更大的照明而下降。因此，在技术上期望实现照射面积的增大，而不受射束成形的固有极限的限制。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种装置和一种方法，利用它们可以实现增大由激光束照射的面积。

此目的通过一种用于使辊表面结构化的装置来实现，其中，该装置具有激光源和光学系统，其中，激光源构造用于产生激光脉冲，其中，光学系统具有至少一个射束成形器、至少一个分束器和聚焦单元，其中，射束成形器和分束器的组合布置在激光源和聚焦单元之间。

在根据本发明的装置中，由激光源产生的脉冲通过至少一个射束成形器和至少一个分束器的共同作用在其强度分布方面被操纵，其中，射束成形器和分束器在光路中的布置/顺序(也就是说，先通过射束成形器并且后通过分束器或者先通过分束器并且后通过射束成形器)可以是任意的，这引起相位空间中的改变并且在其射到辊表面上并且在那里通过激光烧蚀引起被照射的区域的结构化之前通过聚焦单元转换到位置空间(图像)中。在一种简单的实施方式中，聚焦单元被实施为光学的会聚透镜。在一个实施方式中，这优选地是f-theta物镜，其由一个或多个透镜组成。f-theta物镜为现有技术。也可设想设置一个光学元件，该光学元件将所述至少一个射束成形器和所述至少一个分束器统一或者在该光学元件中集成有射束成形器和分束器。该装置例如可以具有容纳装置，待结构化的辊被置入该容纳装置中。然后，激光束通过光学系统被指引到辊表面的加工点或加工面上。为了实现整个辊表面的基本上完全的结构化，此加工点或加工面或辊表面在加工期间必须改变，从而基本上扫描整个辊并且各个通过激光脉冲去除的区域形成辊表面的面覆盖的结构化。此运动例如可以通过光学偏转单元和辊旋转产生，其中，例如以可转动的镜子的形式的偏转单元沿轴向方向(相对于辊)扫描激光束，而辊的旋转引起沿方位角的方向的扫描。对于其它有关于技术实现方案的细节，在此可参考上述文献DE 10 2014 110 285 A1。

为了有效地加工，力求在表面中的最优的能量输入。每单位面积所引入的能量(通量为J/cm

本发明的有利的设计方案和改进方案能够从从属权利要求以及参照附图的说明中获知。

根据本发明的一个优选的实施方式，射束成形器被这样构造，使得通过调制激光束的空间强度特性来产生调制的激光束。射束成形器在此优选地构造为衍射光学元件(DOE)或空间光调制器(SLM)。衍射光学元件是微结构玻璃载体，通过该微结构玻璃载体，波前通过微结构处的衍射经历相位调制，该相位调制通过干涉导致期望的空间强度分布。通过空间光调制器可以实现强度分布的类似的操作，但是其中可以直接和以几乎任意的方式控制调制。为此，空间光调制器可以具有像素矩阵，例如，其像素可以电子地或光学地控制，使得穿过其的激光以所期望的方式改变。

根据本发明的另一优选实施方式，分束器如此构造，使得通过空间相位调制的激光束的分开和随后的聚焦来在辊表面上产生强度图案。本发明的核心思想在于，通过分束器实现辊表面上的被照射的区域倍增。为此，由射束成形器调制的激光束通过分束器分成多个子束，这些子束同时射在辊表面上并一起在被照射区域上形成强度图案。这样产生的强度图案有利地覆盖一个面，该面具有比通过未分开地调制的激光束照射的面更大的伸展。在此，分束器优选构造成衍射光学元件(DOE)或空间光调制器(SLM)。

根据本发明的另一优选实施方式，射束成形器和分束器一起作用，使得在辊表面上产生连续强度图案。通过将分束器引入激光源与聚焦单元之间的光路中，在辊表面上产生强度图案，该强度图案基本上通过从调制的激光束的强度特性的倍增而产生。分束器因此通过从调制的激光束复制而在辊表面上产生多个调制的激光光斑的布置。通过射束成形器和分束器的选择和相对定位或定向可以以简单的方式影响强度图案的形状。优选地，激光光斑彼此接触并且彼此贴靠，使得产生连续的强度图案。也可以考虑，通过激光光斑的重叠产生这种连续的图案。有利地，以这种连续的强度图案通过连续地扫描辊表面可实现连续的且无缝隙的结构化。

根据本发明的另一优选实施方式，射束成形器和分束器一起作用，使得在辊表面上产生可无缝拼接的强度图案。通过可无缝拼接的强度图案，可以有利地通过被照射面的简单的、无重叠的排列实现辊表面的连续的和无间隙的结构化。通过强度图案产生的去除图案在此形成重复单元，该重复单元可以通过激光束的逐步的新定位被延续成辊表面的面填充的结构化。

根据本发明的另一优选实施方式，强度图案具有第一区域和第二区域，其中，到辊表面的能量输入在第一区域中小于在第二区域中，并且第一区域基本上被第二区域环绕或包围。这也可以通过多于两个的不同能量输入的区域来实现。通过不同的能量输入，通过去除产生局部的高度轮廓，其中，较高强度的部位在表面中产生谷和/或沟，而在较低强度的区域中表面仅稍微或基本上完全不去除。在被升高的强度的区域环绕或包围的低强度的区域中，以这种方式得到一个局部的隆起部或优选多个局部的隆起部，由此有利地能够实现原则上任意复杂的表面结构化。也可以考虑，低强度和高强度的区域交替，从而辊表面在此部位上留下波纹轮廓。

根据本发明的另一优选实施方式，到辊表面的第一区域中的输入能量如此选择，使得不发生或仅发生轻微的材料去除。根据本发明的同时被去除的面的增大基本上通过在被照射的面内的辐射强度的巧妙的重新分布来实现。最大结构深度可以通过如下方式实现，在被照射的面中，具有强烈的去除的区域与其中仅仅去除少许材料的区域交替。优选地，在这些区域中完全没有材料被去除。可以通过如下方式实现少的去除，即强度图案相应地具有强度不引起或仅引起少的材料去除的区域。由此能够有利地实现加工面的提高的结构深度。

根据本发明的另一优选实施方式，到辊表面的第二区域中的能量输入如此选择，使得材料去除与辐射功率的比例最大化。因为与引入的功率相关的去除率通常具有对应于最大有效去除的最大值，所以有利的是，通过选择或调节射束成形器和分束器如此设计强度图案，使得在高强度的区域中产生最优的通量。由此有利地实现辊材料的最大有效的去除。优选地，在强度图案中，具有最佳通量的区域与强度尽可能小或为零的区域交替。以这种方式可以有利地实现辐射强度的最优的重新分布和相应最优的材料加工。

本发明的开头所述的技术目的还通过一种用于使辊表面结构化的方法来解决，其中，由激光源产生的激光束被引导到辊表面上，并且在辊表面上引起材料去除，其中，在第一步骤中对由激光源产生的激光束施加空间强度分布的调制，其中，在第二步骤中将经调制的激光束如此分成至少两个子束，使得所述至少两个子束在辊表面上形成强度图案。通过相继的射束成形和分束的操作步骤，有利地增大了利用激光脉冲加工的面积，而不必单独通过射束成形元件进行放大。以这种方式可以实现辊表面的特别有效和节省时间的加工。

根据本发明的方法的另一优选实施方式，这样进行空间强度分布的调制和划分成至少两个子束，使得辊表面上的强度图案具有第一区域和第二区域，其中，到辊表面中的能量输入在第一区域中比在第二区域中小，并且第一区域基本上由第二区域环绕或包围。这也可以利用多于两个的不同能量输入的区域来实现。同时通过激光脉冲加工的面的根据本发明的增大基本上通过局部能量输入的巧妙分布来实现。通过在被照射的面中具有强烈的去除的区域与其中仅仅去除少许材料的区域的交替，有利地实现被加工的辊表面的最大结构深度。

根据本发明的方法的另一优选实施方式，到辊表面的第二区域中的能量输入如此选择，使得材料去除与辐射功率的比例最大化。在每单位功率的材料去除最大化的情况下的辐射功率表示最优的，也就是说结构化方法的最大效率的工作点。优选地，在强度图案内部具有非常小或消失强度的区域与这样的区域交替，在所述区域中每单位面积所引入的能量对应最优的通量。

根据本发明的方法的另一优选实施方式，辊表面在所述方法期间运动，尤其是转动。根据本发明的方法的另一个优选实施方式，至少两个子束在第二步骤之后的第三步骤中经历偏转，由此辊表面在轴向方向上被扫描。优选地，辊的运动与激光束的偏转相结合，从而以这种方式可以利用激光束以精确的方式扫描辊的表面。

附图说明

本发明的其它细节、特征和优点从附图以及从下面借助附图对优选实施方式的描述中得出。附图在此仅阐述本发明的示例性的实施方式，其不限制本发明的构思。

图1示出了根据本发明的示例性实施方式的用于使辊表面结构化的装置的示意性结构。

图2a示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的调制激光束的强度分布。

图2b示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的辊表面上的强度图案。

图3示出了可以由调制的激光束产生的辊表面的结构化。

图4示意性地示出了借助于根据本发明的由射束成形器和分束器组成的组合的辊表面的可能的结构化。

附图标记列表

1 激光源

2 光学系统

3 射束成形器

4 分束器

5 辊

6 旋转补偿器

7 扫描器

8 调制的激光束的强度分布

9 辊表面上的强度图案

10 辊表面的结构化

11 用于使辊表面结构化的装置

12 聚焦单元

具体实施方式

在不同的附图中，相同的部件总是用相同的附图标记表示，因此通常也分别仅命名或提及一次。

在图1中示意性示出根据本发明的一个示例性实施方式的用于使辊表面结构化的装置11。装置11包括激光源1，其发出脉冲激光束，该脉冲激光束穿过光学系统2并在自旋的辊5的表面上引起材料去除。光学系统2在此具有至少一个射束成形器3，至少一个分束器4和聚焦单元12，通过所述聚焦单元这样操纵激光束，使得在辊表面上形成尽可能大的被照射区域并且在表面中的相关联的局部能量输入导致最大效率的材料去除。为此目的，通过射束成形器3如此改变激光束的空间强度分布，使得强度集中在特定区域中，而同时形成其中强度为零或接近零的区域。辐射强度的这种空间重新分布导致在总辐射功率保持不变的情况下空间强度特性的增大。这样调制的激光束然后通过分束器4被分成两个或多个子束，其中，射束成形器3和分束器4引起相位空间的变化，该相位空间通过聚焦单元12转换到位置空间(图像)中，该位置空间通过旋转补偿器6和扫描器7引导到辊5上，激光束在那里同时入射并且在表面上形成一个共同的强度图案9。强度图案9有利地这样实现，使得在高密集区域中产生最佳的能量输入。也就是说，局部强度如此选择，使得每单位引入功率产生最大的材料去除。相反，在低强度区域中，很少或优选根本没有材料去除，从而通过去除来在表面上产生与强度图案9对应的高度轮廓。除了射束成形器3和分束器4根据本发明的的组合以外，所示实施方式还包括旋转补偿器6和扫描单元7。这两个组件6和7与辊5的旋转相配合地实施激光脉冲在辊表面上的精确定位。在此，扫描单元7沿轴向方向扫描辊5，从而通过去除部位的紧密的彼此排列在表面上形成结构化的格。为了补偿通过辊5的旋转引起的偏移，旋转补偿器6在(相对于辊)方位角方向上进行偏转，由此来补偿该偏移，从而形成在轴向方向上直线的结构化的格。两个组件6和7的功能优选也可以由共同的单元承担，该单元不仅在轴向方向上进行偏转，而且在方位角方向上进行偏转。对于激光源1、射束成形器3、旋转补偿器6和扫描器7的其它技术细节请参阅文献DE 10 2014 110 285 A1，该文献关于这些点的技术教导可以类似地转用到根据本发明的装置上。

在图2a中示意性地示出了调制的激光束的强度分布8。通过射束成形器如此改变激光束，使得其空间强度分布对应于成像的图案。在图像中，高强度区域以黑色示出，而低强度或消失强度区域以白色示出。通过射束成形器3，由激光1产生的射束特性的强度在空间上被这样重新分布，使得强度集中在黑色示出的区域中。如果这样修改的脉冲直接(即没有附加地穿过分束器4)落到辊表面上，则在高强度的区域中从表面去除材料，而在低强度的区域中的表面尽量或完全保持不变。

在图2b中示意性地示出了强度图案9，如其可利用根据本发明的由射束成形器3和分束器4的组合来产生。在此，在光路中的布置/顺序可以是任意的。也可以设置多于仅一个射束成形器和/或分束器(在此未示出)。射束成形器和分束器也可以集成在光学元件中。图2a中经调制的强度分布或由此引起的去除轮廓在此形成结构化的单位格并且通过分束器4分成三个调制的激光光斑，使得产生由三个单位格构成的强度图案9并且以这种方式有利地将照射面积变为三倍，而不必为此进行强度的附加调制。在图2b中，三个单位格彼此间具有空间距离，然而，该空间距离可以通过射束成形器3和分束器4的相应调节来任意地改变，使得单位格可以彼此接触或也可重叠。由三个单位格形成的强度图案9在高强度的部位处引起辊表面上的材料去除。在此，根据本发明优选地，最大强度如此设置，使得产生最优的通量并且由此产生最高效的去除。产生强度图案9的激光束现在例如可以通过辊的旋转和偏转单元6和7在辊表面上引导，从而在被照射的部位上产生相应于强度图案9的去除轮廓并且通过这种方式基本上可以使整个辊表面结构化。

在图3中示意性地示出了通过重复图2a中的单位格产生的结构化10。在辊表面上的每个加工点或每个加工面上，通过调制的激光束的强度分布8产生结构化，使得在每个加工步骤中(即激光光斑在表面上的每个定位中)能够加工单位格的伸展的面块。通过对辊表面的扫描，得到所示的、面填充的结构化10。

在图4中，示意性地示出了通过重复图2b中的三个单位格产生的结构化10。为了更好的可见性，结构化10的左上部分放大地示出并且由射束成形器3和分束器4产生的强度图案9由三个单位格可辨识地示出。与图2b相比，射束成形器3和分束器4在此共同作用，使得这三个单位格接触。这例如能够通过分束器4相对于射束成形器3简单地旋转来实现，使得三个单位格在图2b中分别各自倾斜并且以在图4中所示的方式接触。强度图案9在此尤其是可无缝地拼接的，即通过简单地重复图案9，能够基本上无空隙地结构化所述辊5的整个面。通过使单位格三倍化，提供了三倍大的加工面，从而有利地相应地缩短了用于结构化的时间耗费。