DE102018105877B3

DE102018105877B3 - Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomographen, Kohärenztomograph und Laserbearbeitungssystem

Info

Publication number: DE102018105877B3
Application number: DE102018105877.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Sauer
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-02-28
Anticipated expiration: 2038-03-15
Also published as: WO2019174895A1; CN111065947B; US11623299B2; US20200198051A1; JP2020532743A; JP7005750B2; CN111065947A; EP3642655A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung (300, 300') für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung (250) eines Kohärenztomograph (200). Die Vorrichtung (300, 300') umfasst eine optische Referenzgeometrie (310, 500), eine Ablenk-Optik (320), die eingerichtet ist, um einen von der optischen Vorrichtung (250) reflektierten optischen Messtrahl (13) auf die optische Referenzgeometrie (310, 500) zu lenken, und eine Auswerteeinheit (240), die eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen einer ersten Referenzebene (A) und wenigstens einer zweiten Referenzebene (C, 501) der optischen Referenzgeometrie (310, 500) zu bestimmen, um die Ausrichtung der optischen Vorrichtung (250) zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung für die Bestimmung einer Position bzw. Ausrichtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomographen, einen Kohärenztomograph mit derselben und ein Laserbearbeitungssystem mit einem solchen Kohärenztomograph. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere einen Laserbearbeitungskopf, z.B. einen Laserschweißkopf, mit einem optischen Kohärenztomographen und einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Drift eines oder mehrerer optischen Vorrichtungen des Kohärenztomograph, wie beispielsweise eines Spiegels, Prismas oder optischen Gitters.
Stand der Technik
In einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laser, z.B. in einem Laserbearbeitungskopf etwa zum Laserschweißen oder Laserschneiden, wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder gebündelt. Standardmäßig wird ein Laserbearbeitungskopf mit einer Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei das Laserlicht über eine Lichtleitfaser, auch als Laserquelle bezeichnet, zugeführt wird.
In der Lasermaterialbearbeitung kann optische Kohärenztomografie (OCT) verwendet werden, um verschiedene Prozessparameter zu messen, wie beispielsweise den Abstand zum Werkstück beim Laserschneiden, die Kantenposition im Vorlauf sowie die Einschweißtiefe während einer Schweißung und/oder die Oberflächentopographie im Nachlauf. Hierzu kann ein OCT-Messtrahl auf das Werkstück gerichtet werden. Optional kann der OCT-Messtrahl über das zu bearbeitende Werkstück bewegt werden, beispielsweise mittels Reflektion an mindestens einem beweglichen Spiegel. Der bewegliche Spiegel ist dabei z.B. an einem Galvanometer befestigt und bildet somit einen Galvanoscanner bzw. einen Galvanometerscanner. Da die OCT-Messwerte zur Überwachung und Regelung des Bearbeitungsprozesses genutzt werden, muss die Winkelstellung des Galvanometerscanners und somit die Position des Messflecks auf dem Werkstück zu jedem aufgenommenen Messwert möglichst genau bekannt sein. Die Überwachung von Schweißvorgängen mittels der OCT ist beispielsweise aus der WO 2014/138939 A1 bekannt.
Galvanometerscanner können einen Positionsdetektor aufweisen, der die Ist-Position der Drehachse des Scanners misst. Diese kann von einem Regelkreis mit einer vorgegebenen Soll-Position verglichen und die Abweichung minimiert werden. Theoretisch sollte daher im stationären Zustand die Abweichung zwischen der von außen vorgegebenen Position und der vom Scanner angefahrenen Position gleich Null sein. Im realen Betrieb jedoch führen thermische Effekte, Störeinflüsse von außen und eine Verschlechterung der verwendeten Positionsdetektoren der Galvanometerscanner zu einer Abweichung der realen Winkelposition von der gewünschten Position. Der Regelkreis kann diese Abweichung nicht korrigieren, da z.B. der Positionsdetektor, auf dessen Wert geregelt wird, selbst thermischen Einflüssen unterworfen ist und der Regelkreis somit kleine Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position nicht erkennen kann. Dieses Phänomen wird auch als Drift eines Galvoscanners bezeichnet und ist sowohl zeit- als auch temperaturabhängig. Die echte Position des Messflecks auf der Werkstückoberfläche ist daher nicht zu jedem Zeitpunkt mit ausreichender Genauigkeit bestimmbar, da sich die Messfleckposition mit der Drift des Scanners ändert, selbst wenn die Sollposition des Spiegels konstant gehalten wird.
Es ist daher wünschenswert, die Drift eines Galvanometerscanners genauer zu bestimmen, als es beispielsweise mit dem im Galvanometerscanner verbauten Positionsdetektor möglich ist, um die Abweichung zwischen der Soll- und Ist-Position zu minimieren. In der DE 10 2015 012 565 B3 ist eine Messvorrichtung mit einem ortsauflösenden Sensor beschrieben, der dazu ausgebildet ist, einen von einem Messstrahl vermessenen Bereich des Werkstücks mittels eines Sensorstrahls zu erfassen und darauf basierend ortsauflösende Informationen zu erzeugen. Dieser ortsauflösende Sensor muss zusätzlich in das System eingebracht werden und erhöht dadurch die Herstellungskosten sowie die Komplexität des Systems.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Vorrichtung für die Bestimmung einer Drift bzw. Ausrichtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomographen, sowie einen Kohärenztomographen und ein Laserbearbeitungssystem mit derselben anzugeben, die eine Ausrichtung einer optischen Vorrichtung präzise bestimmen können. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Differenz zwischen einer Soll- und Ist-Position einer optischen Vorrichtung zum Auslenken eines Messstrahls des Kohärenztomographen, wie beispielsweise eines beweglichen Spiegels, Prismas oder optischen Gitters, mit erhöhter Präzision zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist eine Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung bzw. einer Drift einer optischen Vorrichtung bzw. eines optischen Elements eines Kohärenztomographen angegeben. Die optische Vorrichtung bzw. das optische Element kann dazu eingerichtet sein, einen optischen Messstrahl des Kohärenztomographen auszulenken. Die optische Vorrichtung bzw. das optische Element kann insbesondere beweglich sein. Die Vorrichtung umfasst eine optische Referenzgeometrie, eine Ablenk-Optik, die eingerichtet ist, um einen von der optischen Vorrichtung ausgelenkten oder reflektierten optischen Messtrahl des Kohärenztomographen auf die optische Referenzgeometrie zu lenken, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen einer ersten Referenzebene und wenigstens einer zweiten Referenzebene der optischen Referenzgeometrie zu bestimmen, um die Ausrichtung bzw. Drift der optischen Vorrichtung zu bestimmen. Drift kann hierbei eine Abweichung einer Ausrichtung der optischen Vorrichtung von einer vorgegebenen Ausrichtung bezeichnen. Die optische Vorrichtung bzw. das optische Element des Kohärenztomographen kann beweglich sein. Insbesondere kann die optische Vorrichtung bzw. das optische Element dazu eingerichtet sein, einen optischen Messtrahl des Kohärenztomographen auszulenken bzw. auf einer Werkstückoberfläche zu bewegen. Vorzugsweise ist die zweite Referenzebene dazu geeignet, den optischen Messstrahl zu reflektieren oder diffus zu reflektieren.
Erfindungsgemäß kann die bereits vorhandene OCT-Messtechnik benutzt werden, um beispielsweise die Differenz zwischen Soll- und Ist-Position der optischen Vorrichtung, z.B. eines oder mehrerer Spiegel eines Galvanometerscanners, zu bestimmen. Der Einsatz eines zusätzlichen, ortsauflösenden Detektors zur Bestimmung der Ausrichtung bzw. der Drift der optischen Vorrichtung kann entfallen. Zur Bestimmung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung, und insbesondere der Drift des Galvanometerscanners, wird der Messtrahl auf die Referenzgeometrie gerichtet und der Abstand gemessen. Aus dem gemessenen Abstand bzw. einer Änderung des gemessenen Abstands bezüglich eines Referenz- oder Kalibrierwerts kann die Ausrichtung der optischen Vorrichtung bestimmt und vorzugsweise anschließend korrigiert werden.
Bevorzugte, optionale Ausführungsformen und besondere Aspekte der Offenbarung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der vorliegenden Beschreibung.
Vorzugsweise kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, um eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung von einer vorgegebenen Ausrichtung zu bestimmen, d.h. beispielsweise eine Differenz zwischen Soll- und Ist-Position der optischen Vorrichtung.
Vorzugsweise umfasst die Ablenk-Optik einen oder mehrere Spiegel. Beispielsweise kann der Messstrahl durch den einen oder die mehreren Spiegel auf die Referenzgeometrie gelenkt werden. Optional umfasst die Ablenk-Optik eine Linse, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl auf die optische Referenzgeometrie zu fokussieren. Durch eine Fokussierung der Strahlgröße können Abstandsänderungen mit erhöhter Präzision bestimmt werden.
Vorzugsweise kann die Ablenk-Optik wenigstens einen teildurchlässigen Spiegel umfassen, der eingerichtet ist, um einen Teil des optischen Messstrahls abzulenken. Beispielsweise kann der Messstrahl durch den teildurchlässigen Spiegel aufgeteilt werden, wodurch gleichzeitig eine Abstandsmessung bezüglich einer Arbeitsebene und der Referenzgeometrie erfolgen kann.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet, um eine Positionierung der optischen Vorrichtung zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Winkelstellung eines oder mehrerer Spiegel, z.B. eine Winkelstellung eines Galvanometerscanners, bestimmt werden. Die Winkelstellung kann beispielsweise basierend auf einer Differenz zwischen einer Soll- und Ist-Position korrigiert werden, um eine Drift zu kompensieren. Hierzu kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, um einen Korrekturwert für die Driftkorrektur, beispielsweise an eine Steuereinheit zum Ausrichten der optischen Vorrichtung, auszugeben.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet, um einen Abstand zwischen der ersten Referenzebene und einem, zwei oder mehr Punkten auf der optischen Referenzgeometrie zu bestimmen. Durch das Vermessenen mehrerer Punkte auf der Referenzgeometrie kann eine Präzision der Bestimmung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung erhöht werden.
Vorzugsweise weist die optische Referenzgeometrie wenigstens eine plane, diffus reflektierende Oberfläche auf. Typischerweise ist die Referenzgeometrie ein optisches Element mit einer Oberfläche, die Unstetigkeiten aufweist. Insbesondere kann die Referenzgeometrie mehrere nicht-parallele Ebenen aufweisen. Jede der nicht-parallelen Ebenen kann eine jeweilige zweite Referenzebene bereitstellen. Beispielsweise kann die optische Referenzgeometrie zwei oder mehrere zweite Referenzebenen umfassen, wobei die zwei oder mehreren zweiten Referenzebenen jeweils plane, diffus reflektierende Flächen sind. Die zwei oder mehreren zweiten Referenzebenen können vier zweite Referenzebenen umfassen. Die vier zweiten Referenzebenen können gegeneinander geneigt sein und an einem gemeinsamen Punkt zusammentreffen. Mit anderen Worten können sich vier zweite Referenzebenen in einem gemeinsamen Punkt bzw. einem Kalibriernullpunkt schneiden. Die Referenzgeometrie kann eine sattelartige Form aus wenigstens vier zweiten Referenzebenen aufweisen. Weiter kann die Referenzgeometrie eine Kalibrierebene und/oder einen Kalibriernullpunkt umfassen.
Vorzugsweise sind wenigstens zwei der zweiten Referenzebenen so angeordnet, dass sich für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in eine erste Richtung eine Abstandsvergrößerung bezüglich einer Kalibrierposition oder Kalibrierebene auf der Referenzgeometrie ergibt. Die wenigstens zwei der zweiten Referenzebenen können gegenläufig geneigte Ebenen sein. Wenigstens zwei weitere zweite Referenzebenen können so angeordnet sein, dass sich für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in eine zweite Richtung eine Abstandsminderung bezüglich einer Kalibrierposition oder Kalibrierebene auf der Referenzgeometrie ergibt. Die wenigstens zwei weiteren der zweiten Referenzebenen können gegenläufig geneigte Ebenen sein. Die erste und die zweite Richtung können eine positive und eine negative Richtung entlang derselben Koordinatenachse (z.B. X-Achse oder Y-Achse) bezeichnen. Alternativ kann die erste Richtung eine Richtung entlang einer ersten Koordinatenachse bezeichnen und die zweite Richtung eine Richtung entlang einer zweiten Koordinatenachse senkrecht zur ersten Koordinatenachse.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Kohärenztomograph angegeben. Der Kohärenztomograph umfasst eine optische Vorrichtung und die Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung der optischen Vorrichtung gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen.
Die optische Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, einen optischen Messtrahls des Kohärenztomographen auszulenken bzw. auf einer Werkstückoberfläche zu bewegen. Vorzugsweise umfasst die optische Vorrichtung wenigstens ein Element ausgewählt aus wenigstens einem Spiegel, wenigstens einem optischen Gitter und wenigstens einem Prisma. Die optische Vorrichtung kann ein Galvanometerscanner sein oder einen solchen umfassen. Die optische Vorrichtung, z.B. der wenigstens eine Spiegel, kann um eine oder mehrere Achsen drehbar gelagert sein, wie beispielsweise eine X-Achse und eine Y-Achse, die orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Typischerweise sind zwei Spiegel vorgesehen, von denen einer um die X-Achse und der andere um die Y-Achse drehbar gelagert ist.
Vorzugsweise ist der optische Kohärenztomograph eingerichtet, um eine Abweichung der Ausrichtung, d.h. eine Drift, der optischen Vorrichtung basierend auf dem bestimmten Abstand in einer oder mehreren Raumdimensionen zu kompensieren. Beispielsweise kann die Winkelstellung des wenigstens einen Spiegels des Galvanometerscanners durch Drehung um die Achsen in zwei Raumdimensionen korrigiert werden. Die zwei Raumdimensionen können beispielsweise die X- und Y-Richtung sein.
Vorzugsweise umfasst der Kohärenztomograph einen Referenzarm. Die Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung der optischen Vorrichtung kann zusätzlich und getrennt vom Referenzarm vorgesehen sein. Beispielsweise kann die optische Vorrichtung einen Galvanometerscanner im Referenzarm des Kohärenztomographen umfassen.
Gemäß anderen Ausführungsformen ist ein Laserbearbeitungssystem angegeben. Das Laserbearbeitungssystem umfasst eine Laservorrichtung zum Bereitstellen eines Bearbeitungsstrahls, wobei die Laservorrichtung eingerichtet ist, um den Bearbeitungsstrahl auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks zu lenken, und den Kohärenztomograph gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomograph angegeben. Das Verfahren umfasst Lenken eines optischen Messstrahls auf eine optische Referenzgeometrie, Bestimmen eines Abstands zwischen einer ersten Referenzebene und wenigstens einer zweiten Referenzebene der optischen Referenzgeometrie, und Bestimmen der Ausrichtung der optischen Vorrichtung basierend auf dem gemessenen Abstand.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können günstige Galvoscanner für hochpräzise Applikationen eingesetzt werden. Keine zusätzlichen Detektoren oder Lichtquellen sind nötig, wodurch ein einfacherer und robusterer Aufbau sowie eine Kostenreduktion erreicht werden kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann sogar auf zusätzliche Strahlteiler verzichtet werden.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Laserbearbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
2 ein Laserbearbeitungssystem mit einer Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomographen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
3 ein Laserbearbeitungssystem mit einer Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomographen gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
4 eine Längenänderung, die durch eine Drift der optischen Vorrichtung verursacht wird,
5 perspektivische Ansichten einer Referenzgeometrie gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
6 eine Referenzgeometrie ohne Drift,
7 eine Referenzgeometrie und eine Drift in X-Richtung, und
8 eine Referenzgeometrie und eine Drift in Y-Richtung.

Ausführungsformen der Offenbarung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems 100 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Laserbearbeitungssystem 100 kann einen Laserschweißkopf 101 umfassen, und insbesondere einen Laserschweißkopf zum Lasertiefschweißen.
Das Laserbearbeitungssystem 100 umfasst eine Laservorrichtung 110 zum Erzeugen eines Bearbeitungsstrahls 10 (auch als „Laserstrahl“ oder „Bearbeitungslaserstrahl“ bezeichnet) und einen Kohärenztomographen 200 gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen. Das Laserbearbeitungssystem 100, und insbesondere der Kohärenztomograph 200, umfasst die Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung des Kohärenztomographen 200. Die Vorrichtung ist unter Bezugnahme auf die 2 bis 8 näher beschrieben.
Die Laservorrichtung 110 ist eingerichtet, um den Bearbeitungsstrahl 10 auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks 1 zu lenken. Die Laservorrichtung 110 kann eine Kollimatorlinse 120 zur Kollimation des Bearbeitungsstrahls 10 aufweisen. Innerhalb des Laserschweißkopfes 101 wird der Bearbeitungsstrahl 10 durch eine geeignete Optik 220 um etwa 90° in Richtung des Werkstücks 1 abgelenkt. Der Kohärenztomograph 200 umfasst typischerweise eine Kollimator-Optik 210, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl 13 zu kollimieren, und eine Fokussier-Optik 230, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl 13 auf das Werkstück 1 zu fokussieren.
In einigen Ausführungsformen können der Bearbeitungsstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 zumindest streckenweise koaxial sein, und können insbesondere zumindest streckenweise koaxial überlagert sein. Beispielsweise kann der Kohärenztomograph 200 eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl 13 in einen Strahlengang der Laservorrichtung 110 einzukoppeln. Die Zusammenführung des optischen Messstrahls 13 und des Bearbeitungsstrahls 10 kann nach der Kollimator-Optik 210 und vor der Fokussier-Optik 230 erfolgen. Beispielsweise kann die Optik 220 einen halbdurchlässigen Spiegel umfassen.
In typischen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, sind die Kollimator-Optik 210 und die Fokussier-Optik 230 in den Schweißkopf 101 integriert. Beispielsweise kann der Schweißkopf 101 ein Kollimatormodul 102 umfassen, das in den Schweißkopf 101 integriert oder am Schweißkopf 101 montiert ist. Die Fokussier-Optik 230 kann eine gemeinsame Fokussier-Optik, wie beispielsweise eine Fokuslinse, für den Bearbeitungsstrahl 10 und den Messstrahl 13 sein.
Das Laserbearbeitungssystem 100 oder Teile davon, wie beispielsweise der Schweißkopf 101, kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Bearbeitungsrichtung 20 bewegbar sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann eine Schneid- bzw. Schweißrichtung und/oder eine Bewegungsrichtung des Laserbearbeitungssystems 100, wie beispielsweise des Schweißkopfes 101, bezüglich des Werkstücks 1 sein. Insbesondere kann die Bearbeitungsrichtung 20 eine horizontale Richtung sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann auch als „Vorschubrichtung“ bezeichnet werden.
In typischen Ausführungsformen basiert das hier beschriebene Prinzip zur Abstandsmessung auf dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie, die sich unter Zuhilfenahme eines Interferometers die Kohärenzeigenschaften von Lichts zunutze macht. Der Kohärenztomograph 200 kann eine Auswerteeinheit 240 mit einer breitbandigen Lichtquelle (z.B. einer Superlumineszenzdiode, SLD) umfassen, die das Messlicht in einen Lichtwellenleiter 242 koppelt. In einem Strahlteiler 244, der vorzugsweise einen Faserkoppler aufweist, wird das Messlicht in einen Referenzarm 246 und einen Messarm aufgespalten, der über einen Lichtwellenleiter 248 in den Schweißkopf 101 führt.
Die Kollimator-Optik 210 dient dazu, das aus dem Lichtwellenleiter 248 austretende Messlicht (optischer Messstrahl 13) zu kollimieren. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der optische Messstrahl 13 im Schweißkopf 101 mit dem Bearbeitungsstrahl 10 koaxial überlagert werden. Anschließend können der Bearbeitungslaserstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 durch die Fokussier-Optik 230, die eine gemeinsame Linse oder Fokussierlinse sein kann, auf das Werkstück 1 fokussiert werden.
Eine Position des optischen Messstrahls 13 auf dem Werkstück 1 kann durch eine optische Vorrichtung eingestellt werden. Beispielsweise kann die optische Vorrichtung ein Galvanometerscanner sein. Die optische Vorrichtung kann wenigstens einen Spiegel umfassen (siehe z.B. 2 und 3). Alternativ oder zusätzlich kann die optische Vorrichtung auch wenigstens ein optisches Gitter oder wenigstens ein Prisma umfassen. Die optische Vorrichtung, wie bspw. der wenigstens eine Spiegel, kann um wenigstens eine Achse drehbar gelagert sein, wie beispielsweise eine X-Achse und/oder eine Y-Achse. Typischerweise umfasst die optische Vorrichtung zwei Spiegel, wobei ein Spiegel um die X-Achse und der andere Spiegel um die Y-Achse drehbar gelagert ist. Der optische Kohärenztomograph 200 kann weiter eingerichtet sein, um basierend auf dem bestimmten Abstand eine Winkelstellung des wenigstens einen Spiegels, Prismas oder Gitters des Galvanometerscanners in einer oder mehreren Raumdimensionen zu korrigieren, um Drift zu kompensieren. Hierbei kann die optische Vorrichtung auch im Referenzarm des Kohärenztomographen angeordnet sein.
Der optische Messstrahl 13 kann beispielsweise in eine Dampfkapillare auf dem Werkstück 1 gelenkt werden. Das aus der Dampfkapillare zurückreflektierte Messlicht wird durch die Fokussier-Optik 230 auf die Austritts-/Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters 248 abgebildet, im Faserkoppler 244 mit dem zurückreflektierten Licht aus dem Referenzarm 246 überlagert und anschließend zurück in die Auswerteeinheit 240 gelenkt. Das überlagerte Licht enthält Informationen über den Weglängenunterschied zwischen dem Referenzarm 246 und dem Messarm. Diese Informationen werden in der Auswerteeinheit 240 ausgewertet, wodurch der Benutzer Informationen über den Abstand zwischen Boden der Dampfkapillare und beispielsweise dem Schweißkopf 101 bzw. über eine Topographie der Werkstücksoberfläche erhält. Die Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung der optischen Vorrichtung kann zusätzlich und getrennt vom Referenzarm vorgesehen sein.
Gemäß Ausführungsformen kann der Kohärenztomograph 200 eingerichtet sein, um mittels des optischen Messstrahls 13 einen Abstand zum Werkstück 1 beispielsweise bezüglich eines durch den Kohärenztomographen 200 definierten Referenzpunkts oder einer Referenzebene zu messen. Insbesondere kann der Kohärenztomograph 200 eingerichtet sein, um eine Abstandsänderung zu messen, während sich der Schweißkopf 101 entlang der Bearbeitungsrichtung 20 bewegt. Hierdurch kann beispielsweise ein Tiefenprofil der Dampfkapillare erstellt werden. Alternativ oder zusätzlich zur Messung der Tiefe der Dampfkapillare kann eine Topographiemessung des Werkstücks 1, beispielsweise der Schweißnaht, erfolgen. Die Topographiemessung kann gemäß Ausführungsformen zur Fehlerdetektion und/oder Regelung einer oder mehrerer Prozesseingangsgrößen verwendet werden. Die Prozesseingangsgrößen können z.B. eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Laserleistung, ein Laserfokus, und/oder Betriebsparameter der Laservorrichtung umfassen.
Der erfindungsgemäße Kohärenztomograph 200 kann zum Durchführen von Abstandsmessungen beispielsweise vor, während und/oder nach der Laserbearbeitung eingerichtet sein. Wie bereits erläutert kann der optische Messstrahl 13, der ein niederenergetischer Messstrahl sein kann, über einen Lichtleiter dem Bearbeitungskopf zugeführt, kollimiert und anschließend mit dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl koaxial überlagert und durch eine gemeinsame Fokusoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert werden. Die Bestimmung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung des Kohärenztomograph 200 und eine daraufhin erfolgende Korrektur der Ausrichtung erlaubt eine Abstandsmessung zum Werkstück mit erhöhter Präzision. Die Bestimmung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung kann während der Laserbearbeitung oder separat in einem eigenen Prozess erfolgen.
2 zeigt ein Laserbearbeitungssystem mit einer Vorrichtung 300 für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung 250 eines Kohärenztomograph gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere ist die Auslenkung des Messstrahls 13 (auch als „OCT-Strahl“ bezeichnet) zur Bestimmung der Drift eines Galvanometerscanners dargestellt.
Die Vorrichtung 300 umfasst eine optische Referenzgeometrie 310, eine Ablenk-Optik 320, die eingerichtet ist, um einen von der optischen Vorrichtung 250 reflektierten optischen Messtrahl 13 auf die optische Referenzgeometrie 310 zu lenken, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen einer ersten Referenzebene A und der optischen Referenzgeometrie 310 bzw. einer oder mehreren zweiten Referenzebenen C der optischen Referenzgeometrie 310 zu bestimmen, um die Ausrichtung der optischen Vorrichtung 250 zu ermitteln. Die Auswerteeinheit kann die in 1 dargestellte und mit dem Bezugszeichen 240 versehene Auswerteeinheit sein oder darin integriert sein.
In der in der 2 beschriebenen beispielhaften Ausführungsform wird eine OCT-Lichtquelle 301 über die optische Vorrichtung 250, die mindestens einen beweglichen Spiegel umfassen kann, entweder auf das Werkstück 1 gelenkt, um am Werkstück 1 eine Messung vornehmen zu können (also um den Abstand zwischen den Ebenen A und B zu messen), oder auf die Ablenk-Optik 320 gelenkt, um den Abstand zwischen den Ebenen A und C zumessen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann damit die bereits vorhandene OCT-Messtechnik benutzt werden, um die Differenz zwischen Soll- und Ist-Position der optischen Vorrichtung 250 zu bestimmen. Der Einsatz eines zusätzlichen, ortsauflösenden Detektors entfällt somit. Damit können günstige Galvoscanner für hochpräzise Applikationen eingesetzt werden. Keine zusätzlichen Detektoren, Lichtquellen oder Strahlteiler sind nötig, wodurch ein einfacherer und robusterer Aufbau sowie eine Kostenreduktion erreicht werden kann.
Zur Bestimmung der Drift wird der Messstrahl 13 auf die Referenzgeometrie 310 gerichtet. Hierzu kann der Messstrahl 13 z.B. durch Auslenkung der optischen Vorrichtung 250 auf die Referenzgeometire 310 gelenkt werden. In einigen Ausführungsformen umfasst die Ablenk-Optik 320 einen oder mehrere Spiegel 322. Beispielsweise kann der Messtrahl 13 durch mehrere Spiegel 322 mehrere Male reflektiert und so auf die Referenzgeometrie 310 gelenkt werden. Optional umfasst die Ablenk-Optik 320 eine Linse 324, die eingerichtet ist, um den optischen Messtrahl 13 auf die optische Referenzgeometrie 310 zu fokussieren. Durch eine Fokussierung der Strahlgröße können Abstandsänderungen mit erhöhter Präzision bestimmt werden. Die Drift kann in regelmäßigen Abständen während der Materialbearbeitung bestimmt (und bevorzugter Weise anschließend korrigiert) werden.
In manchen Ausführungsformen ist die Auswerteeinheit eingerichtet, um eine Positionierung der optischen Vorrichtung 250 zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Winkelstellung eines oder mehrerer Spiegel, eines oder mehrerer Galvanometerscanner, eines oder mehrerer Prismen, oder eines oder mehrerer optischen Gitter oder Kombinationen davon bestimmt werden. Die Winkelstellung kann beispielsweise basierend auf einer Differenz zwischen Soll- und Ist-Position korrigiert werden, um Drift zu kompensieren, der durch thermische Effekte, Störeinflüsse von außen und/oder eine Verschlechterung der verwendeten Positionsdetektoren verursacht wird. Hierfür kann die Auswerteeinheit 240 einen Korrekturwert zur Korrektur der Ausrichtung an den Kohärenztomographen übermitteln.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist der optische Kohärenztomograph 200 eingerichtet, um eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung 250 basierend auf dem bestimmten Abstand in einer oder mehreren, und insbesondere in zwei, Raumdimensionen zu korrigieren. Die zwei Raumdimensionen können beispielsweise die X- und Y-Richtung sein (siehe 6 bis 8). Beispielsweise ist der optische Kohärenztomograph 200 eingerichtet, um basierend auf dem bestimmten Abstand zwischen den Ebenen A und C eine Winkelstellung des wenigstens einen Spiegels eines Galvanometerscanners in den jeweiligen Raumdimensionen zu korrigieren.
Die erste Referenzebene A kann eine Referenzebene im Messarm des Kohärenztomograph für die Abstandsmessungen zum Werkstück 1 sein und zusätzlich für die Bestimmung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung 250 verwendet werden. Anders gesagt kann, wie bereits zuvor erwähnt, die bereits vorhandene OCT-Messtechnik benutzt werden, um die Differenz zwischen Soll- und Ist-Position der optischen Vorrichtung 250 zu bestimmen, indem der Messtrahl 13 mittels der optischen Vorrichtung 250 auf die Referenzgeometrie 310 gelenkt wird. Typischerweise ist die erste Referenzebene A die Ebene der Lichtquelle 301 des Kohärenztomograph.
Die optische Referenzgeometrie 310 stellt eine oder mehrere zweite Referenzebenen C bereit. Der Abstand, den die erfindungsgemäße Vorrichtung bestimmt, ist zwischen der erste Referenzebene A und einer entsprechenden zweiten Referenzebene C definiert. Vorzugsweise entspricht ein Abstand zwischen der ersten Referenzebene A, wie beispielsweise der Ebene der Lichtquelle 301, und der Ebene des Werkstücks 1 (d.h. der Arbeitsebene B), dem Abstand zwischen der ersten Referenzebene A und mindestens einer zweiten Referenzebene C oder einer Kalibrierposition der optischen Referenzgeometrie 310. Grund dafür ist, dass ein OCT Messsystem für gewöhnlich nur einen kleinen Messbereich bietet, z.B. im Bereich von ca. 12 mm. Wenn sich die Abstände daher um mehr als die Größe des Messbereichs unterscheiden, kann nur noch einer der beiden Abstände gemessen werden. Alternativ kann die Referenzarmlänge nachgeführt werden, was allerdings erhöhten Aufwand und Kosten mit sich bringt. Der Abstand zwischen den Ebenen A und C, und insbesondere zwischen der Ebene A und der Kalibrierposition, wird als l₀ bezeichnet und kann für mindestens einen Winkel θ₀ , z.B. bei der Einrichtung des Systems, durch die OCT-Messtechnik präzise bestimmt werden.
3 zeigt ein Laserbearbeitungssystem mit einer Vorrichtung 300' für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung 250 eines Kohärenztomographen gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Laserbearbeitungssystem der 3 ist ähnlich zum in der 2 dargestellten Laserbearbeitungssystem und eine Beschreibung ähnlicher und identischer Merkmale wird nicht wiederholt.
Im Beispiel der 3 umfasst die Ablenk-Optik 320 wenigstens einen Strahlteiler bzw. einen teildurchlässigen Spiegel 326, der eingerichtet ist, um einen Teil des optischen Messtrahls 13 abzulenken. Beispielsweise kann der Messstrahl 13 durch den teildurchlässigen Spiegel 326 aufgeteilt werden, wodurch gleichzeitig eine Abstandsmessung zur Arbeitsebene B und zur Referenzgeometrie 310 erfolgen kann.
4 zeigt eine Längenänderung um einen Winkel θ_d (Driftwinkel), der durch Drift verursacht wird.
Wenn während des Betriebs Drift in der Ausrichtung der optischen Vorrichtung bzw. Drift des Galvanometersystems auftritt, ändert sich die Position des OCT-Strahls auf der Referenzgeometrie für einen Winkel θ₀ um den Driftwinkel θ_d , wie in 4 dargestellt ist. Aus dieser Winkeländerung ergibt sich eine Längenänderung Δl = l₀ - l_d, welche durch das OCT-System detektierbar ist. Die gemessene Längenänderung kann anschließend von einer Steuerung genutzt werden, um die Drift des Galvanometerscanners zu kompensieren, wodurch die reale Lage des Messflecks auf dem Werkstück genauer bestimmt werden kann, als dies ohne Kompensation möglich wäre. Dadurch wird eine Messung durch den Kohärenztomographen genauer.
In einigen Ausführungsformen kann die Änderung des Driftwinkels θ_d optisch übersetzt werden, um eine größere Längenänderung Δl zu erzeugen und so die Sensitivität der Driftbestimmung zu erhöhen.
Typsicherweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet, um einen Abstand zwischen der Referenzebene A und zwei oder mehreren Punkten auf der optischen Referenzgeometrie zu bestimmen. Beispielsweise können bei einer Kalibrierung bzw. bei Einrichtung des Systems weitere Punkte der Referenzgeometrie bei unterschiedlichen Ausrichtungen der optischen Vorrichtung unter den Winkeln θ₁ , θ₂ ...θ_n vermessen werden, um die zugehörigen Längen l₁ , l₂ ...l_n zu bestimmen. Diese Punkte können zur genaueren Bestimmung der Ausrichtung bzw. der Drift verwendet werden. Durch Vermessenen mehrerer Punkte auf der Referenzgeometrie kann z.B. über eine Rechenoperation eine Präzision der Bestimmung der Ausrichtung, und insbesondere der Drift der optischen Vorrichtung 250 erhöht werden. Zudem können mehrere Punkte auf der Referenzgeometrie vermessen werden, um die Drift in mehreren Dimensionen kompensieren zu können. Dies ist unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 näher erläutert.
5 zeigt perspektivische Ansichten einer Referenzgeometrie 500 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Referenzgeometrie 500 weist mehrere zweite Referenzebenen 501 auf. Obwohl beispielhaft fünf zweite Referenzebenen 501 dargestellt sind, ist die vorliegende Offenbarung nicht hierauf begrenzt und es kann jede geeignete Anzahl an zweiten Referenzebenen vorgesehen sein. Beispielsweise können eine, zwei, drei, vier, fünf oder mehr zweite Referenzebenen vorhanden sein. Besonders bevorzugt sind vier zweite Referenzebenen, die sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden.
Typsicherweise weist die optische Referenzgeometrie 500 wenigstens eine plane, diffus reflektierende Oberfläche auf. Die plane, diffus reflektierende Oberfläche ermöglicht, dass der Rückreflex im Vergleich zum Rückreflex aus der Prozessbeobachtung nicht zu groß für den OCT Sensor ist und die Intensität der Quelle somit nicht reduziert werden muss.
Gemäß Ausführungsformen ist die Referenzgeometrie ein optisches Element mit einer Oberfläche, die Unstetigkeiten aufweist. Insbesondere kann die Referenzgeometrie mehrere nicht-parallele Ebenen aufweisen. Beispielsweise können die Ebenen geneigte Flächen sein, die in einem gemeinsamen Punkt 502 zusammentreffen. Der gemeinsame Punkt 502 kann der niedrigste Punkt sein. Die nicht-parallelen Ebenen können die zweiten Referenzebenen 501 bereitstellen. Beispielsweise kann die optische Referenzgeometrie zwei oder mehrere zweite Referenzebenen 501 umfassen, wobei die zwei oder mehreren zweiten Referenzebenen jeweils plane, diffus reflektierende Flächen sind.
Die Referenzgeometrie 500 kann eine Kalibrierebene, Kalibrierposition oder einen Kalibrierpunkt umfassen. Der Abstand zwischen der ersten Referenzebene und der Kalibrierebene / dem Kalibrierpunkt wird als l₀ bezeichnet und kann für mindestens einen Winkel θ₀ bei der Einrichtung des Systems durch die OCT-Messtechnik präzise bestimmt werden. Die in der 5 dargestellten vier zweiten Referenzebenen können beispielsweise vier geneigten Flächen sein, die sich im gemeinsamen Punkt 502 treffen, wobei der Punkt 502 den Kalibriernullpunkt (oder die Kalibrierposition) darstellt.
In einigen Ausführungsformen ist die Referenzgeometrie derart geformt, dass sich aus der Art der Längenänderung berechnen lässt, in welcher Dimension (z.B. in X- oder Y-Richtung) die Drift aufgetreten ist. Hierzu können, wie oben beschrieben, vier zweite Referenzebenen 501 so angeordnet sein, dass sich die vier zweiten Referenzebenen 501 im Kalibriernullpunkt 502 schneiden.
Insbesondere können wenigstens zwei der zweiten Referenzebenen 501 so angeordnet sein, dass sich für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in eine erste Dimension eine Abstandsvergrößerung ergibt. Wenigstens zwei weitere zweite Referenzebenen können so angeordnet sein, dass sich für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in eine zweite Dimension eine Abstandsminderung ergibt. Dies ist unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 näher erläutert.
6 zeigt die Referenzgeometrie ohne Drift. Der Messstrahl trifft auf die Kalibrierposition bzw. auf den Kalibrierpunkt und die Abweichung zwischen Ist- und Soll-Position der optischen Vorrichtung ist gleich Null.
7 zeigt eine Drift in die erste Dimension bzw. Richtung, die eine X-Richtung sein kann. Für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in die erste Dimension ergibt sich eine Abstandsvergrößerung.
8 zeigt eine Drift in die zweite Dimension bzw. Richtung, die eine Y-Richtung sein kann. Die zweite Dimension bzw. Y-Richtung kann senkrecht auf der ersten Dimension bzw. X-Richtung stehen. Für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in die zweite Dimension ergibt sich eine Abstandsminderung.
Damit kann anhand des Vorzeichens der Abstandsänderung ein Rückschluss darauf gezogen werden, in welcher Richtung die optische Vorrichtung driftet. Wenn die optische Vorrichtung je einen Spiegel für die X-Ablenkung und die Y-Ablenkung aufweist, kann beispielsweise darauf geschlossen werden, welcher der beiden Spiegel driftet.
Vorzugsweise ist der optische Kohärenztomograph eingerichtet, um einen Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung basierend auf dem bestimmten Abstand in einer oder mehreren Raumdimensionen zu kompensieren. Beispielsweise kann die Winkelstellung des wenigstens einen Spiegels eines Galvanometerscanners durch Drehung um die Achsen in zwei Raumdimensionen korrigiert werden. Falls Drift in der X-Richtung vorliegt, kann der entsprechende Spiegel um die X-Achse gedreht werden, um die Drift zu kompensieren. Falls Drift in der Y-Richtung vorliegt, kann der entsprechende Spiegel um die Y-Achse gedreht werden, um die Drift zu kompensieren.

Claims

Vorrichtung (300, 300') für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung (250) eines Kohärenztomographen (200), umfassend: eine optische Referenzgeometrie (310, 500); eine Ablenk-Optik (320), die eingerichtet ist, um einen von der optischen Vorrichtung (250) ausgelenkten optischen Messtrahl (13) des Kohärenztomographen (200) auf die optische Referenzgeometrie (310, 500) zu lenken; und eine Auswerteeinheit (240), die eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen einer ersten Referenzebene (A) und wenigstens einer zweiten Referenzebene (C, 501) der optischen Referenzgeometrie (310, 500) zu bestimmen, um die Ausrichtung der optischen Vorrichtung (250) zu bestimmen.
Die Vorrichtung (300, 300') nach Anspruch 1, wobei die Ablenk-Optik (320) mindestens eines von einem oder mehreren Spiegeln (322), einem oder mehreren Galvanoscannern, einem oder mehreren Prismen, und einem oder mehreren optischen Gittern umfasst.
Die Vorrichtung (300') nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ablenk-Optik (320) einen teildurchlässigen Spiegel (326) umfasst, der eingerichtet ist, um einen Teil des optischen Messtrahls (13) zur optischen Referenzgeometrie (310, 500) abzulenken und einen anderen Teil des optischen Messstrahls (13) hindurchtreten zu lassen.
Die Vorrichtung (300, 300') nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Ablenk-Optik (320) eine Linse (324) umfasst, die eingerichtet ist, um den optischen Messtrahl (13) auf die wenigstens eine zweite Referenzebene (C, 501) der optischen Referenzgeometrie (310, 500) zu fokussieren.
Die Vorrichtung (300, 300') nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (240) eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen der ersten Referenzebene (A) und einem oder mehr Punkten auf der optischen Referenzgeometrie (310, 500) zu bestimmen.
Die Vorrichtung (300, 300') nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die zweite Referenzebene (501) der optischen Referenzgeometrie (310, 500) eine plane, diffus reflektierende Oberfläche aufweist.
Die Vorrichtung (300, 300') nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die optische Referenzgeometrie (310, 500) vier zweite Referenzebenen (501) aufweist, die gegeneinander geneigt sind und sich in einem gemeinsamen Kalibriernullpunkt (502) schneiden.
Die Vorrichtung (300, 300') nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei der zweiten Referenzebenen (501) so angeordnet sind, dass sich für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung (250) in einer ersten Richtung eine Abstandsvergrößerung ergibt, und wobei wenigstens zwei weitere zweite Referenzebenen (501) so angeordnet sind, dass sich für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung (250) in einer zweiten Richtung eine Abstandsminderung ergibt.
Die Vorrichtung (300, 300') nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die optische Vorrichtung (250) manuell oder automatisch beweglich ist.
Kohärenztomograph (200), umfassend: die Vorrichtung (300, 300') nach einem der Ansprüche 1 bis 9; und die optische Vorrichtung (250) zum Auslenken des optischen Messstrahls (13) des Kohärenztomographen (200).
Der Kohärenztomograph (200) nach Anspruch 10, wobei der Kohärenztomograph (200) eingerichtet ist, um eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung (250) basierend auf dem bestimmten Abstand in einer oder mehreren Raumdimensionen zu kompensieren.
Der Kohärenztomograph (200) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Kohärenztomograph (200) einen Messarm und einen Referenzarm (246) umfasst und die optische Vorrichtung (250) im Referenzarm (246) angeordnet ist.
Laserbearbeitungssystem (100), umfassend: eine Laservorrichtung (110) zum Bereitstellen eines Bearbeitungsstrahls (10), wobei die Laservorrichtung (110) eingerichtet ist, um den Bearbeitungsstrahl (10) auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks (1) zu lenken; und den Kohärenztomographen (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 12.