DE102011119478A1

DE102011119478A1 - Vorrichtung zur fremdbeleuchteten Visualisierung eines mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls erfolgenden Bearbeitungsprozesses sowie Umlenkelement

Info

Publication number: DE102011119478A1
Application number: DE102011119478A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Lessmüller; Christian Truckenbrodt
Original assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Current assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2031-11-26
Also published as: DE102011119478B4

Abstract

Eine Vorrichtung zur fremdbeleuchteten Visualisierung eines mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls erfolgenden Bearbeitungsprozesses enthält eine Bearbeitungsstrahlquelle, einen Bearbeitungsstrahlengang (16, 18, 20, 22, 24) zum Lenken des Bearbeitungsstrahls auf eine Bearbeitungsstelle (28), welcher Bearbeitungsstrahlstrahlengang ein Koppelelement (20) mit wellenlängenabhängiger Reflexion und Durchlässigkeit enthält, einen Visualisierungsstrahlengang (24, 22, 20, 32, 34), der eine Umlenkvorrichtung (32) mit einem reflektierenden Bereich (38) enthält, der von der Bearbeitungsstelle kommendes, mittels des Koppelelements aus dem Bearbeitungsstrahlstrahlengang ausgekoppeltes Visualisierungslicht auf eine Visualisierungsvorrichtung (30) lenkt, und eine Beleuchtungslichtquelle (44), wobei das von der Beleuchtungslichtquelle erzeugte Beleuchtungslicht an dem reflektierenden Bereich (38) vorbei in den Visualisierungsstrahlengang gelangt und durch das Koppelelement (20) hindurch längs des zwischen dem Koppelelement und der Bearbeitungsstelle befindlichen Teils des Bearbeitungsstrahlstrahlengangs auf die Bearbeitungsstelle (28) gelangt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur fremdbeleuchteten Visualisierung eines mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls erfolgenden Bearbeitungsprozesses. Die Erfindung betrifft weiter ein Umlenkelement für eine solche Vorrichtung.
Schweiß-, Schneid- oder Trennbearbeitungen lassen sich mit einem auf eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks fokussierten hochenergetischen Bearbeitungsstrahl, wie Elektronenstrahl, oder Laserstrahl, präzise durchführen. Durch elektronische Auswertung eines Bildes der Bearbeitungsstelle, an der der Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück auftrifft, ist eine Online-Qualitätskontrolle und/oder eine Online-Regelung der jeweiligen Bearbeitung möglich. Vorraussetzung für eine gute Qualitätskontrolle und Regelung ist ein aussagekräftiges Bild der Bearbeitungsstelle, wobei in vielen Anwendungsfällen die Ist-Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück mit einer Soll-Auftreffstelle mittels der Bildauswertung in Übereinstimmung gebracht wird, beispielsweise wenn eine Fuge zwischen zwei Werkstücken verschweißt werden soll. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, für die Qualitätskontrolle oder Prozessregelung ein Bild der Bearbeitungsstelle und deren Umgebung zu erzeugen, das weder durch Rückstreuung des Bearbeitungsstrahls noch durch infolge des Bearbeitungsprozesses erzeugter Strahlung erzeugt wird, sondern das durch eine Beleuchtung der Bearbeitungsstelle mit auf die Auftragsstelle fokussiertem Beleuchtungslicht erzeugt wird.
Zur Beleuchtung der Auftreffstelle mit Beleuchtungslicht (Fremdbeleuchtung) sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Bei einem Verfahren wird die Bearbeitungsstelle von einer Beleuchtungslichtquelle mit Beleuchtungslicht beleuchtet, das schräg zur optischen Achse des Bearbeitungsstrahlstrahlengangs auf die Bearbeitungsstelle gelangt. Bei einem anderen Verfahren kann die Beleuchtungsstrahlung in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt werden und gelangt somit zumindest annähernd parallel zum Bearbeitungsstrahl auf die Bearbeitungsstelle.
Vor allem bei Scanneroptiken mit mindestens einer motorisch verstellbaren Ablenkvorrichtung des Bearbeitungsstrahls besteht das Problem, den gesamten Arbeitsbereich mit einer ausreichend hohen Energiedichte auszuleuchten, was bei von außerhalb des Bearbeitungsstrahlstrahlengangs erfolgender Beleuchtung nur mit erheblichem Aufwand möglich ist und eine sehr starke Beleuchtungsquelle erfordert. Die Einkopplung der Beleuchtung in den Bearbeitungsstrahlstrahlengang bietet die Möglichkeit, einen Beleuchtungsstrahl mit hoher Energiedichte gemeinsam mit dem Bearbeitungsstrahl über die Ablenkvorrichtungen der Scanneroptik an die Bearbeitungsstelle zu leiten.
Die DE 10 2004 043 076 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem mittels einer Scanneroptik und mindestens einer Kamera aus der Oberfläche des Werkstücks und der Auftreffstelle eines Laserstrahls auf das Werkstück Ist-Signale gewonnen werden, die mit Soll-Signalen verglichen werden. Aus dem Vergleich wird ein Korrektursignal erzeugt, das Ablenkvorrichtungen zugeführt wird. Das Verfahren wird beispielsweise angewendet, um die Positionen von Kehlnahtkanten zu erfassen und ggf. Streuungen der Werkstückabmessungen automatisch auszugleichen.
Aus der DE 10 2009 057 209 A1 ist eine mit einer Scanner-Optik ausgestattete Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, insbesondere zum Laserschweißen, bekannt. Die Vorrichtung enthält einen mit der Scanner-Optik mitbeweglichen Bildsensor und einen seitlich an der Schweißvorrichtung montierten Projektor, der dazu dient, Messlicht in Form vom Messstrukturen auf einen Bereich des Werkstücks zu projizieren, in dem eine zu verschweißende Fügekante erwartet wird. Der Bildsensor ist im Wellenlängenbereich des vom Projektor abgestrahlten Messlichts empfindlich. Auf der dem Strahlengang abgewandten Seite einer Ablenkeinheit, die für den Wellenlängenbereich des vom Projektor abgestrahlten Lichts durchlässig ist und Licht des Wellenlängenbereichs des vom Bearbeitungslaser ausgestrahlten Lichts reflektiert, angeordnet. Eine Auswerteeinheit bestimmt anhand des Kamerabildes den seitlichen Abstand zwischen der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück und der gemessenen Position der Fügekante und gleicht eventuelle Positionierungsfehler durch Verstellen der Ablenkspiegel aus.
Die DE 10 2004 001 168 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nahtführung beim Laserstrahlschweißen. Dabei werden vor dem Schweißen die Soll-Ist-Abweichungen hinsichtlich der Positionierung des Werkstücks untersucht und korrigiert. Die optischen Komponenten zur Vermessung des Werkstücks nutzen annähernd denselben optischen Weg wie der Bearbeitungsstrahl. Eine Bearbeitungsoptik enthält eine Ablenkvorrichtung, in der mit Hilfe eines Strahlteilers die Beleuchtungsstrahlung in den Strahlengang der Bearbeitungsstrahlung koaxial eingekoppelt wird und der Kamerastrahlengang anhand eines weiteren Strahlteilers ausgekoppelt wird. In der WO 2007/147221 A1 ist eine ähnliche Vorrichtung wie die vorgenannte Vorrichtung beschrieben. Zum Einkoppeln der Beleuchtungsstrahlung werden dabei reflektive Spiegel verwendet.
Die Verwendung eines Strahlteilers zur Einkopplung der Beleuchtungsstrahlung setzt im Idealfall voraus, dass ein Strahlteiler mit etwa 50% Reflektion und etwa 50% Transmission verwendet wird. Dadurch geht bei der Einkopplung mindestens die Hälfte der Beleuchtungsenergie verloren. Auf dem Rückweg verliert der Visualisierungsstrahlengang wiederum etwa die Hälfte seiner Intensität, so dass lediglich etwa 25% der ausgesandten Lichtmenge einen Sensor der Visualisierungsvorrichtung erreichen, sofern ein zu bearbeitendes Bauteil des Beleuchtungslichts zu 100% reflektiert.
Um solche Lichtverluste zu vermeiden, werden in der JP 2001-287064 sowie in der DE 20 2006 012 840 U1 die Beleuchtungsquellen seitlich bzw. ringförmig in der Nähe einer Kamera mit einem Strahlengang, der nahezu parallel zum Kamerastrahlengang ist, angeordnet.
Eine weitere Möglichkeit zur Einkopplung ohne erheblicher Verluste der Beleuchtungsstrahlung wird in der DE 10 2005 010 381 B4 beschrieben. Dabei wird als Bearbeitungsstrahl ein Laserstrahl über einen dichroitischen Spiegel auf die Bearbeitungsstelle eines zu bearbeitenden Objekts gelenkt. Auf der von der Bearbeitungsstelle abgewandten Seite des dichroitischen Spiegels befindet sich ein Scraper-Spiegel, durch dessen zentrale Öffnung hindurch von der Bearbeitungsstelle ausgehendes Visualisierungslicht nach Durchtritt durch den dichroitischen Spiegel auf eine Kamera auftrifft. Eine Beleuchtungslichtquelle erzeugt ein ringförmiges Lichtbündel, das vom Scraper-Spiegel in Richtung auf den dichroitischen Spiegel umgelenkt wird und nach Durchtritt durch den dichroitischen Spiegel koaxial zum Bearbeitungsstrahl auf die Bearbeitungsstelle auftrifft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur fremdbeleuchteten Visualisierung eines mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls erfolgenden Bearbeitungsprozesses zu schaffen, wobei eine Beleuchtungsquelle zur Fremdbeleuchtung einfach montierbar ist und das abgestrahlte Beleuchtungslicht effektiv genutzt wird.
Die Ansprüche 1 und 2 kennzeichnen Vorrichtungen, mit denen die Erfindungsaufgabe gelöst wird.
Die Unteransprüche 2 bis 18 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.
Der Anspruch 17 ist auf ein für eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendbares Umlenkelement gerichtet.
Ein Aspekt der Erfindung liegt darin, dass das Beleuchtungslicht in den Visualisierungsstrahlengang und den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt wird, und maximal zur Erzeugung des von der Bearbeitungsstelle ausgehenden Visualisierungslichts genutzt wird, ohne dass Beleuchtungslicht infolge von Reflexionen oder Streuungen an irgendwelchen Bauteilen oder Kanten auf die Visualisierungsvorrichtung gelangt und dort das elektronisch auswertbare Bild der Bearbeitungsstelle verschlechtert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Figuren stellen dar:
1 eine schematische Prinzipansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 bis 5 Aufsichten auf verschiedene Ausführungsformen eines Umlenkelements,
6 einen Ausschnitt der Ausführungsform gemäß 1 mit einer abgeänderten Umlenkvorrichtung,
7 eine der 1 ähnliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
8 eine Aufsicht auf ein optisches Element, wie es in der Vorrichtung gemäß 6 verwendet wird, und
9 eine Aufsicht auf ein Umlenkelement, wie es in 6 verwendet wird
Gemäß 1. enthält eine Vorrichtung zur fremdbeleuchteten Visualisierung eines mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls erfolgenden Bearbeitungsprozesses in bzw. an einem Gehäuse 10 eine Ankopplung 12, mittels der ein Lichtwellenleiter 14 an ein optisches Element 16 angeschlossen ist. Der Lichtwellenleiter 14 ist mit einer nicht dargestellten Quelle einer Bearbeitungsstrahlung, beispielweise einer Laserstrahlung, verbunden. Der Bearbeitungsstrahl tritt aus dem optischen Element 16 in einen Bearbeitungsstrahlengang aus, der eine Kollimatorlinse 18 enthält, die den Bearbeitungsstrahl zu einem etwa parallelen Strahl bündelt, ein vorzugweise als dichroitischer Spiegel ausgebildetes Koppelelement, eine Fokuslinse 22, einen Scannerspiegel 24 und ein Schutzglas 26, durch das hindurch der Bearbeitungsstrahl aus dem Gehäuse 10 austritt. Die Fokuslinse 22 dient dazu, den Bearbeitungsstrahl auf eine schematisch dargestellte Bearbeitungsstelle 28 eines Werkstücks zu fokussieren, an der eine Schweißung, Umschmelzung oder ähnliches erfolgen soll. Die Fokuslinse 22 ist mittels einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung in Richtung des Doppelpfeils verschiebbar, wodurch die Fokussierung des Bearbeitungsstrahls auf den Abstand zwischen der Bearbeitungsstelle 28 und dem Gehäuse 10 eingestellt werden kann. Der Scannerspiegel 24 ist mittels einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung um eine senkrecht zur Papierebene gerichtete Achse und/oder eine in der Papierebene liegende, mit dem Scannerspiegel 24 zusammenfallende Achse schwenkbar, so dass die Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück in einer zur Papierebene senkrechten Ebene verstellbar ist.
Weiter ist an dem Gehäuse 10 eine Visualisierungsvorrichtung, beispielsweise eine Kamera 30 mit einem elektronischen, ortsauflösenden. Bildsensor, angebracht, zu der von der Bearbeitungsstelle 28 ausgehendes Visualisierungslicht gelangt. Das Visualisierungslicht wird aus dem Bearbeitungsstrahlengang ausgekoppelt, indem der dichroitische Spiegel 20, der für den Wellenlängenbereich des Bearbeitungsstrahls weitgehend undurchlässig ist, so dass er den Bearbeitungsstrahl reflektiert, für den Wellenlängenbereich des Visualisierungslichts durchlässig ist, so dass das Visualisierungslicht, dessen Strahlengang gemäß 1 rechtsseitig des dichroitischen Spiegels 20 mit dem Bearbeitungsstrahlengang etwa zusammenfällt, gemäß 1 nach links aus dem dichroitischen Spiegel 20 austritt und von einer Umlenkvorrichtung 32, im dargestellten Beispiel um etwa 90°, umgelenkt wird und auf eine Sammellinse 34 trifft, die das Visualisierungslicht durch ein Schutzglas 36 hindurch auf den in der Kamera 30 enthaltenen optischen Sensor fokussiert.
Die bisher beschriebene Vorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Funktionalitäten ist an sich bekannt und wird daher nicht im Einzelnen erläutert. Dein Abstand zwischen dem Gehäuse 10 und der Bearbeitungsstelle 28 ist verhältnismäßig groß, beispielsweise 600 mm, so dass Bearbeitungsstelle 28 durch Verschwenken des Scannerspiegels 24 über einen großen Bereich bewegt werden kann. Die Fokuslinse 22 hat daher eine lange Brennweite und müsste zum Nachjustieren über große Strecken bewegt werden, die innerhalb des Gehäuses 10 nicht vorhanden sind.
Für die Fokussierung des Bearbeitungsstrahls auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks und die Fokussierung des Visualisierungslichts auf die Kamera 30 werden daher zusätzlich die Kollimatorlinse 18 sowie die Sammellinse 34 benutzt, die mittels einer Verstellvorrichtung 35 gemäß 1 in senkrechter Richtung (Richtung der optischen Achsen) bewegt werden können. Wegen der unterschiedlichen Geometrien des Visualisierungsstrahlengangs und des Bearbeitungsstrahlengangs (der Abstand zwischen der Umlenkvorrichtung 32 und der Fokuslinse 22 beträgt beispielsweise 150 mm) werden die Kollimatorlinse 18 und die Sammellinse 34 zur Einstellung auf dem Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und dem Gehäuse 10 vorteilhafterweise nicht um die gleiche Strecke bewegt, sondern koordiniert derart, dass sowohl eine scharfe Abbildung der Bearbeitungsstelle 28 auf die Kamera 30 erfolgt, als auch der Bearbeitungsstrahl auf die Bearbeitungsstelle 28 fokussiert wird. im Visualisierungsstrahlengang befindet sich vorteilhafterweise ein Filter mit wellenlängenabhängiger Durchlässigkeit, so dass in die Kamera beispielsweise im Wesentlichen nur Licht mit der Wellenlänge des von einem nachfolgend beschriebenen Beleuchtungsmodul ausgesandten Beleuchtungslichts gelangt.
Erfindungsgemäß weist die Umlenkvorrichtung 32 beispielsweise eine beschichtete Glasplatte 37 mit einem zentralen reflektierenden Bereich 38 (2) auf, der von einem unverspiegelten durchsichtigen Bereich 40 umgeben ist. Der reflektierende Bereich ist beispielsweise dadurch gebildet, dass die Glasplatte in diesem Bereich verspiegelt oder mit auf die zu reflektierende Wellenlänge abgestimmten Interferenzschichten versehen ist. Der durchsichtige Bereich kann mit einer Antireflexschicht versehen sein. An dem Gehäuse 10 ist ein Beleuchtungsmodul 42 angebracht, das Beleuchtungsquellen 44, beispielsweise ringförmig angeordnete, mit Optiken versehene LEDs, enthält, die durch ein Schutzglas 46 hindurch ein in seinem Querschnitt etwa dem ringförmigen lichtdurchlässigen Bereich 40 entsprechendes paralleles Lichtbündel durch den lichtdurchlässigen Bereich 40 des Umlenkelements 32 hindurch zum dichroitischen Spiegel 20 lenken, der für den Frequenzbereich des Beleuchtungslichts durchlässig ist, so dass das Beleuchtungslicht nach Durchgang durch den dichroitischen Spiegels 20 in den Bearbeitungs strahlengang eingekoppelt wird und auf die Bearbeitungsstelle 28 fokussiert wird.
Genauer werden von den einzelnen Beleuchtungslichtquellen 44 vorteilhaft leicht divergente (Öffnungswinkel beispielsweise etwa 5°) Lichtbündel ausgesandt, die außerhalb des reflektierenden Bereiches 38 durch den durchsichtigen Bereich 40 hindurchtreten, wobei deren optische Achse gegenüber der optischen Achse des Visualisierungsstrahlengangs leicht geneigt sein kann, so dass die von den einzelnen Beleuchtungslichtquellen 44 erzeugten Beleuchtungslichtbündel durch den dichroitischen Spiegel 20 hindurch auf die Fokuslinse 22 auftreffen und von dieser auf den Scannerspiegel 24 und von dort auf die Bearbeitungsstelle 28 gelenkt werden. Insgesamt wird auf diese Weise eine flächige Beleuchtung der Bearbeitungsstelle 28 erzielt, wodurch wiederum in der Kamera 30 ein mit Hilfe des Beleuchtungslichts und allenfalls einem kleinen Anteil von in Folge der Bearbeitung mit dem Bearbeitungsstrahl entstandenen Lichts entstehendes Bild erzeugt.
Das von der oder den Beleuchtungslichtquellen 44 abgestrahlte Beleuchtungslicht tritt durch das Umlenkelement 32 ohne wesentliche Schwächung hindurch und wird lediglich im dichroitischen Spiegel 20 entsprechend dessen Transmission geschwächt, um dann auf die Bearbeitungsstelle 28 fokussiert zu werden und diese intensiv zu beleuchten. Der Wellenlängenbereich des Beleuchtungslichts ist vorteilhafterweise gleich dem Wellenlängenbereich des Visualisierungslichts, d. h. dem Wellenlängenbereich, für den der optische Sensor der Kamera 30 empfindlich ist. Dadurch, dass das von der oder den Beleuchtungslichtquellen 44 erzeugte Beleuchtungslicht nicht auf die Rückseite des reflektierenden Bereiches und dessen Ränder gelangt, gelangt kein Beleuchtungslicht von der Umlenkvorrichtung 32 unmittelbar durch die Sammellinse 34 hindurch zu der Kamera 30, so dass das von der Kamera bereits aufgenommeine Bild im Wesentlichen nur auf dem Licht beruht, dass von der Bearbeitungsstelle 28 ausgeht.
Von dem durchsichtigen Bereich 40 der Glasplatte 37 in Richtung auf eine Gehäuseinnenwand reflektiertes Beleuchtungslicht oder, falls Beleuchtungslicht auf die Rückseite des reflektierenden Bereiches 38 auftrifft, von dieser auf die Innenwand des Gehäuses reflektiertes Licht kann durch die geeignete Beschichtung der Innenwand des Gehäuses daran gehindert werden, direkt in Richtung auf die Kamera 30 reflektiert zu werden.
Die Erfindung ist vorteilhaft für an sich bekannte Vorrichtungen einsetzbar, indem lediglich der normalerweise vorhandene Umlenkspiegel durch die Umlenkvorrichtung 32 ersetzt wird und das Beleuchtungsmodul 42 an dem Gehäuse 10 angebracht wird. Die Umlenkvorrichtung 32 kann in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein.
2 zeigt, wie bereits beschrieben, eine ringscheibenförmige Glasplatte 37 mit einem zentralen verspiegelten Bereich 38, der von einem ringförmigen durchsichtigen Bereich 40 umgeben ist.
3 zeigt eine Ausführungsform, bei dem der verspiegelte Bereich 38 durch einen zentralen Spiegel gebildet ist, der in einer Halterung 48 mittels beispielsweise dünner Stege oder Drähte 50 gehalten ist, so dass der den verspiegelten Bereich 38 umgebende durchsichtige Bereich 40 lediglich durch Luft bzw. das in dem Gehäuse 10 enthaltene Gas gebildet ist und von den Drähten 50 durchdrungen wird.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Umlenkelement 32 durch eine lichtdurchlässige Glasplatte 37 mit zwei durchsichtigen Bereichen 40 gebildet ist, die vollständig innerhalb eines reflektierenden Bereichs 40 angeordnet sind.
Die Ausführungsform gemäß 5 zeigt eine scheibenförmige Glasplatte 37 mit drei im Umfangsabstand angeordneten, von den Rändern ausgehenden durchsichtigen Bereichen 40 und einem reflektierenden Bereich 38.
Es versteht sich, dass weitere Ausführungsformen möglich sind, die jeweils mit einem oder mehreren reflektierenden Bereichen 38 ausgebildet sind, zwischen denen ein oder mehrere durchsichtige Bereiche 40 ausgebildet sind.
Das Beleuchtungsmodul 42 bzw. dessen Beleuchtungslichtquelle(n) 44 sind vorteilhafterweise jeweils derart ausgebildet, dass das aus dem Beleuchtungsmodul 42 austretende Beleuchtungslicht parallel oder mit geringer Öffnung durch einen möglichst großen Bereich des lichtdurchlässigen Bereichs des Umlenkelements hindurchtritt und nicht auf den oder die verspiegelten Bereiche trifft.
Als Beleuchtungslichtquelle 44 dient beispielsweise eine lichtemittierende Diode, beispiels weise Laserdiode, die ein Lichtbündel mit geringer Öffnung, vorzugsweise kleiner 10° abstrahlt, so dass das Lichtbündel vollständig durch einen durchsichtigen Bereich 40 hindurchtritt und die optische Achse des Lichtbündels je nach Entfernung des durchsichtigen Bereiches von der optischen Achse des Visualisierungslichts zur optischen Achse des Visualisierungslichts, beispielsweise um weniger als 5°, geneigt ist und durch den dichroitischen Spiegel 20 hindurch und die Fokuslinse 22 hindurch auf den Scannerspiegel 24 gelangt, von dem das Beleuchtungslichtbündel auf die Bearbeitungsstelle 28 gelangt und einen mehr oder weniger großen Bereich der Bearbeitungsstelle 28 oder die Bearbeitungsstelle 28 mit einem diese umgebenden Bereich beleuchtet. Die Divergenz des oder der Beleuchtungslichtbündel, deren Neigung zur optischen Achse des Visualisierungslichts sowie die Bündelung auf die Bearbeitungsstelle 28 richten sich nach den Geometrien der einzelnen Bauteile und deren relativer Anordnung. Insgesamt wird die Bearbeitungsstelle 28 vorteilhafterweise flächig zusammen mit einem Bereich ihrer Umgebung beleuchtet.
7 zeigt einen Ausschnitt, links unten, des Gehäuses 10 der 1 mit einer abgeänderten Ausfünhrungsform der Umlenkvorrichtung 32. Die Umlenkvorrichtung 32 weist ein im Inneren des Gehäuses 10 befestigtes Spiegelgehäuse 52 auf, in dem ein dem reflektierenden Bereich 38 gemäß 2 entsprechender Spiegel 62 angebracht ist. Das Gehäuse 60 weist eine nach oben gerichtete Öffnung 64 und eine gemäß 7 nach rechts gerichtete Öffnung 66 auf, so dass das gestrichelt eingezeichnetete Visualisierungslicht durch die Öffnung 66 eintritt und vom Spiegel 62 abgelenkt nach oben durch die Öffnung 64 austritt. Die Beleuchtungslichtquellen sind derart angeordnet, dass die gestrichelt eingezeichneten Beleuchtungslichtbündel an dem Spiegelgehäuse 60 vorbei zu dem in 7 nicht dargestellten Koppelelement 20 (1) gelangen. Gegenüber Ausführungsformen gemäß 1 ist der Bereich um den Spiegel 62 herum für das Beleuchtungslicht zwar etwas größer abgeschattet, jedoch besteht keinerlei Gefahr, dass von den Beleuchtungslichtquellen 44 erzeugtes Beleuchtungslicht unmittelbar nach oben in Richtung zur Kamera 30 (1) gelangt.
7 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, die sich von der der 1 lediglich durch die Konstruktion der Umlenkvorrichtung 32 und des Beleuchtungsmoduls 42 unterscheidet:
Die Beleuchtungslichtquelle 44 beleuchtet die Umlenkvorrichtung 32 mittels eines als DOE (diffractive optical element) ausgebildeten Strahlformkörpers 52 (8), aus dem das Beleuchtungslicht in Form einer Vielzahl von Strahlen mit allenfalls kleiner Divergenz und mit kleinem Durchmesser austritt, die in 8 als dunkle Punkte dargestellt sind Die Umlenkvorrichtung 32 enthält, wie in 9 dargestellt, eine Glasplatte 37 mit den Punkten der 8 entsprechenden durchlässigen Bereichen 40, zwischen denen reflektierende Bereiche 38 ausgebildet sind, die das Visualisierungslicht zur Kamera 30 hin umlenken.
Der Strahlformkörper 52 kann auch derart ausgebildet sein, dass eine Vielzahl von in vorbestimmter Weise angeordneten LEDs enthält, die unmittelbar die annähernd parallelen Lichtstrahlen mit kleinem Durchmesser erzeugen.
Mit der Anordnung gemäß den 7 bis 9 wird erreicht, dass das Beleuchtungslicht und das Visualisierungslicht über den gesamten Querschnitt des Visualisierungsstrahlengangs weitgehend homogen verteilt ist, was zu einer guten Qualität des von der Kamera 30 aufgenommenen Bildes führt.
Die vorstehend beispielhaft beschriebene Vorrichtung mit der Umlenkvorrichtung 32, mittels der Beleuchtungslicht eingekoppelt werden kann, kann für unterschiedlichste Bearbeitungen verwendet werden, wie Bearbeitung mit einem Laserstrahl, Bearbeitung mittels eines Elektronenstrahls usw. Bei Laserstrahlbearbeitungen wird vorzugsweise mit Laserlicht einer Wellenlänge von beispielsweise 1070 nm gearbeitet. Das Beleuchtungslicht hat vorzugsweise eine Wellenlänge von zwischen 800 nm und 940 nm, beispielsweise 850 nm. Der dichroitische Spiegel 20 ist für die Wellenlänge des Beleuchtungslichts und damit auch des Visualisierungslichts durchlässig, wobei der Durchlassbereich beispielsweise gleich der Wellenlänge des Beleuchtungslichts ±20 nm ist.
Die beispielhaft geschilderte Vorrichtung kann dazu dienen, durch Auswertung des von der Kamera 30 aufgenommenen elektronischen Bildes die einwandfreie Qualität der Bearbeitung an der Bearbeitungsstelle 28 zu überwachen und erforderlichenfalls die Laserleistung zu verändern und/oder die Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück durch Verkippen des Scannerspiegels 24 und/oder Bewegen des Werkstücks relativ zu dem Gehäuse 10 derart zu verändern, dass die Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls beispielsweise mit einer Fügekante des Werkstücks in Überdeckung gebracht wird. Die vom Beleuchtungslicht beleuchtete Stelle der Oberfläche des Werkstücks wird dabei automatisch mit verändert. Der Scannerspiegel 24 ist nicht zwingend vorhanden.
Die beispielhaft geschilderte Vorrichtung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. Beispielsweise können die Anbringorte der Kamera 30 und des Beleuchtungsmoduls 42 vertauscht werden, wobei die Kameralinse 34 dann linksseitig des Umlenkelements 32 angebracht wird. Das auf die Kamera 30 auftretende Visualisierungslicht tritt dann durch lichtdurchlässige Bereiche des Umlenkelements 32 hindurch und das Beleuchtungslicht wird von den reflektierenden Bereichen umgelenkt. Auch bei dieser abgeänderten Vorrichtung kann eine aufeinander abgestimmte Verstellung der dann entsprechend anders angeordneten Sammellinse 34, Kollimatorlinse 18 und ggf. Fokuslinse 22 folgen.
Mit der Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 1 wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Beleuchtungsstrahlengang kürzer ist als der auf die Kamera 30 fokusierte Visualisierungsstrahlengang.
Anhand der 10, die den Strahlengang der Vorrichtung gemäß 1 vereinfacht darstellt, wird erläutert, warum ein kurzer Beleuchtungsstrahlengang vorteilhaft ist:
Grundsätzlich machen Rückreflexe der Beleuchtungsstrahlen, die an optischen Elementen entstehen und auf den Sensor der Kamera 30 gelangen, das Kamerabild schlechter oder sogar unbrauchbar. Je näher sich die Beleuchtungslichtquelle 44 an den für Rückreflexe verantwortlichen optischen Elementen befindet, desto größer ist der Winkel des Rückreflexes. In 10 ist ein Beleuchtungsstrahl mit einer dicken schwarzen Linie dargestellt. Der Reflex des Beleuchtungsstrahls an der Fokuslinse 22 ist gepunktet dargestellt. Wie ersichtlich bewirkt ein großer Winkel des Rückreflexes, dass, der gepunktete Rückreflexstrahl den beispielsweise als Spiegel ausgebildeten reflektierenden Bereich 38 verfehlt und somit nicht auf die Kamera abgelenkt wird. Wenn der Abstand zwischen der oder den Beleuchtungsquellen 44 und der Fokuslinse 22 kurz ist und der Abstand der Kamera 30 von der Fokuslinse 22 groß ist, verringern sich die Flächenbereiche, aus denen Rückreflexionen zur Kamera überhaupt möglich sind.
Große Rückreflexwinkel sind weiterhin vorteilhaft, wenn im Visualisierungs- bzw. Kammerstrahlengang ein Raumfilter eingesetzt wird. Ein, solcher Raumfilter filtert Strahlen mit großen Winkeln heraus. Nur Strahlen mit kleinem Winkel zur optischen Achse können durch einen Raumfilter hindurch gelangen.
Wenn das Beleuchtungsmodul bzw. deren Beleuchtungsquellen 44 sowie das Kameramodul 30 außerhalb einer Scanneroptik montiert werden, ist der Strahlenweg des Visualisierungs- bzw. Kamerastrahlengangs zwingend länger als der des Beleuchtungsstrahlengangs.
Bei Verwendung einer kompakten Scanneroptik, wie sie beispielsweise im Gehäuse 10 der 1 untergebracht ist, ist es zweckmäßig, den Visualisierungsstrahlengang mit einem einzelnen dichroitischen Spiegel vom Bearbeitungsstrahlengang zu trennen. Für eine kompakte Bauweise ist es weiterhin sinnvoll, den Visualisierungsstrahlengang parallel zum Bearbeitungstrahlengang zu führen, wobei zum Einstellen des Fokus sowohl die Kollimationslinse 18 als auch die Fokuslinse 22 dienen können. Ein von außen an dem Gehäuse anbringbarer Stecker zum Anschließen eines Lichtleiters und ein Kameraobjektiv sind ähnlich lang, so dass beide platzsparend, wie in 1 dargestellt, nebeneinander angeordnet werden.
Das Schutzglas 26, durch das der hochenergetische Bearbeitungsstrahl aus dem Gehäuse 10 austritt, muss nicht senkrecht zur optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs und Visualisierungsstrahlengangs angeordnet sein. Er kann vielmehr als eine Glasplatte ausgebildet sein, deren Oberfläche mit der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs einen Winkel ungleich 90° bildet, wobei die Abweichung vom rechten Winkel bei Vorhandensein des Scanner-Spiegels 24 vorteilhafterweise größer ist als der maximale Schwenkwinkels des Scannerspiegels. Damit wird erreicht, dass an der Oberfläche des Schutzglases 26 unmittelbar reflektierte Strahlung des Bearbeitungsstrahls nicht in den Bearbeitungsstrahlengang zurück gelangt und dadurch die Laserlichtquelle beschädigen könnte. Des Weiteren wird damit erreicht, dass an der Oberfläche des Schutzglases 26 reflektiertes Beobachtungslicht nicht in den Visualisierungstrahlengang gelangt und dadurch das von der Kamera 30 aufgenommene Bild verschlechtert. Vorteilhafterweise kann das Schutzglas 26 als eine gewölbte Platte ausgebildet sein, wodurch schädliche Reflektionen weiter vermindert werden.
Die Anmelderin behält sich vor, eine verkippte Anordnung des Schutzglases 26 relativ zum Bearbeitungsstrahlengang und/oder eine gewölbte Ausbildung des Schutzglases 26 unabhängig von der Verwendung eines solchen Schutzglases in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für alle Arten von Vorrichtungen zu beanspruchen, in der ein Bearbeitungsstrahl und/oder ein Beleuchtungsstrahl durch ein Schutzglas hindurch auf eine Bearbeitungsstelle gelangt.
Mit der beschriebenen Vorrichtung werden unter Anderem folgende Vorteile erzielt:
Von den optischen Komponenten der im Inneren des Gehäuses 10 befindlichen optischen Bauteile sowie dem Schutzgas 26 werden nur wenige Rückreflexe erzeugt, die auf den Bildsensor der Kamera 30 gelangen und das Bild der Bearbeitungsstelle verschlechtern können. Die Fokusebene der Kamera 30 fällt mit der Ebene zusammen, in der der Bearbeitungsstrahl auf das zu bearbeitende Objekt fokussiert wird, so dass eine optimale Bildqualität sicherge stellt ist. Die gesamte Vorrichtung ist kompakt aufgebaut. Das Beleuchtungslicht gelangt mit geringen Verlusten von der oder dem Beleuchtungslichtstellen zur Bearbeitungsstelle, so dass die Leistung der Beleuchtungslichtquelle nicht unnötig überdimensioniert sein muss. Die Bearbeitungsstelle wird homogen vorn Beleuchtungslicht beleuchtet.
Bezugszeichenliste

10: Gehäuse
12: Ankopplung
14: Lichtwellenleiter
16: optisches Element
18: Kollimatorlinse
20: Koppelelement (dichroitischer Spiegel)
22: Fokuslinse
24: Scannerspiegel
26: Schutzglas
28: Bearbeitungsstelle
30: Kamera
32: Umlenkvorrichtung
34: Sammellinse
36: Schutzglas
35: Verstellvorrichtung
37: Glasplatte
38: reflektierender Bereich
40: durchsichtiger Bereich
42: Beleuchtungsmodul
44: Beleuchtungslichtquelle
46: Schutzglas
48: Halterung
50: Draht
60: Spiegelgehäuse
62: Spiegel
64: Öffnung
66: Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004043076 A1 [0005]
DE 102009057209 A1 [0006]
DE 102004001168 [0007]
WO 2007/147221 A1 [0007]
JP 2001-287064 [0009]
DE 202006012840 U1 [0009]
DE 102005010381 B4 [0010]

Claims

Vorrichtung zur fremdbeleuchteten Visualisierung eines mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls erfolgenden Bearbeitungsprozesses, enthaltend eine Bearbeitungsstrahlquelle, einen Bearbeitungsstrahlengang (16, 18, 20, 22, 24) zum Lenken des Bearbeitungsstrahls auf eine Bearbeitungsstelle (28), welcher Bearbeitungsstrahlstrahlengang ein Koppelelement (20) mit wellenlängenabhängiger Reflexion und Durchlässigkeit enthält, einen Visualisierungsstrahlengang (24, 22, 20, 32, 34), der eine Umlenkvorrichtung (32) mit einem reflektierenden Bereich (38) enthält, der von der Bearbeitungsstelle kommendes, mittels des Koppelelements aus dem Bearbeitungsstrahlstrahlengang ausgekoppeltes Visualisierungslicht auf eine Visualisierungsvorrichtung (30) lenkt, und ein Beleuchtungsmodul (42), wobei von dem Beleuchtungsmodul erzeugtes Beleuchtungslicht an dem reflektierenden Bereich (38) vorbei in den Visualisierungsstrahlengang gelangt und durch das Koppelelement (20) hindurch längs des zwischen dem Koppelelement und der Bearbeitungsstelle befindlichen Teils des Bearbeitungsstrahlstrahlengangs auf die Bearbeitungsstelle (28) gelangt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Beleuchtungslicht, ohne auf einen Rand des reflektierenden Bereichs (38) zu treffen, in den Visualisierungsstrahlengang gelangt.
Vorrichtung zur fremdbeleuchteten Visualisierung eines mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls erfolgenden Bearbeitungsprozesses, enthaltend eine Bearbeitungsstrahlquelle, einen Bearbeitungsstrahlengang (16, 18, 20, 22, 24) zum Lenken des Bearbeitungsstrahls auf eine Bearbeitungsstelle (28), welcher Bearbeitungsstrahlstrahlengang ein Koppelelement (20) mit wellenlängenabhängiger Reflexion und Durchlässigkeit enthält, einen Visualisierungsstrahlengang, der eine Umlenkvorrichtung (32) mit einem reflektierenden Bereich (38) enthält, und von der Bearbeitungsstelle kommendes, mittels des Koppelelements aus dem Bearbeitungsstrahlstrahlengang ausgekoppeltes Visualisierungslicht an dem reflektierenden Bereich (38) vorbei auf eine Visualisierungsvorrichtung (30) lenkt, und ein Beleuchtungsmodul (44), wobei von dem Beleuchtungsmodul erzeugtes Beleuchtungslicht nur auf einen inneren Teil des reflektierenden Bereiches (38) gelangt und von diesem in den Visualisierungsstrahlengang in Richtung auf das Koppelelement umgelenkt wird und durch dieses hindurch längs des zwischen dem Koppelelement (20) und der Bearbeitungsstelle befindlichen Teils des Bearbeitungsstrahlstrahlengangs auf die Bearbeitungsstelle (28) gelangt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Umlenkvorrichtung (32) eine lichtdurchlässige Glasplatte (37) aufweist, auf der ein reflektierender Bereich (38) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der reflektierende Bereich (38) verspiegelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der reflektierende Bereich (38) durch Interferenzschichten gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei ein durchsichtiger Bereich (40) der Glasplatte (37) mit einer Antireflexschicht versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Glasplatte (37) mit mehreren reflektierenden Bereichen (38) und durchlässigen Bereichen (40) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Umlenkvorrichtung (32) einen innerhalb einer Halterung (48) gehaltenen Spiegel enthält, der den reflektierenden Bereich (38) bildet,
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Beleuchtungslichtquelle (44) derart auf die Umlenkvorrichtung (32) abgestimmt ist, dass Querschnitte von die Umlenkvorrichtung durchstrahlenden Beleuchtungsstrahlen in einer Ebene der reflektierenden Bereiche (38) jeweils kleiner sind als die durchsichtigen Bereiche (40) bzw. dass Querschnitte von den reflektierenden Bereichen (38) umgelenkten Beleuchtungsstrahlen in einer Ebene der reflektierenden Bereiche jeweils kleiner sind als die reflektierenden Bereiche.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umlenkvorrichtung (32) einen im einem Gehäuse (60) angeordneten Spiegel (62) aufweist, welches Gehäuse eine zum Koppelelement (20) hin gerichtete Öffnung (66) für einen Eintritte des Visualisierungslichtes und eine zur Visualisierungsvorrichtung (30) gerichtete Öffnung (64) zum Austritt des Visualisierungslichtes aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Beleuchtungsmodul (42) wenigstens eine Beleuchtungslichtquelle (44) enthält, die ein Beleuchtungslichtbündel mit einem Öffnungswinkel kleiner 10° aussendet, dessen optische Achse zur optischen Achse des Visualisierungsstrahlengangs um weniger als 5° geneigt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, enthaltend einen zwischen dem Koppelelement und der Bearbeitungsstelle angeordneten Scannerspiegel.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, enthaltend eine zwischen dem Koppelelement (20) und der Bearbeitungsstelle (28) angeordnete Fokuslinse (22).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, enthaltend eine zwischen der Visualisierungsvorrichtung (30) und der Umlenkvorrichtung (32) angeordnete Sammellinse (34) und eine zwischen der Bearbeitungsstrahlquelle und dem Koppelement (20) angeordnete Kollimatorlinse (18).
Vorrichtung nach Anspruch 15, enthaltend eine Verstellvorrichtung (35) zur aufeinander abgestimmten Verstellung der Sammellinse (34) und der Kollimatorlinse (18).
Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 15, enthaltend eine Verstellvorrichtung (35) zur aufeinander abgestimmten Verstellung der Fokuslinse (22), Sammellinse (34) und Kollimatorlinse (18).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, enthaltend ein im Bearbeitungsstrahlengang im Abstand von der Bearbeitungsstelle angeordnetes Schutzglas (26), dessen Oberfläche mit der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs einen Winkel ungleich 90 Grad bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Schutzglas (26) gewölbt ist.
Umlenkelement zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, enthaltend eine Glasplatte (37) mit wenigstens einem reflektierenden Bereich (38) und wenigstens einem lichtdurchlässigen Bereich (40).