DE102010039633A1

DE102010039633A1 - Bestimmung der Fokuslage eines Laserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung

Info

Publication number: DE102010039633A1
Application number: DE102010039633A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Ritter
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: DE102010039633B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (3) zur Bestimmung der Fokuslage (z_F) eines fokussierten Laserstrahls (1) in Strahlausbreitungsrichtung, umfassend:
eine Selektionseinrichtung (4) mit einem zu einer Laserstrahlachse (2) beabstandet angeordneten Selektionselement (5a) zum Selektieren eines unter einem Winkel (α_F) zur Laserstrahlachse (2) verlaufenden Teilstrahls (6a) des fokussierten Laserstrahls (1), eine Detektionseinrichtung (9), der im Strahlengang nach der Selektionseinrichtung (4) angeordnet ist und die ein von der Laserstrahlachse (2) beabstandet angeordnetes Sensorelement (9a) zum Detektieren der Intensität (I_S) des selektierten Teilstrahls (6a) aufweist, sowie eine. Auswerteeinrichtung (15) zum Bestimmen der Fokuslage (z_F) des Laserstrahls (1) mit Hilfe der detektierten Intensität (I_S). Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Fokuslage eines fokussierten Laserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren.
In der Lasermaterialbearbeitung ist die genaue Kenntnis der Lage des Fokuspunkts wichtig für eine gleichbleibend hohe Schneid- und Schweißqualität. Um die Lage des Fokuspunkts in Strahlausbreitungsrichtung auf einer (zentralen) Laserstrahlachse zu ermitteln, ist es bekannt, in ein Testwerkstück bei verschiedenen Fokuslagen eine Geometrie zu schneiden. Durch taktile oder kamerabasierte Vermessung der Schnittbreite ist die Bestimmung der Fokuslage möglich. Dieses Verfahren ist jedoch mit zeitlichem Aufwand verbunden und unterbricht den Produktionsprozess, da das Testwerkstück in die Laserbearbeitungsmaschine eingelegt werden muss.
Aus US 4,472,055 ist es bekannt, die Lage des Fokuspunkts einer Laserbearbeitungsmaschine in Strahlausbreitungsrichtung mit Hilfe einer Blende und eines Detektors zu bestimmen. Dabei wird die Blende, die eine zentrische kreisförmige Öffnung aufweist, zwischen der Fokussieroptik des Bearbeitungskopfes und der Werkstückebene angeordnet. Ein Strahlungsdetektor mit zentrischer kreisförmiger Öffnung befindet sich unterhalb der Werkstückebene. Blende und Detektor werden. einzeln oder gekoppelt in Strahlausbreitungsrichtung bewegt, bis das Sensorsignal ein Minimum erreicht, bei dem der Strahl durch die Blende ringförmig am Rand so beschnitten wird, dass der verbleibende Teil vollständig durch die Öffnung des Detektors verläuft, ohne auf die ringförmige Detektorfläche zu treffen. Durch das Verhältnis der Öffnungsdurchmesser von Blende und Detektor und dem Abstand von Blende und Detektor zueinander kann die Lage des Fokuspunkts berechnet werden.
Die DE 102 56 262 A1 offenbart ein allgemeines Verfahren und eine Vorrichtung, um Prozesse bei der Laserbearbeitung von der Bauteilrückseite her zu beobachten. In der DE 199 61 625 C1 ist die Möglichkeit beschrieben, bei 3D-Laserbearbeitungsanlagen mit Hilfe von Blenden und einer Kamera auf der Werkstückoberseite die Orientierung der Laserstrahlung und die Fokusposition zu bestimmen.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Fokuslage und ein Verfahren anzugeben, mit dem die Bestimmung der Fokuslage in Strahlausbreitungsrichtung auf einfache Weise und automatisiert erfolgen kann.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Fokuslage, umfassend: eine Selektionseinrichtung mit einem zu einer Laserstrahlachse beabstandet angeordneten Selektionselement zum Selektieren eines unter einem Winkel zur Laserstrahlachse verlaufenden Teilstrahls des fokussierten Laserstrahls, eine Detektionseinrichtung, die im Strahlengang nach der Selektionseinrichtung angeordnet ist und die ein von der Laserstrahlachse beabstandet angeordnetes Sensorelement zum Detektieren der Intensität des selektierten Teilstrahls aufweist, sowie eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der Fokuslage des Laserstrahls mit Hilfe der detektierten Intensität.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Lage des Fokuspunkts auf der Laserstrahlachse geometrisch durch Rückverfolgung des Strahlengangs mindestens eines Teilstrahls des Laserstrahls zu bestimmen, der mittels eines Selektionselements ausgewählt wird und der unter einem definierten Winkel zur Laserstrahlachse verläuft. Die Selektionsfläche des Selektionselements, z. B. in Form einer Blendenöffnung, und die Sensorfläche des Sensorelements können hierbei in unterschiedlichen Ebenen senkrecht zur Laserstrahlachse angeordnet sein. Es versteht sich aber, dass dies nicht zwingend der Fall ist und die Sensorfläche des Sensorelements bzw. die Selektionsfläche des Selektionselements unter einem Winkel zur Laserstrahlachse ausgerichtet sein können.
Um die Lage des selektierten Teilstrahls im Raum zu bestimmen, kann z. B. die Position des Sensorelements bei ortsfestem Selektionselement verändert und hierbei die Intensität der Laserstrahlung in Abhängigkeit vom Ort ermittelt werden, wobei ein Intensitätsmaximum an derjenigen Position des Sensorelements auftritt, an dem dieses sich mit dem Selektionselement und dem Fokuspunkt des Laserstrahls auf einer gemeinsamen Linie (Sichtlinie) zur Laserstrahlachse befindet. Die Sichtlinie bildet eine Gerade, die gegebenenfalls an im Strahlengang angeordneten Umlenkeinrichtungen in ihrer Richtung verändert wird. Die Vorrichtung ist hierbei typischer Weise so positioniert, dass eine zentrale Achse der Vorrichtung mit der Laserstrahlachse übereinstimmt. Im Bereich der zentralen Achse der Vorrichtung ist in der Regel ein Strahlfänger angeordnet, um den Hauptteil der Laserstrahlung aufzufangen, der entlang der Laserstrahlachse verläuft.
Bei den obigen Überlegungen wird davon ausgegangen, dass der selektierte Teilstrahl in guter Näherung durch eine Linie angenähert werden kann, d. h. unter genau einem Winkel zur Laserstrahlachse verläuft, was bei genügend präziser Selektion des Teilstrahls z. B. mit Hilfe eines Selektionselements in Form einer ausreichend kleinen Blendenöffnung in guter Näherung erfüllt ist. Der Schnittpunkt des Teilstrahls mit der Laserstrahlachse, welcher die Fokuslage definiert, kann dann anhand geometrischer Überlegungen (Anordnung von Selektionselement bzw. Sensorelement bezüglich der Laserstrahlachse) auf einfache Weise berechnet werden.
Bei einer Ausführungsform ist die Vorrichtung ausgelegt, ein Maximum der Intensität des selektierten Teilstrahls zu detektieren, wenn die Fokuslage des Laserstrahls mit einer Referenz-Fokusposition der Vorrichtung übereinstimmt, die durch einen Schnittpunkt der Laserstrahlachse mit einer Sichtlinie definiert ist, auf der sich das Selektionselement und das Sensorelement befinden. Befindet sich der Fokuspunkt des Laserstrahls an dem Schnittpunkt, liegt der Fokuspunkt auf einer Sichtlinie mit dem Sensorelement, so dass die detektierte Intensität maximal ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgelegt, beim Verändern der Fokuslage des Laserstrahls entlang der Laserstrahlachse relativ zur Vorrichtung eine Verteilung der Intensität der Laserstrahlung aufzunehmen und ein Maximum der Intensität der Laserstrahlung mit der Referenz-Fokusposition zu identifizieren. In diesem Fall kann die Intensitätsverteilung der detektierten Laserstrahlung bei ortsfestem Selektionselement und ortsfestem Sensorelement ermittelt werden, indem der Fokus des Laserstrahls entlang der Laserstrahlachse verschoben und hierbei die Intensität der Laserstrahlung auf dem Sensorelement gemessen wird. Es ist selbstverständlich alternativ oder zusätzlich auch möglich, zum Verändern der Fokuslage die Vorrichtung entlang der Laserstrahlachse zu verschieben.
Das Maximum der gemessenen Intensitäts-Verteilung legt die Referenz-Fokusposition fest. Ist diese bekannt, kann die Intensitätsverteilung genutzt werden, um eine gemessene Intensität der Laserstrahlung einer jeweiligen Fokuslage in Strahlausbreitungsrichtung zuzuordnen und so die Fokuslage des Laserstrahls zu bestimmen. Durch die Messung bzw. die Überwachung der Intensität des Laserstrahls ist es möglich, die Fokuslage des Laserstrahls so zu verändern, dass dieser an eine gewünschte Fokusposition, z. B. die Referenz-Fokusposition, verbracht wird.
In einer Weiterbildung weist die Detektionseinrichtung ein weiteres Sensorelement auf, das mit dem Selektionselement oder einem weiteren Selektionselement der Selektionseinrichtung auf einer weiteren Sichtlinie liegt, welche die erste Sichtlinie an der Referenz-Fokusposition schneidet. Dies ist günstig, um die Präzision bei der Messung zu erhöhen. Insbesondere können beim Verändern der Fokuslage entlang der Laserstrahlachse bei ortsfest angeordneten Selektions- und Sensorelementen zwei Intensitätsverteilungen aufgenommen werden, die miteinander korreliert werden, um die Präzision der Messung zu erhöhen. So kann z. B. aus diesen Intensitätsverteilungen ein Mittelwert bestimmt werden, wenn die Sichtlinien in einer Ebene liegen. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Sensorelemente auf entsprechenden Sichtlinien angeordnet sein können.
Bei einer Ausführungsform ist die Selektionseinrichtung eine insbesondere plane oder zylinderförmige Blende und das Selektionselement bildet einen (teil-)transmissiven Bereich der Blende, insbesondere eine Blendenöffnung, oder einen reflektierenden Bereich der Blende. Die eingesetzten Blenden müssen nicht notwendigerweise einzelne, exzentrisch zur Laserstrahlachse angeordnete Blendenöffnungen aufweisen. Die Blendenöffnung kann vielmehr auch als ringförmiger Spalt ausgeführt sein, um einen ringförmigen Teilstrahl unter einem vorgebbaren Winkel zur Laserstrahlachse zu selektieren. In beiden Fällen können mehrere (diskrete) Sensorelemente auf entsprechenden Sichtlinien angeordnet sein, die sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt, der Referenz-Fokusposition, auf der Laserstrahlachse schneiden.
Zur Selektion einzelner Teilstrahlen sind neben Blendenöffnungen in Form von Durchtritts-Bohrungen an den Blenden auch andere Selektionseinrichtungen möglich, die beispielsweise Durchlassstellen aus (teil-)transmissivem Material aufweisen. Auch Blenden aus absorbierendem Material können mit einzelnen reflektierenden Stellen versehen werden, die als Selektionselemente wirken, da sie eine Umlenkung des selektierten Teilstrahls bewirken. Es versteht sich, dass ggf. zur Selektion auch auf Blenden, welche Teile des Laserstrahls abschirmen, vollständig verzichtet werden kann, z. B. wenn die Selektionselemente in Form von Spiegelelementen (mit geringen Abmessungen) ausgebildet sind, die lediglich den gewünschten Teilstrahl des Laserstrahls umlenken.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich mindestens eine weitere Selektionseinrichtung, insbesondere eine weitere Blende, die mindestens ein weiteres von der Laserstrahlachse beabstandet angeordnetes Selektionselement aufweist, das auf der Sichtlinie angeordnet ist, auf der sich auch das Selektionselement und das Sensorelement befinden. Da Sensorelemente eine endliche Ausdehnung von beispielsweise 0,7 mm × 0,7 mm aufweisen, ist die Bestimmung der Strahllage im Raum mit Hilfe von je einer Blendenöffnung und einem Sensorelement mit dieser Ungenauigkeit behaftet. Die Genauigkeit kann nicht ohne weiteres dadurch erhöht werden, dass die Blendenöffnung der (ersten) Blende verkleinert wird, da dies zu unerwünschten Beugungseffekten führen kann.
Die Genauigkeit der Bestimmung des Strahlverlaufs kann daher vorteilhaft dadurch erhöht werden, dass eine zweite Blende bzw. Blendenebene zwischen dem Laserstrahlfokus und dem bzw. den Sensorelementen gebildet wird, wobei die Abmessungen der weiteren Blendenöffnung typischer Weise kleiner sind als die Abmessungen des Sensorelements. Das Sensorelement ist hierbei typischer Weise hinter einer exzentrisch zur Laserstrahlachse angeordneten, kreisförmigen Blendenöffnung der zweiten Blendenebene angeordnet. Mit dieser Anordnung können somit Teilstrahlen detektiert werden, deren räumlicher Verlauf durch zwei Blendenöffnungen in unterschiedlichen Ebenen festgelegt ist. Die zweite Blendenebene bzw. Blendenöffnung kann hierbei insbesondere unmittelbar vor dem Sensorelement angeordnet sein.
Bei einer Ausführungsform ist das Sensorelement zum ortsaufgelösten Detektieren der Intensität von auftreffender Laserstrahlung ausgelegt. In der Regel liefert ein Sensorelement einen über die Sensorfläche gemittelten bzw. integralen Intensitätswert. Wird zur Detektion eines einzelnen Teilstrahls aber ein ortsauflösendes Sensorelement eingesetzt, z. B. ein Zeilendetektor, liefert dieser eine räumlich aufgelöste Information über die (gebeugte) Intensitätsverteilung der auftreffenden Laserstrahlung bzw. des Teilstrahls, so dass die zweite Blendenebene überflüssig wird.
Es versteht sich, dass zur Detektion von selektierten Teilstrahlen die Sensorelemente des Detektors nicht als diskrete Einzelsensoren ausgelegt sein müssen, sondern dass diese auch an einer gemeinsamen, beispielsweise ringförmig oder als Quadrantendetektor ausgebildeten Detektorfläche ausgebildet sein können, wobei die Sensorelemente vorgebbaren räumlichen Bereichen der Detektorfläche zugeordnet sind. Als Detektoren bzw. Sensorelemente können beispielsweise Temperatursensoren, Pyrodetektoren, Termopiles oder Fotodioden eingesetzt werden.
Bei einer Ausführungsform sind das Sensorelement und/oder das Selektionselement parallel oder senkrecht zueinander verschiebbar angeordnet. Auf diese Weise können verschiedene Teilstrahlen, d. h. Teilstrahlen, die unter unterschiedlichen Winkeln zur Laserstrahlachse verlaufen, aus dem Laserstrahl selektiert und detektiert werden und es kann eine räumliche Information über die Intensitätsverteilung erhalten werden. Hierdurch kann der Einfluss von Leistungsfluktuationen oder von thermischen Effekten auf die Bestimmung der Fokuslage durch eine Mittelung bei der Auswertung vermindert werden.
In einem einfachen, schlanken Aufbau der Messvorrichtung sind die Selektionselemente an einer oder mehreren zylinderförmigen Blenden angebracht, die konzentrisch zur Laserstrahlachse angeordnet sind. Diese Anordnung führt allerdings aufgrund des langen Wegs der Teilstrahlen bis zum Detektor bzw. zu den Sensorelementen zu großen Abmessungen der Vorrichtung.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung daher eine Umlenkeinrichtung zur Umlenkung des Laserstrahls, die im Strahlengang vor der Selektionseinrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise können z. B. plane Blenden verwendet und die Länge der Vorrichtung verringert werden.
Für die Anordnung der Blenden bzw. Selektionselemente und der Sensorelemente gibt es verschiedene Möglichkeiten. Dabei ist es grundsätzlich günstig, wenn der Laserstrahl nur zu einem geringen Anteil seiner Intensität mit der Selektionseinrichtung und den Sensorelementen in Wechselwirkung tritt, damit die Fokuslagenbestimmung auch bei hohen Laserleistungen angewendet werden kann. Um dies zu erreichen, sollte die Laserstrahlung abgeschwächt werden, bevor sie auf die Selektionseinrichtung bzw. die Sensorelemente auftrifft. Hierzu kann der (zentrische) Hauptteil des fokussieren Laserstrahls, der nicht zur Messung genutzt wird, in einer Strahlfalle aufgefangen werden. Eine Abschwächung der auf das Sensorelement bzw. die Sensorelemente auftreffenden Laserstrahlung kann z. B. auch durch einen Graufilter erreicht werden, der im Strahlweg vor dem Sensorelement bzw. den Sensorelementen angeordnet wird und der eine Transmission von beispielsweise 0,1% aufweist.
Bei einer Weiterbildung ist die Umlenkeinrichtung als Strahlteiler ausgebildet. Durch den Strahlteiler kann der Laserstrahl in einen nicht zur Messung genutzten Anteil der Strahlungsintensität, welcher einer Strahlfalle zugeführt wird, und einen Anteil, welcher auf die Selektionseinrichtung bzw. die Selektionselemente trifft, aufgeteilt werden. Hierdurch wird eine Abschwächung der Intensität bzw. der Strahlleistung der Laserstrahlung erreicht, welche auf die z. B. als Blende ausgebildete Selektionseinrichtung trifft. Der Strahlteiler kann bei einem CO₂-Laser beispielsweise aus Zinkselenid (ZnSe) gebildet sein. Die Verwendung eines Strahlteilers erfordert aber eine präzise Ausrichtung der verwendeten Bauteile zueinander. Außerdem kann sich eine ungleichmäßige Erwärmung des Strahlteilers ggf. ungünstig auf die Messgenauigkeit auswirken.
Bei einer Weiterbildung ist die Umlenkeinrichtung als Scraper-Spiegel ausgebildet. Der Scraper-Spiegel wird typischer Weise im divergenten Strahlengang des Laserstrahls unterhalb des Fokuspunkts bzw. der Referenz-Fokusposition angeordnet und dient dazu, die zur Messung notwendigen Teilstrahlen bzw. den zur Messung notwendigen Winkelbereich des Laserstrahls vom Hauptstrahl zu trennen, der typischer Weise in einer Strahlfalle aufgefangen wird. Auf diese Weise wird nur der zur Messung benötigte Winkelbereich, der typischer Weise am Rand des fokussierten Laserstrahls liegt, auf die Selektionseinrichtung umgelenkt. Außerdem kann die Kühlung der verwendeten Bauteile auf einfache Weise erfolgen.
Die beschriebene Messvorrichtung ist beispielsweise für den Einsatz in einer Laserbearbeitungsmaschine geeignet. Die Laserbearbeitungsmaschine umfasst eine Fokussieroptik (mit Strahlführungsoptik), die dazu dient, den in einem Laser, z. B. einem CO₂-Laser, erzeugten Laserstrahl im Bereich der Oberseite einer Werkstückauflage zu fokussieren, welche der Lagerung von Werkstücken dient. Die Fokussiereinrichtung weist typischer Weise mindestens ein verstellbares optisches Element, beispielsweise eine verschiebbare Linse und/oder einen adaptiven Spiegel auf, um den Fokuspunkt des Laserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung (entlang der Laserstrahlachse) an eine gewünschte Position zu bringen, die z. B. mit der Referenz-Fokusposition der Messvorrichtung übereinstimmen kann.
Die Messvorrichtung wird hierbei typischer Weise so unterhalb der Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungsmaschine angebracht, dass die Selektionselemente bzw. Selektionsstellen der Blendenebenen im Randbereich des fokussieren Laserstrahls angeordnet sind, wenn der Fokuspunkt im Bereich der Bearbeitungsebene, und damit in der Nähe der Referenz-Fokusposition der Messvorrichtung positioniert wird.
Die Erfindung ist auch verwirklicht in einem Verfahren zum Bestimmen der Fokuslage eines fokussierten Laserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung, umfassend die Schritte: Anordnen eines Selektionselements beabstandet zur Laserstrahlachse zum Selektieren eines unter einem Winkel zur Laserstrahlachse verlaufenden Teilstrahls des fokussierten Laserstrahls, Anordnen eines von der Laserstrahlachse beabstandeten Sensorelements im Strahlengang nach dem Selektionselement zum Detektieren der Intensität des selektierten Teilstrahls, sowie Bestimmen der Fokuslage des Laserstrahls mit Hilfe der detektierten Intensität.
Wie oben beschrieben erfolgt an dem Selektionselement die Selektion eines Teilstrahls, dessen Strahldurchmesser so gering ist, dass er im Wesentlichen als Linie bzw. Gerade mit vorgegebenem Winkel zur Laserstrahlachse angesehen werden kann. Es versteht sich, dass neben einer punktförmigen Blendenöffnung z. B.
auch ein Ringspalt geeignet ist, einen drehsymmetrisch zur Laserstrahlachse verlaufenden, ringförmigen Teilstrahl zu selektieren, der unter einen vorgegebenen Winkel zur Laserstrahlachse verläuft.
Bei einer vorteilhaften Variante umfasst das Bestimmen der Fokuslage das Ermitteln eines Maximums der Intensität der Laserstrahlung beim Verändern der Fokuslage des Laserstrahls relativ zu dem Selektionselement und/oder dem Sensorelement entlang der Laserstrahlachse, sowie das Identifizieren des Fokuslage des Laserstrahls beim Maximum der Intensität mit einer Referenz-Fokusposition, die durch einen Schnittpunkt der Laserstrahlachse mit einer Sichtlinie definiert ist, auf der sich das Selektionselement und das Sensorelement befinden. Bleiben in diesem Fall das Selektionselement und das Sensorelement ortsfest, während die Fokusposition verändert wird, so wird das Maximum der Intensität erreicht, wenn der Fokuspunkt des Laserstrahls genau mit der Referenz-Fokusposition der Messvorrichtung übereinstimmt. Die Referenz-Fokusposition kann verwendet werden, um eine gemessene Intensität des Laserstrahls einer bestimmten Fokusposition zuzuordnen. Insbesondere kann hierbei die Fokusposition des Laserstrahls auf die Referenz-Fokusposition eingestellt werden.
In einer Variante umfasst das Verfahren: Anordnen eines von der Laserstrahlachse beabstandeten weiteren Sensorelements im Strahlengang nach dem Selektionselement oder einem weiteren Selektionselement, wobei das weitere Sensorelement mit dem Selektionselement oder dem weiteren Selektionselement auf einer weiteren Sichtlinie liegt, welche die erste Sichtlinie an der Referenz-Fokusposition schneidet, sowie Bilden des Mittelwerts der von den Sensorelementen detektierten Intensität zum Ermitteln des Maximums der Intensität der Laserstrahlung. Durch die Mittelwertbildung kann die Präzision der Messung erhöht werden.
Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren zusätzlich das Anordnen mindestens eines weiteren von der Laserstrahlachse beabstandeten Selektionselements auf der Sichtlinie, auf der sich auch das Selektionselement und das Sensorelement befinden. Das weitere Selektionselement dient hierbei der Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung des Strahlverlaufs des selektierten Teilstrahls.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Selektionselement und – sofern vorhanden – das weitere Selektionselement im divergenten Strahlengang des fokussierten Laserstrahls angeordnet. Zwar ist es auch möglich, das bzw. die Selektionselement(e) bzw. die Blende(n) im konvergenten Strahlengang anzuordnen, typischer Weise liegt der konvergente Strahlverlauf des Laserstrahls aber in einem Laserbearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsmaschine, so dass es günstiger ist, die Messvorrichtung bzw. die Blenden im divergenten Strahlengang anzuordnen, so dass der Laserbearbeitungskopf durch die Messanordnung nicht beeinflusst wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines fokussierten Laserstrahls bei drei unterschiedlichen Fokuspositionen sowie einer Intensitätsverteilung, die von einer Messvorrichtung in Abhängigkeit von der Fokusposition gemessen wurde,
2a, b Darstellungen einer ersten Ausführungsform einer Messvorrichtung zur Bestimmung der Fokuslage, bei welcher der Fokuspunkt mit einer Referenz-Fokusposition übereinstimmt (2a) bzw. von dieser abweicht (2b),
3 eine schematische Darstellung eines Details einer Messvorrichtung mit einem Strahlteiler zum Umlenken des fokussierten Laserstrahls,
4 eine schematische Darstellung eines Details einer Messvorrichtung mit einem Scraper-Spiegel zum Umlenken des fokussierten Laserstrahls,
1 zeigt einen fokussierten Laserstrahl 1 in drei unterschiedlichen Fokuspositionen z_F entlang einer Laserstrahlachse 2, die in z-Richtung verläuft. Weiterhin ist in 1 schematisch für jede der drei Fokuspositionen z_F eine Messvorrichtung 3 dargestellt, welche eine (erste) Selektionseinrichtung in Form einer Blende 4 mit zwei Selektionselementen in Form von Blendenöffnungen 5a, 5b sowie Sensorelemente 9a, 9b aufweist, die Teile einer Detektionseinrichtung 9 bilden. Die Blendenöffnungen 5a, 5b sind zur Laserstrahlachse 2 beabstandet und exzentrisch zu dieser angeordnet und dienen der Selektion eines jeweiligen Teilstrahls 6a, 6b des Laserstrahls 1. Die Blendenöffnungen 5a, 5b weisen einen Durchmesser von z. B. ca. 1 mm auf, so dass der jeweils selektierte Teilstrahl 6a, 6b in guter Näherung unter einem einzigen Winkel α_F bezüglich der Laserstrahlachse 2 verläuft. Im Strahlengang auf die Blende 4 folgen zwei weitere Selektionseinrichtungen in Form von weiteren Blenden 7a, 7b, die jeweils eine Blendenöffnung 8a, 8b aufweisen und die unmittelbar vor einem jeweiligen Sensorelement 9a, 9b angeordnet sind. Die Messvorrichtung 3 weist weiterhin eine Auswerteeinrichtung 15 (Auswerteschaltung) auf, die mit den Sensorelementen 9a, 9b in Verbindung steht. Die Auswerteeinrichtung 15 ermöglicht es, auf die nachfolgend beschriebene Weise die Fokuslage z_F des Laserstrahls 1 zu bestimmen.
Wird der fokussierte Laserstrahl 1 in Strahlausbreitungsrichtung entlang der Laserstrahlachse 2 verschoben, so wird auf den Sensorelementen 9a, 9b im Wesentlichen nur Laserstrahlung detektiert, die einem Winkel α₀ entspricht, welcher durch die Anordnung der Blendenöffnungen 5a, 5b bzw. 8a, 8b und der Sensorelemente 9a, 9b relativ zur Laserstrahlachse 2 festgelegt ist. Diese liegen auf jeweils auf einer gemeinsamen Sichtlinie 10a, 10b (vgl. die mittlere Darstellung in 1), welche die Laserstrahlachse 2 in einem gemeinsamen Referenz-Fokuspunkt z₀ schneiden.
Durch Auswertung des charakteristischen Intensitätsverlaufs I_S (vgl. 1 unten) bei der Verschiebung des Fokuspunkts z₀ in Strahlausbreitungsrichtung (entlang der z-Achse) kann auf die korrekte Lage des Fokuspunkts z_F bezüglich der Messvorrichtung 3 geschlossen werden: Wenn der Fokuspunkt z_F des Laserstrahls 1 unterhalb der Referenz-Fokusposition z₀ der Messvorrichtung 1 liegt (vgl. die linke Darstellung in 1), so verlaufen die Teilstrahlen 6a, 6b mit größerem Divergenzwinkel α_F > α₀ durch die erste Blende 4 und treffen nicht auf die Sensorelemente 9a, 9b bzw. werden von den weiteren Blendenöffnungen 8a, 8b abgeschirmt. Stimmt der Fokuspunkt z_F des Laserstrahls 1 mit der Referenz-Fokusposition z₀ der Messvorrichtung 3 überein (vgl. die mittlere Darstellung in 1), so liegen die Randstrahlen des Laserstrahls 1 auf der jeweiligen Sichtlinie 10a, 10b und treten ungehindert durch die Blendenöffnungen 5a, 5b, 8a, 8b hindurch und treffen auf die Sensorelemente 9a, 9b. Wenn die Fokuslage z_F des Laserstrahls 1 hingegen oberhalb der Referenz-Fokusposition z₀ der Messvorrichtung 1 liegt, wie auf der rechten Seite von 1 dargestellt ist, so gehen die selektierten Teilstrahlen 6a, 6b des Laserstrahls 1 mit einem geringeren Divergenzwinkel α_F < α₀ zwar noch durch die Blende 4, treffen jedoch nicht auf die Sensorelemente 9a, 9b.
Da der Laserstrahl 1 in der Realität nicht wie in 1 gezeigt eine scharf begrenzte Intensitätsverteilung, sondern vielmehr ein kontinuierliches Intensitätsprofil aufweist, das zu den Rändern des Laserstrahls 1 hin abnimmt, ergibt sich beim Verschieben des Laserstrahlfokus z_F entlang der Laserstrahlachse 2 eine Verteilung der Intensität I_S, die in 1 unten dargestellt ist. Wie in 1 deutlich zu erkennen ist, weist die gemessene Intensität I_S ein Maximum des Kurvenverlaufes an dem Punkt auf, bei welcher die Lage des Laserstrahlfokus z_F mit der Referenz-Fokusposition z₀ der Messvorrichtung 3 übereinstimmt. Anhand der geometrischen Anordnung der Blendenöffnungen 5a, 5b, 8a, 8b und der Sensorelemente 9a, 9b bzw. der Sichtlinien 10a, 10b kann somit der Punkt bestimmt werden, bei welcher die Fokuslage z₀ des Laserstrahls 1 mit der Referenz-Fokusposition z_F übereinstimmt. Ferner kann eine jeweils gemessene Intensität I_S einem zugehörigen Abstand von der Referenz-Fokusposition z_F zugeordnet und somit die Fokuslage z₀ des Laserstrahls 1 auf der Laserstrahlachse 2 bestimmt werden. Zur Auswertung der Sensorsignale bzw. zur Bestimmung der Fokuslage weist die Messvorrichtung 3 die Auswerteeinrichtung 15 auf.
Es versteht sich, dass die Blende 4 und/oder die Sensorelemente 9a, 9b senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung (in der X-Y-Ebene) und/oder parallel zur Strahlausbreitungsrichtung (Z-Richtung) ggf. mittels (nicht gezeigter) Verschiebeeinrichtungen verschoben werden können. Werden die Blende 4 und die Sensorelemente 9a, 9b in der X-Y-Ebene verschoben, so können Teilstrahlen, die unterschiedliche Winkel zur Laserstrahlachse 2 aufweisen, aus dem Laserstrahl 1 selektiert werden und so eine räumliche Information über die Intensitätsverteilung I_S erhalten werden. Hierdurch kann der Einfluss von Leistungsfluktuationen oder thermischen Effekten auf die Bestimmung der Fokuslage z_F durch eine Mittelung in der Auswertung vermindert werden. Werden nur die Sensorelemente 9a, 9b in der X-Y-Ebene verschoben, so wird eine räumlich aufgelöste Information über die (gebeugte) Intensitätsverteilung des selektierten Teilstrahls erhalten und dessen Lage im Raum kann genauer bestimmt werden.
2a, b zeigen schematisch eine Messvorrichtung 3, welche sich von der in 1 gezeigten Messvorrichtung dadurch unterscheidet, dass die Blenden 4, 7 zylinderförmig ausgebildet und konzentrisch um die Laserstrahlachse 2 herum angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein einfacher, schlanker Aufbau der Vorrichtung 3 realisiert werden. Eine solche Anordnung führt allerdings aufgrund des langen Wegs der Teilstrahlen 6a, 6b bis zu den Sensorelementen 9a, 9b zu großen Abmessungen der Messvorrichtung 3. In 2a stimmt die Fokuslage z_F des Laserstrahls 1 mit der Referenz-Fokusposition z₀ der Messvorrichtung 3 überein, während in 2b die Fokuslage entlang der z-Achse zu tief liegt, so dass der Randbereich des Laserstrahls 1 nicht durch die Blendenöffnungen 5a, 5b, 8a, 8b auf die Sensorelemente 9a, 9b trifft.
Um die Länge der Messvorrichtung 3 zu verringern, ist es möglich, wie in 3 gezeigt einen Strahlteiler 11, der für Laserstrahlung eines CO₂-Lasers beispielsweise aus ZnSe gebildet sein kann, in den Strahlengang einzubringen, um den Laserstrahl 1 auf die in diesem Fall plan ausgeführten Blenden 4, 7 umzulenken. In 3 sind wie in 1 die Sichtlinien 10a, 10b der Sensorelemente 9a, 9b zur Laserstrahlachse 2 bzw. zur Referenz-Fokusposition z₀ der Messvorrichtung 3 gezeigt.
Bei der Verwendung eines Strahlteilers 11 kann zusätzlich ein nicht genutzter Anteil der Intensität des Laserstrahls 1, der in 3 gestrichelt dargestellt ist, zu einer (nicht gezeigten) Strahlfalle ausgekoppelt werden, um die auf die Blenden 4, 7 auftreffende Intensität des Laserstrahls 1 abzuschwächen. Eine solche Abschwächung ist günstig, um zu verhindern, dass bei den typischer Weise hohen Laserleistungen, bei denen die Messvorrichtung 3 betrieben wird, die Blenden 4, 7 einer zu hohen Strahlungsleistung ausgesetzt sind und sich dabei so stark erhitzen, dass diese beschädigt werden.
In 4 ist eine Umlenkeinrichtung in Form eines den Laserstrahl umlenkenden Scraper-Spiegels 12 dargestellt, welcher unterhalb der Referenz-Fokusposition z₀ der Messvorrichtung 3 angeordnet ist. Der Scraper-Spiegel 12 dient dazu, einen zur Messung verwendeten Winkelbereich des Laserstrahls 1 umzulenken und vom zentrisch verlaufenden Hauptstrahl zu trennen, welcher durch eine zentrische Bohrung 12a des Scraper-Spiegels 12 auf eine (nicht gezeigte) Strahlfalle trifft. Auf diese Weise müssen nur die zur Messung genutzten Teilstrahlen in der Messvorrichtung 3 geführt werden. In 4 sind wie in 3 die Sichtlinien 10a, 10b der Sensorelemente 9a, 9b zur Referenz-Fokusposition z₀ der Messvorrichtung 3 gezeigt. In der Blende 4 ist im vorliegenden Beispiel ein Selektionselement in Form eines Ringspalts 5 gebildet, der einen drehsymmetrisch zur Laserstrahlachse 2 verlaufenden Teilstrahl 6 aus dem Laserstrahl 1 selektiert.
Zum Fokussieren des z. B. in einem (nicht gezeigten) CO₂-Laser erzeugten Laserstrahls 1 weist eine Laserbearbeitungsmaschine eine Fokussiereinrichtung auf, die zur Vereinfachung in 1 als einzelne Linse 18 dargestellt ist, welche in einen Laserbearbeitungskopf 19 integriert ist. Die Linse 18 ist mit Hilfe einer Verschiebeeinrichtung 20 (in 1 durch einen Pfeil angedeutet) in Strahlrichtung entlang der Laserstrahlachse 2 verschiebbar. Die Verschiebeeinrichtung 20 kann z. B. als Linearantrieb ausgebildet sein. Durch die Verschiebung der Fokussierlinse 18 kann die Fokusposition z_f des Laserstrahls entlang der Laserstrahlachse 2 (z-Achse) verändert werden.
Weiter oben wurde die Messvorrichtung im Zusammenhang mit diskreten Sensorelementen beschrieben, welche jeweils eine über die Sensoroberfläche integrierte Strahlungsintensität messen. Es versteht sich aber, dass auch Sensorelemente 9a, 9b verwendet werden können, welche die Strahlungsintensität ortsaufgelöst vermessen, z. B. in Form von Zeilen-Detekoren mit einer Mehrzahl von Photodioden. In diesem Fall kann gegebenenfalls vollständig auf das Vorsehen einer weiteren Blende bzw. Blendenebene verzichtet werden, da eine räumlich aufgelöste Information über die (gebeugte) Intensitätsverteilung zur Verfügung steht. Auch kann zur Detektion der selektierten Teilstrahlen an Stelle von mehreren Einzeldetektoren ein flächiger, beispielsweise ringförmig oder als Quadrantendetektor ausgebildeter gemeinsamer Detektor 9 eingesetzt werden, wobei die Sensorelemente unterschiedlichen Bereichen einer gemeinsamen Detektorfläche zugeordnet werden.
Weiterhin ist zur Selektion von Teilstrahlen des Laserstrahls, die unter einen vorgegebenen Winkel zur Laserstrahlachse verlaufen, nicht zwingend Blendenöffnungen bzw. Spalte erforderlich, vielmehr können auch (teil-)transmissive Bereiche der Blende verwendet werden. Alternativ können Selektionseinrichtungen auch aus absorbierendem Material mit einzelnen reflektierenden Stellen als Selektionselementen verwendet werden, die eine Umlenkung des selektierten Teilstrahls bewirken.
Es versteht sich, dass die Selektionselemente bzw. die Blendenöffnungen und die Sensorelemente derart im Raum angeordnet werden sollten, dass diese auf einer gemeinsamen Sichtlinie zur Laserstrahlachse liegen, d. h. derart, dass eine (gedachte) Verbindungslinie zwischen diesen Elementen die Laserstrahlachse schneidet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4472055 [0003]
DE 10256262 A1 [0004]
DE 19961625 C1 [0004]

Claims

Vorrichtung (3) zur Bestimmung der Fokuslage (z_F) eines fokussierten Laserstrahls (1) in Strahlausbreitungsrichtung, umfassend: eine Selektionseinrichtung (4) mit einem zu einer Laserstrahlachse (2) beabstandet angeordneten Selektionselement (5, 5a) zum Selektieren eines unter einem Winkel (α_F) zur Laserstrahlachse (2) verlaufenden Teilstrahls (6, 6a) des fokussierten Laserstrahls (1), eine Detektionseinrichtung (9), die im Strahlengang nach der Selektionseinrichtung (4) angeordnet ist und die ein von der Laserstrahlachse (2) beabstandet angeordnetes Sensorelement (9a) zum Detektieren der Intensität (I_S) des selektierten Teilstrahls (6, 6a) aufweist, sowie eine Auswerteeinrichtung (15) zum Bestimmen der Fokuslage (z_F) des Laserstrahls (1) mit Hilfe der detektierten Intensität (I_S).
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ausgelegt ist, ein Maximum (I_MAX) der Intensität (I_S) des selektierten Teilstrahls (6, 6a) zu detektieren, wenn die Fokuslage (z_F) des Laserstrahls (1) mit einer Referenz-Fokusposition (z₀) der Vorrichtung (3) übereinstimmt, die durch einen Schnittpunkt der Laserstrahlachse (2) mit einer Sichtlinie (10a) definiert ist, auf der sich das Selektionselement (5, 5a) und das Sensorelement (9a) befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Auswerteeinrichtung (15) ausgelegt ist, beim Verändern der Fokuslage (z_F) des Laserstrahls (1) relativ zur Vorrichtung (3) entlang der Laserstrahlachse (2) eine Verteilung der Intensität (I_S) der Laserstrahlung aufzunehmen und ein Maximum (I_MAX) der Intensität (I_S) der Laserstrahlung mit der Referenz-Fokusposition (z₀) zu identifizieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Detektionseinrichtung (9) ein weiteres Sensorelement (9b) aufweist, das mit dem Selektionselement (5) oder einem weiteren Selektionselement (5b) der Selektionseinrichtung (4) auf einer weiteren Sichtlinie (10b) liegt, welche die erste Sichtlinie (10a) an der Referenz-Fokusposition (z₀) schneidet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Selektionseinrichtung eine insbesondere plane oder zylinderförmige Blende (4) ist und das Selektionselement einen (teil-)transmissiven Bereich der Blende, insbesondere eine Blendenöffnung (5; 5a, 5b), oder einen reflektierenden Bereich der Blende (4) bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: mindestens eine weitere Selektionseinrichtung, insbesondere eine weitere Blende (7, 7a, 7b), die mindestens ein weiteres von der Laserstrahlachse (2) beabstandet angeordnetes Selektionselement (8a, 8b) aufweist, das auf der Sichtlinie (10a, 10b) angeordnet ist, auf der sich auch das Selektionselement (5a, 5b) und das Sensorelement (9a, 9b) befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das weitere Selektionselement eine Blendenöffnung (8a, 8b) ist, deren Abmessungen kleiner sind als die Abmessungen des Sensorelements (9a, 9b).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Sensorelement (9a, 9b) zum ortsaufgelösten Detektieren der Intensität (I_S) von auftreffender Laserstrahlung ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Sensorelement (9a, 9b), das Selektionselement (5a, 5b) und/oder das weitere Selektionselement (7a, 7b) parallel oder senkrecht zueinander verschiebbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Umlenkeinrichtung (11, 12) zur Umlenkung des fokussieren Laserstrahls (2), die im Strahlengang vor der Selektionseinrichtung (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Umlenkeinrichtung als Strahlteiler (11) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Umlenkeinrichtung als Scraper-Spiegel (12) ausgebildet ist.
Verfahren zum Bestimmen der Fokuslage (z_F) eines fokussierten Laserstrahls (1) auf einer Laserstrahlachse (2), umfassend die Schritte: Anordnen eines Selektionselements (5a) beabstandet zur Laserstrahlachse (2) zum Selektieren eines unter einem Winkel (α_F) zur Laserstrahlachse (2) verlaufenden Teilstrahls (6a) des fokussierten Laserstrahls (1), Anordnen eines von der Laserstrahlachse (2) beabstandeten Sensorelements (9a) im Strahlengang nach dem Selektionselement (5a) zum Detektieren der Intensität (I_S) des selektierten Teilstrahls (6a), sowie Bestimmen der Fokuslage (z_F) des Laserstrahls (1) mit Hilfe der detektierten Intensität (I_S).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bestimmen der Fokuslage (z_F) des Laserstrahls (1) erfolgt durch: Ermitteln eines Maximums (I_MAX) der Intensität (I_S) der Laserstrahlung beim Verändern der Fokuslage (z_F) des Laserstrahls (1) relativ zu dem Selektionselement (5a) und/oder dem Sensorelement (9a) entlang der Laserstrahlachse (2), sowie identifizieren der Fokuslage (z_F) des Laserstrahls (1) beim Maximum (I_MAX) der Intensität (I_S) mit einer Referenz-Fokusposition (z₀), die durch einen Schnittpunkt der Laserstrahlachse (2) mit einer Sichtlinie (10a) definiert ist, auf der sich das Selektionselement (5a) und das Sensorelement (9a) befinden.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend: Anordnen eines von der Laserstrahlachse beabstandeten weiteren Sensorelements (9b) im Strahlengang nach dem Selektionselement (5) oder einem weiteren Selektionselement (5b), wobei das weitere Sensorelement (9b) mit dem Selektionselement (5) oder dem weiteren Selektionselement (5b) auf einer weiteren Sichtlinie (10b) liegt, welche erste Sichtlinie (10a) an der Referenz-Fokusposition (z₀) schneidet, sowie Bilden des Mittelwerts der von den Sensorelementen (9a, 9b) detektierten Intensität (I_S) zum Ermitteln des Maximums (I_MAX) der Intensität (I_S) der Laserstrahlung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, weiter umfassend: Anordnen mindestens eines weiteren, von der Laserstrahlachse (2) beabstandeten Selektionselements (8a, 8b) auf der Sichtlinie (10a, 10b), auf der sich auch das Selektionselement (5a, 5b) und das Sensorelement (9a, 9b) befinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem das Selektionselement (5, 5a) und bevorzugt das weitere Selektionselement (5b) im divergenten Strahlengang des fokussierten Laserstrahls (1) angeordnet werden.