DE102011054941B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage von über Optiken geführten Laserstrahlen - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage von über Optiken geführten Laserstrahlen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren nach Anspruch 17.
- In der Materialbearbeitung von Werkstücken, z. B. bei Schweiß- und Schneidevorgängen, werden immer leistungsfähigere Laser eingesetzt. Auch für die Führung dieser werden immer bessere optische Elemente entwickelt, deren Absorption gering ist. Oftmals werden hier Quarzgläser verwendet. Trotz ihrer geringen Absorption führt die Belastung durch die hohe Energie eines Hochleistungslasers aber zu einer Erwärmung der Optiken, der optischen Elemente. Dies führt zu einer thermisch induzierten Brechkraftänderung, was wiederum eine Verschiebung der Fokuslage der geführten Laserstrahlen zur Folge hat und sich damit negativ bei der Bearbeitung eines Werkstücks auswirkt, insbesondere wenn dies hochpräzise erfolgen soll.
- Dieses Problem ist bereits seit längerem bekannt und es gibt hierfür einige Lösungsansätze, in denen versucht wird, diese Verschiebung der Fokuslage zu minimieren. So ist es bekannt, die optischen Elemente zu kühlen und Materialien wie Quarze zu verwenden, welche auch bei Erwärmung ihre Brechkraft möglichst wenig verändern. Nachteilig ist, dass diese Materialien sehr teuer sind und dass auch hiermit eine Verschiebung der Fokuslage letztlich nur verringert, nicht aber verhindert wird.
- Darüber hinaus sind bspw. aus der Mikroskopie Verfahren bekannt, bei denen die Temperaturänderung der optischen Elemente gemessen wird und anhand der bekannten Abhängigkeit der Brechkraftänderung von der Temperaturänderung eine Korrektur der Fokuslage erfolgt. Ein solches Verfahren ist in der
DE 102 46 274 B4 beschrieben. Diese Verfahren sind jedoch nur bei großen Temperaturänderungen zuverlässig einsetzbar, bei kleinen Temperaturänderungen, wie sie bei hochwertigen Materialien, wie Quarzen auftreten, arbeiten sie nicht zuverlässig genug. Gerade bei sehr leistungsstarken Hochleistungslasern ist es aber unumgänglich hochwertige Materialien für die optischen Elemente zu verwenden, da andere Materialien der Belastung durch die Laserstrahlen nicht Stand halten. - Um die Verschiebung der Fokuslage von Hochleistungslaserstahlen, welche insbesondere durch Quarz-Optiken gelenkt werden, bei der hochpräzisen Materialbearbeitung während des gesamten Materialbearbeitungsprozesses kompensieren zu können, wurde deshalb in der
DE 20 2007 018 689 U1 vorgeschlagen, die momentane Fokuslage zu ermitteln, diese mit einer Sollposition zu vergleichen und eine Abweichung mittels einer Verschiebung von optischen Komponenten zu kompensieren. Zur Verschiebung von optischen Komponenten wird ein Stellmotor vorgeschlagen, die zu verschiebende optische Komponente ist hierfür axial beweglich gelagert. Zur Erfassung der Fokuslage wird ein Fokuslagesensor verwendet, der die Fokuslage auf dem Werkstück anhand der vom Werkstück rückreflektierte Strahlung ermittelt. Da bei der Materialbearbeitung mit Hochleistungslasern jedoch Hitze und Rauch entsteht, ist dieses rückreflektierte Signal oft stark beeinträchtigt, wodurch diese Methode nicht immer zuverlässig funktioniert. Dieses Problem beeinträchtigt auch das Resultat des Verfahrens, welches in derDE 36 26 944 A1 offenbart ist und die Fokuslage in direkter Umgebung des Werkstücks beobachtet, um diese dann zu korrigieren. Derselbe Nachteil gilt für dieJP 08 174 255 A - Aus der
EP 2 216 129 A1 ist ebenfalls ein Laserbearbeitungskopf zur Materialbearbeitung mit einer integrierten Sensoreinrichtung zur Fokuslagenüberwachung bekannt. Hier wird ein Messstrahlenbündel aus dem Bearbeitungsstrahlenbündel ausgekoppelt und in einem Winkel zur optischen Achse der Fokussierlinse durch die letzten beiden optischen Elemente des Laserbearbeitungskopfs transmittiert und von einem Sensor erfasst. - In der
JP 61 137 693 A - Die
JP 61 238 487 A - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage von über Optiken geführten Laserstrahlen sowie ein entsprechendes Verfahren so auszubilden, dass auch während der Bearbeitung eines Werkstücks mittels der Laserstrahlen eine Nachführung der Fokuslage fortwährend zuverlässig möglich ist.
- Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage von über Optiken geführten Laserstrahlen mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 17.
- Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage von, über optische Elemente zu einem Material geführten Laserstrahlen eines leistungsstarken Lasers zur Materialbearbeitung, einen Sensor zur Ermittlung der aktuellen Fokuslage der Laserstrahlen auf, eine Recheneinheit zum Vergleichen der aktuellen Fokuslage mit einer, in einem Speicher abgelegten Soll-Fokuslage und zum Ableiten von Korrekturdaten aus dem Vergleich von aktueller und Soll-Fokuslage und eine Korrektureinheit mit wenigstens einem veränderbaren optischen Element, zum Verändern der Fokuslage gemäß der Korrekturdaten, wobei der Sensor am Ort des Fokus, eines Rückreflexes, einer der Flächen, eines der letzten optischen Elemente in Strahlrichtung vor dem zu bearbeitenden Material, angeordnet ist. Die Strahlrichtung ist als Einstrahlrichtung des Material bearbeitenden Lasers in Richtung des Materials definiert. Bei der Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Laseranlage zur Materialbearbeitung eines Werkstücks, wie z. B. dem Schweißen, Schneiden, Bohren oder Feinschneiden von Metallen und Keramiken, dem Kunststoffschweißen, dem Strukturieren bzw. Perforieren von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen oder dem Beschriften oder dem Reinigen von Industrieprodukten, wie z. B. Wafern. In all diesen Anwendungen kommen leistungsstarke oder Hochleistungslaser zum Einsatz wie z. B. Faserlaser, Scheibenlaser oder CO2-Laser, Laser deren Leistung so hoch ist, dass die optischen Elemente, welche die Laserstrahlen lenken, sich maßgeblich erwärmen und damit die Lage des Fokus des durch sie geführten Laserstrahls sich verändert. Als Sensoren für die Lage des Fokus können Fokussensoren oder Wellenfrontsensoren mit ausreichender Genauigkeit, wie z. B. der in der
DE 198 23 951 C2 offenbarte, verwendet werden oder die aus dem genannten Stand der Technik bekannt sind. Der Sensor ermittelt die jeweilige Fokuslage nicht unbedingt absolut. Es kann ausreichend sein, die Verschiebung der Fokuslage oder eine mit der Fokuslage korrelierte Größe zu ermitteln, aus der sich die Fokuslage dann ableiten lässt. Das Bestimmen der absoluten Fokuslage ist für die Nachführung des Fokus nicht zwingend notwendig, es kann ausreichend sein, die Verschiebung der Fokuslage oder eine dazu korrelierte Größe zu ermitteln und daraus dann Korrekturdaten abzuleiten. Die Recheneinheit zur Ermittlung der Korrekturdaten aus einem Vergleich der aktuellen mit der Soll-Fokuslage kann Bestandteil des Sensors sein, sie kann aber auch nur mit ihm verbunden sein. In der Recheneinheit oder einem zugeordneten Speicher sind Korrelationsdaten bzw. eine Korrelationsfunktion abgelegt, welche die Korrelation der tatsächlich ermittelten Lage des Fokus des Rückreflexes mit der Lage des Fokus auf dem zu bearbeitenden Material beschreiben. Diese können bspw. in Form einer Look-up-Tabelle abgelegt sein. Mittels dieser Korrelationsdaten kann aus der ermittelten aktuellen Lage des Fokus des Rückreflexes die Lage des Fokus am Werkstück ermittelt werden und anhand des Vergleichs dieses mit der Soll-Position die Korrekturdaten. Die Lage des Fokus des Rückreflexes einer der letzten Flächen eines optischen Elements vor dem zu bearbeitenden Material ist am genauesten mit dem Fokus des Laserstrahls auf dem Material korreliert, wenn es sich um den Rückreflex an einer der Flächen des letzten optischen Elements vor dem Material handelt, denn an jedem erwärmten optischen Element kann die Fokuslage des Laserstrahls eine Verschiebung erfahren und in diesem Fall haben beide Fokuslagen im Wesentlichen dieselben optischen Elemente durchlaufen und damit dieselbe Verschiebung erfahren. Deshalb wird vorgeschlagen, vorzugsweise den Rückreflex der letzten Fläche des letzten optischen Elements vor dem Material zu verwenden. Diese Fokuslage des Rückreflexes ist durch keine Störungen durch die Materialbearbeitung, welche durch Rauch- oder Hitzeentwicklung auftreten können beeinträchtig und kann zuverlässig jederzeit während der Materialbearbeitung ermittelt werden. Um die Fokuslage nachzuführen werden die Korrekturdaten an eine Korrektureinheit weitergegeben. Bei dieser kann es sich um eine Linse mit Antriebseinheit handeln, die verschiebbar im Strahlengang des Lasers angeordnet ist oder ein bewegliches Spiegelsystem oder einen, z. B. mittels Piezoelementen verformbaren Spiegel, wie er für adaptive Optiken verwendet wird. Wird ein verformbarer Spiegel als Korrektureinheit verwendet, so können über die Fokuslage hinaus auch noch Beeinträchtigungen der Wellenfront des Laserstrahls an sich, wie sie bspw. durch Aberration verursacht werden, beseitigt werden. - Vorzugsweise ist ein Auskoppelelement im Strahlengang der Laserstrahlen angeordnet, um den Fokus des Rückreflexes an einer der Flächen der letzten optischen Elemente vor dem Material auf den Sensor zu lenken. Bevorzugt geht der Rückreflex durch die gleiche Blende oder optische Pupille des Systems zurück, durch die der eintretende Laserstrahl geht, so dass er nach Durchtreten dieser, vorzugsweise nach Durchtreten aller abbildenden optischen Elemente, bspw. des, den Laserstrahl auf das Material abbildenden Objektives, aus dem Strahlengang ausgekoppelt werden kann. Hierfür eignet sich z. B. ein teildurchlässiger Spiegel.
- Bevorzugt wird die Fokuslage des Reflexes der Laserstrahlung an einer Fläche, vorzugsweise der Lichtaustrittsfläche des Schutzglases bzw. Deckglases des Objektivs, welches zwischen den optischen Elementen und dem Material angeordnet ist, verwendet. Dies ist die letzte Fläche vor dem Material, hier hat der Laserstrahl bereits alle thermischen Verschiebungen erfahren, die Fokuslage des Reflexes an dieser Fläche ist am besten mit der Fokuslage des Laserstrahls auf dem Material korreliert. Ein Schutzglas ist üblicherweise bei allen Laseranlagen zur Materialbearbeitung vor den optischen Elementen wie Linse oder Spiegeln angeordnet, um diese vor Verunreinigung und Beschädigung zu schützen. Allerdings wird es von Zeit zu Zeit ausgetauscht, wobei man bei diesem Aufbau darauf achten muss, dass es in exakt derselben Position angeordnet ist und dieselben Eigenschaften hat wie das vorherige Schutzglas oder die Korrelation der Fokuslagen überprüfen muss.
- Deshalb kann es auch vorteilhaft sein, die Fokuslage eines Rückreflexes der Lichtaustrittsfläche des letzten Licht lenkenden optischen Elements, welches vor dem Material angeordnet ist, also die letzte optische Fläche in Strahlrichtung des Material bearbeitenden Strahles vor dem Schutzglas, mit dem Sensor zu detektieren. Es ist davon auszugehen, dass das Schutzglas allein die Lage des Fokus nicht wesentlich verändert, dass dessen Einfluss auf die Fokuslage vernachlässigt werden kann. Deshalb ist auch die Verschiebung der Fokuslage des Rückreflexes an der Lichtaustrittsfläche des letzten abbildenden optischen Elements, z. B. der letzten Linse, vor dem Material ausreichend gut mit der Fokuslage des Laserstrahls auf dem Material korreliert.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die, den Laserstrahl lenkenden optischen Elemente Bestandteile eines F-Theta Objektives. F-Theta Objektive werden oftmals zur Materialbearbeitung verwendet, insbesondere für Laserstrahlen von UV, VIS bis IR. Für Hochleistungslaser-Anwendungen sind diese vorzugsweise als Vollquarzobjektive mit einer sehr hohen Zerstörungsschwelle ausgebildet. Die thermische Beeinträchtigung der Fokuslage von Quarzgläsern ist zwar geringer, dennoch verschiebt sich bei Hochleistungslasern auch bei einer Abbildung mit diesen Gläsern die Fokuslage so stark, dass eine, vorzugsweise fortlaufende Nachführung der Fokuslage bei qualitativ hochwertigen Anwendungen notwendig ist. Zumeist handelt es sich hierbei um scannende Systeme und optische Elemente des scannenden Systems können besonders vorteilhaft als Korrektureinheit verwendet werden. Hierfür ist wenigstens ein Scanspiegel beweglich gelagert und mit einem Antrieb verbunden, um als Korrektureinheit zu dienen. In hochpräzisen Anwendungen ist es vorteilhaft, einen zur Korrektur der Fokuslage verwendeten Scanspiegel verformbar auszubilden und mit Piezoelementen zu bestücken. In Verbindung mit einem Wellenfrontsensor als Sensor für die Fokuslage können damit Veränderungen der Wellenfront, welche bspw. durch Aberration verursacht werden, korrigiert werden. Für ein scannendes System mit F-Theta Objektiv ist die Fokuslage aller Strahlenbündel, erzeugt mittels der möglichen Spiegelstellungen, auf dem Material bzw. dessen Korrelation mit den jeweiligen Strahlenbündeln des rückreflektierten Laserstrahls, vorzugsweise als Look-up-Tabelle in einem Speicher der Recheneinheit abgelegt.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein telezentrisches F-Theta Objektiv in Kombination mit der erfindungsgemäßen Korrektur der Fokuslage verwendet. Gerade für diese Objektive, welche in hochgenauen Scansystemen, auch in hochpräzisen Printsystemen, eingesetzt werden ist eine zuverlässige Korrektur der Fokuslage wichtig. Der Aufbau ist prinzipiell entsprechend dem anderer Laseranlagen zur Materialbearbeitung mit F-Theta Objektiven.
- Bevorzugt sind die optischen Elemente so angeordnet, dass ein großer Anteil der rückreflektierten Laserstrahlen durch die Blende bzw. die Pupille des optischen Systems treten, in entgegengesetzter Richtung zu dem, das Material bearbeitenden Laserstrahl, der ebenfalls durch diese Blende bzw. Pupille auf das Material geführt wird. So durchläuft der rückreflektierte Laserstrahl alle abbildenden optischen Elemente, durch die der bearbeitende Laserstahl abgelenkt wird, zweimal. Er erfährt die thermische Verschiebung des Fokus deutlicher als der Laserstrahl selbst, die Verschiebung kann ausreichend genau ermittelt werden.
- In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird nicht der Rückreflex des, das Material bearbeitenden Laserstrahls selbst verwendet, sondern ein zusätzlicher Laserstrahl. Dieser wird vor den, sich thermisch erwärmenden, den Laserstrahl führenden, optischen Elementen in den Strahlengang des Material bearbeitenden Laserstrahls eingeblendet, so dass er, ebenso wie dieser, die optischen Elemente durchläuft und dabei eine Verschiebung seiner Fokuslage erfährt, die zu der Verschiebung der Fokuslage des Material bearbeitenden Laserstrahls korreliert ist. Auch von diesem zusätzlichen Korrekturlaser wird der Rückreflex aus dem Strahlengang auf einen Fokussensor ausgekoppelt, an dem seine aktuelle Fokuslage ermittelt wird. Die Wellenlänge des Korrekturlasers unterscheidet sich von der Wellenlänge des Material bearbeitenden Lasers. Somit besteht die Möglichkeit, die Fläche, an welcher der Laserstrahl des Korrekturlasers reflektiert wird, so auszubilden, z. B. so zu beschichten, dass Licht der Wellenlänge des Korrekturlasers optimal reflektiert wird, während Licht der Wellenlänge des Material bearbeitenden Lasers optimal transmittiert wird. Die Materialbearbeitung wird durch die Ermittlung der Fokuslage nicht beeinträchtigt, obwohl für die Ermittlung der Fokuslage ein ausreichend starkes Signal zur Verfügung steht. Somit kann das System optimal auf die Arbeitswellenlänge vergütet sein, die Arbeitswellenlänge, des Material bearbeitenden Lasers optimal transmittiert werden, so dass möglichst geringe Erwärmung und Beeinträchtigung der optischen Elemente entsteht und dennoch steht ein ausreichend starkes Signal für die Korrektur der Fokuslage in Form eines Rückreflexes zur Verfügung. Vorzugsweise kann als Korrekturlaser ein sogenannter Pilot-Laser verwendet werden, ein Laser, der bei der Materialbearbeitung ohnehin häufig verwendet wird, um den Arbeitspunkt auf dem Werkstück festzulegen, bevor der Material bearbeitende Laser aktiviert wird. In diesem Fall ist die reflektierende Fläche so ausgebildet, z. B. beschichtet, dass nur ein Teil des Lichts des Korrekturlasers reflektiert wird, um die Fokuslage zu ermitteln, ein Teil seines Lichts wird transmittiert, so dass auch der Arbeitspunkt festgelegt werden kann. Da Beschichtungen Kosten verursachen und das Schutzglas von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden muss, wird in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise eine der letzten Flächen eines optischen Elements in Strahlrichtung des Material bearbeitenden Lasers, vor dem Schutzglas als reflektierende Fläche verwendet und entsprechend beschichtet.
- Vorzugsweise werden die Daten für die Fokuslage über den reflektierten Laserstrahl fortlaufend, auch während der Materialbearbeitung ermittelt und auch die Korrektur der Fokuslage erfolgt fortlaufend. Dies ist zuverlässig möglich, da der, an einer der Flächen eines der letzten optischen Elemente vor dem Material reflektierte Laserstrahl nicht von der Bearbeitung des Materials beeinträchtigt ist und somit seine Fokuslage bzw. seine Wellenfront immer zuverlässig bestimmt werden kann. So ist gewährleistet, dass die Fokuslage fortlaufend korrigiert werden kann und immer zuverlässig genau mit der Soll-Fokuslage übereinstimmt.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, welche anhand der Zeichnungen eingehend erläutert werden.
- Es zeigen:
-
1 schematisch eine erfindungsgemäße Laseranlage zur Materialbearbeitung mit integrierter Nachführung der Fokuslage, -
2 schematisch eine erfindungsgemäße Laseranlage zur Materialbearbeitung mit integrierter Nachführung der Fokuslage mittels eines Pilot-Lasers, -
3 schematisch eine erfindungsgemäße Laseranlage zur Materialbearbeitung mit einem F-Theta-Objektiv und integrierter Nachführung der Fokuslage und -
4 schematisch eine erfindungsgemäße Laseranlage zur Materialbearbeitung mit einem telezentrischen F-Theta-Objektiv und integrierter Nachführung der Fokuslage. - Die
1 zeigt eine Laseranlage1 zur Bearbeitung, z. B. dem Schweißen, Bohren, Schneiden oder der Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks2 mit einem Hochleistungslaser3 , zum Erzeugen eines Laserstrahls4 , welcher über die Linsen5 ,6 und7 auf das Werkstück2 fokussiert wird. Das Werkstück2 kann in ein nicht dargestelltes Bewegungssystem eingespannt sein, mit dem es in seine jeweilige Bearbeitungsposition gebracht wird. Im Strahlengang nach den Linsen5 ,6 und7 auf Seiten des Werkstücks2 ist ein Schutzglas8 angeordnet, das die Linsen5 ,6 und7 vor, bei der Bearbeitung des Werkstücks2 auftretende Verschmutzung durch Spritzer, Splitter oder Rauch schützt. Zur Bestimmung der aktuellen Fokuslage weist die Laseranlage1 darüber hinaus eine Detektionseinheit9 auf, bestehend aus einem Teilerspiegel10 , einem Objektiv11 und einem Fokussensor12 . Die Detektionseinheit9 bildet den Fokus des Rückreflexes13 des Laserstrahls4 am Schutzglas8 über den Teilerspiegel10 und das Objektiv11 auf den Fokussensor12 ab. Im Strahlengang des Laserstrahls4 befindet sich ein Fokussierelement14 , das eine schnelle Nachfokussierung des Laserstrahls4 auf dem Werkstück2 während der Bearbeitung des Werkstücks2 erlaubt. Die Linsen5 ,6 und7 sind aus einem Material gefertigt, das eine möglichst geringe Absorption für die Wellenlänge des Laserstrahls4 aufweist. Hierfür kommt, auch wegen ihrer Hitzebeständigkeit, z. B. Quarzglas in Frage. Als Hochleistungslaser3 wird bspw. ein Faserlaser, Scheibenlaser oder CO2-Laser verwendet. Genau genommen wird über die Detektionseinheit9 nicht direkt die tatsächliche Fokuslage des Fokus des Laserstrahls4 auf dem Werkstück2 beobachtet sondern die Fokuslage des Fokus des Rückreflexes13 des Schutzglases8 . Dieser Rückreflex läuft genau entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserstrahls4 zurück und tritt dabei annähernd mittig durch die Blende16 des optischen Systems. Der Fokus des Rückreflexes ist aber mit dem Fokus des Laserstrahls4 auf dem Werkstück2 korreliert. Die Korrelationsvorschrift ist in einem Speicher einer Recheneinheit15 , z. B. in Form einer Look-up-Tabelle abgelegt. Die Recheneinheit15 ist mit dem Fokussensor12 und dem Fokussierelement14 verbunden. In ihr wird aus den, am Fokussensor12 ermittelten aktuellen Fokuslagen des Fokus des Rückreflexes13 am Schutzglas8 anhand der Korrelationsvorschrift die aktuelle Fokuslage des Fokus des Laserstrahls4 abgeleitet und daraus im Vergleich zu einer vorabgelegten Sollposition die Korrekturdaten für die Nachfokussierung des Fokus des Laserstrahls4 am Werkstück2 berechnet. Diese werden von der Recheneinheit15 an das Fokussierelement14 geleitet, an dem z. B. über die Verschiebung einer Linse die Fokuslage des Laserstrahls4 verändert wird. Als Fokussensor12 kann jeder Fokussensor verwendet werden, der die Lage des Fokus ausreichend genau bestimmt, wie bspw. ein Fokussensor, wie er in derDE 198 23 951 A1 offenbart ist. - Die, in der
2 dargestellte Laseranlage31 entspricht im Wesentlichen der in der1 dargestellten Laseranlage1 . Allerdings wird hier neben dem Arbeitslaser33 ein Pilot-Laser47 verwendet, dessen Wellenlänge sich von der des Arbeitslasers33 stark unterscheidet. Der Laserstrahl des Pilot-Lasers47 wird über einen Einkoppelspiegel48 in den Laserstrahl34 eingekoppelt und wie dieser über die Linsen35 ,36 und37 auf das Werkstück32 gelenkt, um dort den Arbeitspunkt auf dem Werkstück32 festzulegen, bevor der Arbeitslaser33 eingesetzt wird. Der Einkoppelspiegel48 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Arbeitslaser33 und dem Fokussierelement44 . - Dadurch ist gewährleistet, dass er all die optischen Elemente durchläuft, die auch der Laserstrahl
34 des Arbeitslasers33 durchläuft und dabei erwärmt, so dass die Verschiebung seines Fokus eindeutig zu der Verschiebung des Fokus des Arbeitslasers33 auf dem Werkstück32 korreliert ist. Prinzipiell könnte der Einkoppelspiegel48 aber auch zwischen dem Fokussierelement44 und dem Teilerspiegel40 angeordnet sein, da der Einfluss des Fokussierelements44 auf die Lage des Fokus nicht dominant ist. Zum Festlegen des Arbeitspunktes ist ein kleiner Anteil des Laserstrahls des Pilot-Lasers47 ausreichend. So wird des Schutzglas38 so ausgebildet, dass ein großer Anteil des Laserstrahls des Pilot-Lasers47 an ihm reflektiert wird und der Fokus dieses Rückreflexes43 wird über den Teilerspiegel40 der Detektionseinheit39 und das Objektiv41 auf den Fokussensor42 abgebildet. Um den Laserstrahl des Pilot-Lasers47 besonders gut zu reflektieren und gleichzeitig den Laserstahl34 des Arbeitslasers33 möglichst ungehindert passieren zu lassen, ohne seine Leistung zu reduzieren, ist das Schutzglas38 mit einer auf die Reflexion des Laserstrahls des Pilot-Lasers47 und die Transmission des Laserstrahls34 des Arbeitslasers33 optimierten Beschichtung versehen. Generelle wäre auch möglich, als reflektierende Fläche für den Laserstrahl des Pilot-Lasers47 eine der letzten Flächen der Linsen35 ,36 oder37 , vorzugsweise die Lichtaustrittsfläche der letzten Linse37 vor dem Schutzglas38 zu verwenden, denn nach dieser muss nur noch das Schutzglas38 durchtreten werden und dessen Einfluss auf die Verschiebung der Lage des Fokus ist ebenfalls nicht dominant. Hierfür wäre die Beschichtung an der Lichtaustrittsfläche der Linse37 angebracht. Dies kann vorteilhaft sein, da diese Linse37 erhalten bleibt, während das Schutzglas38 immer wieder ausgetauscht werden muss, wenn es zu stark beschädigt ist und somit sinnvoll ist, seine Kosten gering zu halten. Es ist zu bemerken, dass die Eingangsschnittweite (die für eine perfekte ebene Wellenfront am Eingang „unendlich” bedeutet) für beide Laserstrahlengänge nicht identisch sein muss. Bei diesem Aufbau tritt der Rückreflex des Laserstrahls des Pilot-Lasers47 an Stelle des Rückreflexes des Laserstrahls34 des Arbeitslasers33 , die Richtung des reflektierten Laserstrahls des Pilot-Lasers47 ist ebenfalls genau entgegengesetzt zur Einfallsrichtung, so dass der Rückreflex im Wesentlichen mittig durch die Blende46 des optische Systems der Laseranlage31 tritt. Die Verschiebung der Fokuslage des Rückreflexes des Pilot-Lasers47 ist dadurch auch in diesem Ausführungsbeispiel zu der Verschiebung des Fokus des Arbeitslasers33 auf dem Werkstück32 korreliert. Die Korrelationsfunktion wird ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel vorab ermittelt und z. B. in Form einer Look-up-Tabelle in einer Recheneinheit45 abgelegt, welche mit dem Fokussensor42 und dem Fokussierelement44 verbunden ist und die anhand der ermittelten Fokuslage des Rückreflexes43 des Pilot-Lasers47 die Fokuslage des Laserstrahls34 auf dem Werkstück32 berechnet und daraus die Korrekturgröße, mit der dieser Fokus nachgeführt wird. Die Nachführung erfolgt über das Fokussierelement44 , welches, ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel hierfür eine beweglich gelagerte Linse aufweisen kann, welche bspw. über einen nicht dargestellten Hilfsmotor entsprechend der ermittelten Korrekturgröße bewegt wird. Denkbar wäre als Fokussierelement44 auch eine adaptive Optik, z. B. ein Spiegel, welcher für die Fokusnachführung (zum Beispiel mit Hilfe von Piezoelementen) entsprechend verformt wird; ein solches Verfahren würde zusätzlich eine Korrektur der Veränderung der Wellenfront ermöglichen, welche wegen einer Erwärmung der optischen Elemente, wie der Linsen35 ,36 und37 , durch die hohe Leistung des Arbeitslasers33 eingeführt wird. - Die, in der
3 dargestellte Laseranlage51 zeigt ein scannendes System mit einer F-Theta-Linse66 . Die F-Theta-Linse66 weist drei Linsenelemente55 ,56 und57 auf und ein gekrümmtes Schutzglas58 , welches zwischen den Linsen55 ,56 und57 und dem zu bearbeitenden Werkstück52 angeordnet ist, um die Linsen55 ,56 und57 vor Verschmutzung und Beschädigung zu schützen. Derartige Laseranlagen51 werden zur Materialbearbeitung, wie z. B. Bohren und Feinschneiden von Metallen und Keramiken, zu Kunststoffschweißen, zum Strukturieren bzw. Perforieren von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen, zum Beschriften oder zum Reinigen von Industrieprodukten, wie z. B. Wafern, verwendet. Die Strahlenbündel des Laserstrahls54 eines Arbeitslasers53 werden über einen ersten und einen zweiten Scan-Spiegel67 und68 über die Oberfläche des Werkstücks52 bewegt und dabei über die F-Theta-Linse66 fokussiert. Ein Teil des Laserstrahls54 wird am Schutzglas58 reflektiert. Das Schutzglas58 ist so gekrümmt, dass die Richtung der reflektierten Strahlenbündel des Laserstrahls54 genau entgegengesetzt zur Richtung der ursprünglichen Strahlenbündel läuft. Dadurch ist gewährleistet, dass der rückreflektierte Laserstrahl54 , ebenso wie der ursprüngliche Laserstrahl54 selbst, mittig durch die optische Pupille der Laseranlage51 tritt und den Teilerspiegel60 erreicht, von dem er über das Objektiv61 auf den Fokussensor62 gelenkt wird. Prinzipiell erfolgt die Korrektur der Verschiebung der Lage der Foki der Strahlenbündel des Laserstrahls54 auf dem Werkstück52 ebenso wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen darüber, dass die Verschiebung der Fokuspositionen der Rückreflexe der reflektierten Strahlenbündel63 , welche weitergelenkt über den Teilerspiegel60 und das Objektiv61 , am Fokussensor62 festgestellt werden, über Korrelationsdaten an der Recheneinheit65 in eine Korrekturgröße umgesetzt wird, welche die Nachführung der Fokuslagen am Werkstück52 über ein Fokussierelement64 ermöglicht. Das Fokussierelement64 kann zu diesem Zweck als, vor dem Teilerspiegel60 angeordnete beweglich gelagerte Linse ausgebildet sein, bei diesem Ausführungsbeispiel wäre es allerdings auch möglich, die Scanspiegel67 und68 als Fokussierelemente zu verwenden. Hierfür könnten diese bspw. mit Piezoelementen gemäß der Korrekturdaten bewegt werden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann, wie in der2 beschrieben ein Pilot-Laser zur Ermittlung der aktuellen Fokuslage verwendet werden. - In
4 ist eine weitere Laseranlage71 zur Bearbeitung eines Werkstücks72 dargestellt, welche ebenfalls wie die Laseranlage51 aus der3 mit einer F-Theta-Linse86 arbeitet, welche drei Linsen75 ,76 und77 und ein Schutzglas78 aufweist. Ebenso wie in der Laseranalage der3 wird auch hier ein Laserstrahl74 , eines Arbeitslasers73 über ein Scansystem, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Scanspiegel87 und88 über ein Werkstück72 bewegt. Im Unterschied zu der vorherigen Ausführungsform handelt es sich bei der F-Theta-Linse86 aber um eine telezentrische Linse, d. h. die Strahlenbündel, bewegt durch die kontrollierte Verkippungen der beiden Scanspiegel87 und88 , des Laserstrahls74 verlassen die F-Theta-Linse86 praktisch parallel zueinander und treffen jeweils im gleichen Winkel auf das Werkstück72 , wodurch die Qualität der Bearbeitung deutlich erhöht wird. Somit kann das Schutzglas78 , an dem ein Teil des Laserstrahls74 reflektiert wird, als planparallele Platte ausgebildet sein, um die reflektierten Strahlen mittig durch die Blende des optischen Systems zurück auf den Teilerspiegel80 und von dort über das Objektiv81 auf den Fokussensor82 abzubilden, um dort jede Abweichung der Fokuslage von der Soll-Position sofort zu detektieren und anhand der in der Recheneinheit85 abgelegten Korrelationsdaten von Fokuslagen der reflektierten Strahlenbündel83 und Fokuslagen des Strahlenbündels des Laserstrahls74 auf dem Werkstück72 , die Korrekturdaten zu ermitteln, mittels derer die Fokuslagen auf dem Werkstück72 über ein Fokussierelement84 korrigiert werden. Auch in dieser Laseranlage71 ist es möglich, auf ein zusätzliches Fokussierelement84 zu verzichten und stattdessen wenigstens einen der Scanspiegel87 und88 beweglich zu lagern und mittels eines Antriebes, der z. B. in Form von Piezoelementen realisiert sein kann, so zu bewegen, dass der Fokus auf dem Werkstück72 gemäß der Korrekturdaten nachgeführt wird. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann selbstverständlich, ebenso wie in den anderen Beispielen ein Pilot-Laser zur Ermittlung der Fokuslage vorteilhaft eingesetzt werden. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Laseranlage
- 2
- Werkstück
- 3
- Hochleisungslaser
- 4
- Laserstrahl
- 5
- Linse
- 6
- Linse
- 7
- Linse
- 8
- Schutzglas
- 9
- Detektionseinheit
- 10
- Teilerspiegel
- 11
- Objektiv
- 12
- Fokussensor
- 13
- Fokus des Rückreflexes
- 14
- Fokussierelement
- 15
- Recheneinheit
- 16
- Blende
- 31
- Laseranlage
- 32
- Werkstück
- 33
- Arbeitslaser
- 34
- Laserstrahl
- 35
- Linse
- 36
- Linse
- 37
- Linse
- 38
- Schutzglas
- 39
- Detektionseinheit
- 40
- Teilerspiegel
- 41
- Objektiv
- 42
- Fokussensor
- 43
- Fokus des Rückreflexes
- 44
- Fokussierelement
- 45
- Recheneinheit
- 46
- Blende
- 47
- Pilot-Laser
- 48
- Einkoppelspiegel
- 51
- Laseranlage
- 52
- Werkstück
- 53
- Arbeitslaser
- 54
- Laserstrahl
- 55
- Linse
- 56
- Linse
- 57
- Linse
- 58
- Schutzglas
- 60
- Teilerspiegel
- 61
- Objektiv
- 62
- Fokussensor
- 63
- Foki der rückreflektierten Strahlenbündel
- 64
- Fokussierelement
- 65
- Recheneinheit
- 66
- F-Theta-Linse
- 67
- Ersten Scanspiegel
- 68
- Zweiter Scanspiegel
- 71
- Laseranlage
- 72
- Werkstück
- 73
- Arbeitslaser
- 74
- Laserstrahl
- 75
- Linse
- 76
- Linse
- 77
- Linse
- 78
- Schutzglas
- 80
- Teilerspiegel
- 81
- Objektiv
- 82
- Fokussensor
- 83
- Foki der reflektierten Strahlenbündel
- 84
- Fokussierelement
- 85
- Recheneinheit
- 86
- F-Theta-Linse
- 87
- Ersten Scanspiegel
- 88
- Zweiter Scanspiegel
Claims (19)
- Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage eines, über optische Elemente (5 ,6 ,7 ,8 ,35 ,36 ,37 ,38 ,55 ,56 ,57 ,58 ,67 ,68 ,75 ,76 ,77 ,78 ,87 ,88 ) zu einem Material (2 ,32 ,52 ,72 ) geführten Laserstrahls (4 ,34 ,54 ,74 ) eines leistungsstarken Lasers (3 ,33 ,53 ,73 ) zur Bearbeitung des Materials (2 ,32 ,52 ,72 ), mit einem Sensor (12 ,42 ,62 ,82 ) zur Ermittlung der aktuellen Fokuslage des Laserstrahls (4 ,34 ,54 ,74 ), einer Recheneinheit (15 ,45 ,65 ,85 ) zum Durchführen eines Vergleichs der aktuellen Fokuslage mit einer, in einem Speicher abgelegten Soll-Fokuslage und zum Ableiten von Korrekturdaten aus dem Vergleich von aktueller und Soll-Fokuslage und einer Korrektureinheit (14 ,44 ,64 ,84 ) mit wenigstens einem veränderbaren optischen Element zum Verändern der Fokuslage gemäß der Korrekturdaten, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12 ,42 ,62 ,82 ) am Ort des Fokus eines Rückreflexes (13 ,43 ,63 ,83 ) einer der Flächen eines der letzten optischen Elemente (7 ,8 ,37 ,38 ,57 ,58 ,77 ,78 ) in Strahlrichtung vor dem zu. bearbeitenden Material (2 ,32 ,52 ,72 ) angeordnet ist. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auskoppelelement (10 ,40 ,60 ,80 ) im Strahlengang des Laserstrahls (4 ,34 ,54 ,74 ) angeordnet ist, um den Fokus des Rückreflexes (13 ,43 ,63 ,83 ) auf den Sensor (12 ,42 ,62 ,82 ) zu lenken. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche die Lichteintritts- oder Lichtaustrittsfläche eines Schutzglases (8 ,38 ,58 ,78 ) ist, welches zwischen einem in Strahlrichtung letzten Licht lenkenden optischen Element (7 ,37 ,57 ,77 ) und dem zu bearbeitenden Material (2 ,32 ,52 ,72 ) angeordnet ist. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche die Lichtaustrittsfläche eines letzten Licht lenkenden optischen Elements (7 ,37 ,57 ,77 ) ist, welche vor dem Material (2 ,32 ,52 ,72 ) angeordnet ist. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher vorgesehen ist, zum Hinterlegen von Korrelationsdaten zwischen dem Fokus auf dem zu bearbeitenden Material (2 ,32 ,52 ,72 ) und dem Fokus des Rückreflexes (13 ,43 ,63 ,83 ). - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (14 ,44 ,64 ,84 ) als veränderbares optisches Element ein bewegliches optisches Element und eine Antriebseinheit aufweist. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (14 ,44 ,64 ,84 ) als veränderbares optisches Element ein verformbares optisches Element aufweist. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente (55 ,56 ,57 ,75 ,76 ,77 ) Bestandteile eines F-Theta Objektives sind. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente (67 ,68 ,87 ,88 ) Spiegel einer Scananordnung sind. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanspiegel (67 ,68 ,87 ,88 ) zur Korrektur der Fokuslage beweglich gelagert sind. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Fokuslagen der zugehörigen reflektierten Strahlen für mehrere Strahlenbündel der durch die optischen Elemente (55 ,56 ,57 ,75 ,76 ,77 ) des F-Theta Objektiv tretenden Laserstrahlen in Abhängigkeit von der Stellung der Scanspiegel (67 ,68 ,87 ,88 ) als Look-up-Tabelle in dem Speicher hinterlegt sind. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (5 ,6 ,7 ,8 ,35 ,36 ,37 ,38 ,55 ,56 ,57 ,58 ,67 ,68 ,75 ,76 ,77 ,78 ,87 ,88 ) so angeordnet sind, dass ein wesentlicher Anteil eines durch einen rückreflektierten Laserstrahls gebildeten Rückreflexes durch die optische Pupille des einfallenden Laserstrahls (4 ,34 ,54 ,74 ) tritt. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturlaser (47 ) vorgesehen ist, um den Rückreflex zu erzeugen. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die den Rückreflex erzeugende Fläche des optischen Elements (37 ,38 ) auf die Reflexion der Wellenlänge des Korrekturlasers (47 ) optimiert ist. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturlaser (47 ) ein Pilot-Laser zum Festlegen des Ortes der Bearbeitung des Materials (2 ,32 ,52 ,72 ) ist. - Vorrichtung (
1 ,31 ,51 ,71 ) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Fläche des optischen Elements (37 ,38 ) eine Beschichtung aufweist, welche auf die Transmission der Laserstrahlung des leistungsstarken Lasers (33 ) und auf die Reflexion der Laserstrahlung des Korrekturlasers (47 ) optimiert ist. - Verfahren zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage eines über optische Elemente (
5 ,6 ,7 ,8 ,35 ,36 ,37 ,38 ,55 ,56 ,57 ,58 ,67 ,68 ,75 ,76 ,77 ,78 ,87 ,88 ) zu einem Material (2 ,32 ,52 ,72 ) geführten Laserstrahls (4 ,34 ,54 ,74 ) eines leistungsstarken Lasers (3 ,33 ,53 ,73 ) zur Bearbeitung des Materials, wobei der Fokus eines Rückreflexes (13 ,43 ,63 ,83 ) einer der Flächen eines der letzten optischen Elemente in Strahlrichtung vor dem zu bearbeitenden Material (2 ,32 ,52 ,72 ) auf einen Sensor (12 ,42 ,62 ,82 ) gelenkt wird, welcher die Verschiebung der Lage dieses Fokus bestimmt, und wobei mit einer Recheneinheit (15 ,45 ,65 ,85 ) anhand einer vorabgelegten Korrelation zwischen der Verschiebung der Fokuslage dieses Fokus und der Verschiebung des Fokus des Laserstrahls auf dem Material (2 ,32 ,52 ,72 ) die aktuelle Fokuslage des Laserstrahls ermittelt wird, und wobei die aktuelle Fokuslage mit einer vorbestimmten Soll-Fokuslage verglichen wird und Korrekturdaten aus dem Vergleichen von aktueller und Soll-Fokuslage abgeleitet werden und mit einer Korrektureinheit (14 ,44 ,64 ,84 ) wenigstens ein optisches Element verändert wird, um die Fokuslage gemäß der Korrekturdaten zu verändern. - Verfahren zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur der Fokuslage laufend während der Materialbearbeitung erfolgt.
- Verfahren zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein wesentlicher Anteil des rückreflektierten Lichts durch die Pupille des einfallenden Laserstrahls tritt.
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