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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Laserbearbeitung einer Werkstückoberfläche, mit einer Fokussieroptik, mit der ein auf der optischen Achse der Fokussieroptik eintreffender Bearbeitungsstrahl auf eine Bearbeitungsebene fokussiert wird, einer Beleuchtungseinrichtung, die einen Beleuchtungsstrahl koaxial zum Bearbeitungsstrahl durch die Fokussieroptik auf die Bearbeitungsebene richtet, und einem optischen Detektor, der von der Bearbeitungsebene rückgestreute Beleuchtungsstrahlung durch die Fokussieroptik hindurch erfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses, bei dem von der Werkstückoberfläche rückgestreute Beleuchtungsstrahlung mit einem optischen Detektor erfasst wird.
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Stand der Technik
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Bei der Lasermaterialbearbeitung wird die Laserstrahlung ausgehend von einer Laserstrahlquelle über eine Faser und anschließende Kollimation oder mittels freier Propagation zum Werkstück geführt und über ein Fokussierobjektiv auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Für die Überwachung des Bearbeitungsprozesses ist es bekannt, die Werkstückoberfläche koaxial zum Bearbeitungsstrahl in einem anderen Wellenlängenbereich als dem des Bearbeitungslasers zu beleuchten und die von der Werkstückoberfläche rückgestreute Beleuchtungsstrahlung koaxial sensorisch zu erfassen.
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Eine derartige koaxiale Beleuchtung und Erfassung ist bspw. aus der
DE 102005022095 B4 bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine optische Anordnung zur Laserbearbeitung einer Werkstückoberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die mit dem Detektor erfasste, von der Werkstückoberfläche rückgestreute Beleuchtungsstrahlung wird dabei zur Bestimmung der Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück ausgewertet.
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Auch aus der
DE 10 2005 010 381 B4 ist eine derartige koaxiale Beleuchtung und Erfassung während der Laserbearbeitung bekannt. Bei dem Verfahren dieser Druckschrift wird die von der Bearbeitungszone reflektierte und mit einem Detektor ortsaufgelöst erfasste Strahlung zur Vermessung der Phasengrenzen des Werkstoffes bei der Bearbeitung mit dem Laserstrahl genutzt.
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Bei der Beleuchtung und Beobachtung der Werkstückoberfläche durch die Fokussieroptik koaxial zum Bearbeitungsstrahl tritt jedoch auch störende Rückreflexion der Beleuchtungsstrahlung an der Fokussieroptik und ggf. weiteren optischen Elementen zwischen der Fokussieroptik und dem Werkstück auf, wie bspw. an einem Schutzglas. Diese Rückreflexion stellt eine Störgröße zu der eigentlichen Messgröße dar, der Rückstreuung bzw. Reflexion an der Werkstückoberfläche, da sie diese überlagert und dadurch die Beobachtung der Werkstückoberfläche verhindern kann.
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Zur Verminderung dieser Problematik kann auf die entsprechenden optischen Elemente eine Antireflex-Beschichtung aufgebracht werden. Allerdings muss eine derartige Antireflex-Beschichtung dann breitbandig für die Kombination aus Bearbeitungs- und Beleuchtungswellenlänge ausgeführt werden. Mit steigender Laserleistung des Bearbeitungslasers wird jedoch eine Minimierung der Reflexion der Bearbeitungswellenlänge zunehmend wichtiger, die sich nur mit einer schmalbandigen, auf die Bearbeitungswellenlänge optimierten Antireflex-Beschichtung erreichen lässt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Anordnung zur Laserbearbeitung einer Werkstückoberfläche sowie ein Verfahren zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses anzugeben, mit denen bei koaxialer Beleuchtung und Beobachtung der Werkstückoberfläche durch die Fokussieroptik hindurch geringere Störungen durch Reflexion der Beleuchtungsstrahlung an der Fokussieroptik auftreten und Reflexionen der Bearbeitungsstrahlung an der Fokussieroptik minimiert sind.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der optischen Anordnung sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der optischen Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den vorteilhaften Ausgestaltungen der Anordnung entsprechend.
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Die vorgeschlagene optische Anordnung zur Laserbearbeitung einer Werkstückoberfläche weist zumindest eine Fokussieroptik, eine Beleuchtungseinrichtung und einen optischen Detektor auf. Mit der Fokussieroptik wird ein auf der optischen Achse der Fokussieroptik eintreffender Bearbeitungsstrahl auf eine Bearbeitungsebene fokussiert, in der während der Bearbeitung der Bearbeitungsort der Werkstückoberfläche liegt. Die Beleuchtungseinrichtung erzeugt einen Beleuchtungsstrahl und richtet den Beleuchtungsstrahl koaxial zum Bearbeitungsstrahl durch einen ersten Aperturbereich der Fokussieroptik auf die Bearbeitungsebene. Der Beleuchtungsstrahl weist dabei eine andere Wellenlänge bzw. andere Wellenlängen auf als der Bearbeitungsstrahl oder ist zumindest wesentlich breitbandiger als der Bearbeitungsstrahl. Die Beleuchtungseinrichtung besteht aus einer oder mehreren Lichtquellen, vor denen eine Optik zur Kollimierung oder Fokussierung sowie ggf. ein oder mehrere Strahlumlenkelemente angeordnet sein können. Die Beleuchtungseinrichtung sollte dabei vorzugsweise so ausgebildet sein, dass der Strahldurchmesser des Beleuchtungsstrahls in der Bearbeitungsebene um mindestens einen Faktor 2 größer als der Strahldurchmesser des Bearbeitungsstrahls in der Bearbeitungsebene ist. Der optische Detektor, bspw. eine CCD-Kamera, ist so angeordnet, dass er von der Bearbeitungsebene rückgestreute Beleuchtungsstrahlung durch die Fokussieroptik hindurch erfasst. Auch hier können entsprechende Umlenkelemente im Strahlengang der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung vorgesehen sein, durch die die rückgestreute Beleuchtungsstrahlung umgelenkt und auf die Detektionsfläche des optischen Detektors gerichtet wird. Unter der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung sind im Falle einer zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche auch die reflektierten Beleuchtungsstrahlanteile zu verstehen. Bei der vorgeschlagenen optischen Anordnung ist im Strahlengang der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung zwischen der Fokussieroptik und dem optischen Detektor ein Separationselement angeordnet, durch das der optische Detektor lediglich rückgestreute Beleuchtungsstrahlung aus einem zweiten Aperturbereich der Fokussieroptik erfasst, der außerhalb des ersten Aperturbereiches, beispielsweise eines zentralen Bereiches um die optische Achse der Fokussieroptik, liegt. Die Fokussieroptik trägt dabei eine V-Antireflex-Beschichtung für die Zentralwellenlänge des Bearbeitungsstrahls. Eine derartige V-Antireflex-Beschichtung für die Zentralwellenlänge des Bearbeitungsstrahls kann ggf. auch auf weiteren optischen Elementen im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls aufgebracht sein.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Überwachung der Laserbearbeitung einer Werkstückoberfläche wird somit ein Beleuchtungsstrahl erzeugt und koaxial zum Bearbeitungsstrahl durch einen ersten Bereich der mit der obigen V-Antireflex-Beschichtung versehenen Fokussieroptik auf die Bearbeitungsebene gerichtet, und von der Bearbeitungsebene rückgestreute Beleuchtungsstrahlung durch die Fokussieroptik hindurch mit einem optischen Detektor erfasst. Mit dem optischen Detektor wird dabei lediglich rückgestreute Beleuchtungsstrahlung aus einem zweiten Aperturbereich der Fokussieroptik erfasst, der außerhalb des ersten Aperturbereiches liegt, durch den der Beleuchtungsstrahl tritt.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Separation der freien Apertur der Fokussieroptik bzw. des Fokussierobjektivs für die Beleuchtung und die Beobachtung in Verbindung mit einer auf den Bearbeitungsstrahl abgestimmten V-Antireflex-Beschichtung. Die koaxiale Beleuchtung erfolgt mit einem Beleuchtungsstrahl, der lediglich in einem ersten Aperturbereich der Fokussieroptik koaxial zum Bearbeitungsstrahl durch die Fokussieroptik und eventuell weitere optische Elemente zwischen Fokussieroptik und Werkstückoberfläche hindurchtritt. Von dem optischen Detektor werden wiederum nur Strahlanteile der von der Werkstückoberfläche rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung erfasst, die auf dem Rückweg außerhalb dieses ersten Aperturbereiches durch die Fokussieroptik hindurch getreten sind. Auf diese Weise erfasst der Detektor nicht die durch den Beleuchtungsstrahlengang im ersten Aperturbereich an den optischen Elementen rückreflektierten Strahlanteile, die die Beobachtung stören würden. Für die optischen Elemente kann dadurch die Antireflexbeschichtung für den Bearbeitungsstrahl schmalbandig als so genannte V-Antireflex-Beschichtung (V-AR) ausgeführt und optimal auf die Bearbeitungswellenlänge abgestimmt werden. Beispielhafte Spezifikationen für derartige V-AR-Beschichtungen finden sich z. B. im Katalog Laseroptik der Firma LASER COMPONENTS GmbH, 10-05-Version3, auf den Seiten 16 bis 18. Eine Antireflexbeschichtung für die Beleuchtungswellenlänge(n) ist dann nicht mehr erforderlich. Die V-AR-Beschichtung ist so ausgelegt, dass sich für die Zentralwellenlänge der Bearbeitungsstrahlung bei einem Einfallswinkel von 0° ein Reflexionsgrad R < 1%, vorzugsweise R < 0,1% ergibt. Die Zentralwellenlänge der Bearbeitungsstrahlung liegt damit im Bereich des Minimums der Reflexionskurve der V-AR-Beschichtung, vorzugsweise genau im Minimum.
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Der Beleuchtungsstrahl wird bei der vorgeschlagenen optischen Anordnung und dem zugehörigen Verfahren vorzugsweise so ausgeführt, dass seine Strahlquerschnittsfläche beim Durchtritt durch die Fokussieroptik wenigstens um den Faktor 2 geringer als die Aperturquerschnittsfläche der Fokussieroptik ist. Dadurch lässt sich eine gute Separation der für die Beleuchtung erforderlichen Aperturfläche und der für die Erfassung der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung genutzten Aperturfläche durchführen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Beleuchtungseinrichtung so auf die Fokussieroptik abgestimmt, dass der Beleuchtungsstrahl durch die Fokussieroptik kollimiert wird. Die Beleuchtungseinrichtung erzeugt hierzu einen Zwischenfokus des Beleuchtungsstrahls im rückseitigen Brennpunkt der Fokussieroptik. Durch die kollimiert auf die Bearbeitungsebene auftreffende Beleuchtungsstrahlung wird eine optimale Beobachtung zur Prozessüberwachung ermöglicht.
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Die vorgeschlagene optische Anordnung ist vorzugsweise in einen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsanlage integriert. Die Laserquelle selbst kann entweder ebenfalls in den Bearbeitungskopf integriert oder an diesem angebracht werden. Der Bearbeitungsstrahl kann aber auch von außen eingekoppelt werden.
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Die Strahlführung mit dem Separationselement lässt sich bei der vorgeschlagenen optischen Anordnung und dem zugehörigen Verfahren in unterschiedlicher Weise durchführen. Grundsätzlich erfolgt die Strahlführung selbstverständlich so, dass der Bearbeitungsstrahl durch das Separationselement nicht behindert wird. Der Bearbeitungsstrahl kann hierzu über ein entsprechendes Einkoppelelement, bspw. zwischen dem Separationselement und der Fokussieroptik, auf die optische Achse der Fokussieroptik eingekoppelt werden. Dies kann bspw. mit einem dichroitischen Spiegel erfolgen, der für die Wellenlänge der Bearbeitungslaserstrahlung stark reflektierend ist, für den Wellenlängenbereich der Beleuchtungsstrahlung jedoch weitgehend transparent.
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In einer möglichen Ausgestaltung ist das Separationselement ein Spiegelelement, das die rückgestreute Beleuchtungsstrahlung außerhalb eines zentralen Bereiches um die optische Achse der Fokussieroptik für die Detektion umlenkt und einen zentralen Durchlass für den Durchtritt der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung aus dem zentralen Bereich aufweist. Der zentrale Bereich entspricht dabei dem ersten Aperturbereich, der Bereich außerhalb des zentralen Bereiches dem zweiten Aperturbereich. Durch dieses Loch in dem Spiegelelement kann auch der Beleuchtungsstrahl für die Beleuchtung der Werkstückoberfläche oder der Bearbeitungsstrahl geführt werden.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist das Separationselement ebenfalls ein Spiegelelement, dessen Parallelprojektion auf eine Ebene senkrecht zum Strahlengang der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung eine geringere Ausdehnung als die Apertur der Fokussieroptik aufweist und das nur die rückgestreute Beleuchtungsstrahlung aus dem zentralen Bereich als erstem Aperturbereich umlenkt. Die rückgestreute Beleuchtungsstrahlung außerhalb des zentralen Aperturbereichs passiert dieses Spiegelelement an den Seiten und trifft dann, ggf. nach Durchlaufen weiterer optischer Elemente, auf den optischen Detektor. Dieses Spiegelelement kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung Teil der Beleuchtungseinrichtung sein, so dass über dieses Spiegelelement die Beleuchtungsstrahlung durch die Fokussieroptik auf die Werkstückoberfläche gerichtet wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Separationselement ein Spiegelelement, das die Beleuchtungsstrahlung auf einen äußeren ringförmigen Bereich der Fokussieroptik als erstem Aperturbereich lenkt und einen zentralen Durchlass für den Durchtritt der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung aufweist, die durch den zentralen Bereich der Fokussieroptik als zweitem Aperturbereich hindurch getreten ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Separation verteilt auf eine Strahlformung in der Beleuchtungseinrichtung und eine Aperturblende beim optischen Detektor.
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Vorzugsweise ist im Strahlengang der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung hinter dem Separationselement eine reflektive oder transmissive Optik angeordnet, die die rückgestreute Beleuchtungsstrahlung kollimiert oder fokussiert, bevor sie auf die Detektionsfläche des optischen Detektors trifft. In einer Ausgestaltung ist hierbei das Separationselement als doppelseitiges Spiegelelement mit einer (in Parallelprojektion auf die Ebene senkrecht zum Strahlengang) geringeren Ausdehnung als die Apertur der Fokussieroptik ausgebildet, wie bereits vorangehend erläutert, so dass es auch auf der Rückseite reflektiert. Dabei ist im Strahlengang der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung hinter dem Spiegelelement eine reflektive Optik angeordnet, die die rückgestreute Beleuchtungsstrahlung kollimiert oder fokussiert und über eine Reflexion an der Rückseite dieses Spiegelelementes auf den optischen Detektor richtet. Das beidseitig reflektierende Spiegelelement kann somit in dieser Ausgestaltung drei Funktionen erfüllen, zum einen die Separation zwischen rückgestreuter Beleuchtungsstrahlung aus dem zentralen und dem äußeren Aperturbereich der Fokussieroptik, zum zweiten der Einkopplung des Beleuchtungsstrahls und zum dritten der Umlenkung der an der reflektiven Optik reflektierten rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung auf den optischen Detektor.
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Die reflektive oder transmissive Optik ist in den vorgenannten Ausgestaltungen vorzugsweise so auf die Fokussieroptik abgestimmt, dass die Fokussieroptik und die reflektive oder transmissive Optik ein optisches System bilden, durch das die Bearbeitungsebene auf die Detektionsfläche des optischen Detektors abgebildet wird. Dadurch lassen sich mit dem optischen Detektor scharfe Bilder der Werkstückoberfläche aufzeichnen.
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Das vorgeschlagene Verfahren beruht somit darauf, dass lediglich ein Anteil der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung erfasst wird, der durch einen außerhalb eines ersten Aperturbereiches liegenden Bereich der Fokussieroptik hindurch getreten ist. Der koaxiale Beleuchtungsstrahl tritt hingegen ausschließlich in diesem ersten Aperturbereich durch die Fokussieroptik, so dass die dadurch verursachten Rückreflexionen an den optischen Elementen vom optischen Detektor nicht erfasst werden. Die Fokussieroptik kann dadurch mit einer V-AR-Beschichtung versehen sein, die alleine auf die Zentralwellenlänge der Bearbeitungsstrahlung optimiert ist. Besondere Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich dabei aus den unterschiedlichen Ausgestaltungen und Anordnungen des Separationselementes der vorgeschlagenen optischen Anordnung, durch das diese Separation bei dem Verfahren erreicht werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorgeschlagene optische Anordnung und das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels der vorgeschlagenen optischen Anordnung;
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2 eine Teildarstellung der Anordnung aus 1, die nur die koaxiale Beleuchtung zeigt;
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3 eine Teildarstellung der Anordnung aus 1, die nur den Weg der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung zeigt; und
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4 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels der optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der vorgeschlagenen optischen Anordnung. Diese Anordnung umfasst ein Fokussierobjektiv 1, über das ein Laserstrahl 10 zur Bearbeitung eines Werkstücks auf die Werkstückoberfläche 2 fokussiert wird. Der Laserstrahl 10 wird in diesem Beispiel über einen dichroitischen Spiegel 3 auf die optische Achse des Fokussierobjektivs eingekoppelt. Der Laserstrahl 10 kann bspw. über eine Faser mit einer vorgeschalteten Kollimationsoptik an den dichroitischen Spiegel 3 herangeführt werden. Der Laserstrahl 10 kann auch direkt vom Laser frei propagierend auf den dichroitischen Spiegel 3 gerichtet werden. Ausgestaltungen von Laserstrahlquellen und eventuell nachgeschaltete Fasern und/oder Optiken sind dem Fachmann bekannt und in den vorliegenden Figuren nicht dargestellt.
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Koaxial zum Laser- bzw. Bearbeitungsstrahl 10 wird ein Beleuchtungsstrahl 20 auf der optischen Achse des Fokussierobjektivs 1 auf die Werkstückoberfläche 2 gerichtet. Dieser Beleuchtungsstrahl 20 passiert den dichroitischen Spiegel 3, der für die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung durchlässig ausgebildet ist. Als Beleuchtungsstrahlquelle können bspw. eine oder mehrere Laserdioden eingesetzt werden, die auf einer anderen Wellenlänge emittieren als der Bearbeitungslaser. Selbstverständlich sind auch breitbandigere Strahlquellen für die Beleuchtung möglich. Die Beleuchtungseinrichtung 25 zur Erzeugung des Beleuchtungsstrahls umfasst dabei die Beleuchtungsquelle sowie eine nicht dargestellte Optik zur Fokussierung der Beleuchtungsstrahlung auf einen Zwischenfokus, der im rückseitigen Brennpunkt des Fokussierobjektivs 1 liegt. Damit wird der Beleuchtungsstrahl 20 durch das Fokussierobjektiv 1 kollimiert. Der Beleuchtungsstrahl 20 wird hierbei über ein Spiegelelement 4 durch das Fokussierobjektiv 1 gerichtet. Das Spiegelelement 4 hat in der Ebene senkrecht zur optischen Achse des Fokussierobjektivs 1 eine geringere Ausdehnung als die Apertur des Fokussierobjektivs. Ein Teil des auf die Werkstückoberfläche auftreffenden Beleuchtungsstrahls wird von dieser reflektiert bzw. rückgestreut und tritt in entgegengesetzter Richtung wieder durch das Fokussierobjektiv 1 hindurch. Der Teil der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung, der durch den zentralen Aperturbereich (erster Aperturbereich) des Fokussierobjektivs 1 hindurchtritt, wird über das Spiegelelement 4 in Richtung der Beleuchtungseinrichtung 25 reflektiert. Der verbleibende Anteil, der durch den äußeren Bereich der Apertur des Fokussierobjektivs 1 (zweiter Aperturbereich) hindurchtritt, passiert das Spiegelelement 4 an den Seiten und trifft auf einen Parabolspiegel 6, der diese Strahlanteile über die Rückseite des Spiegelelementes 4, die ebenfalls reflektierend ausgebildet ist, auf die Detektionsfläche eines optischen Detektors 5 richtet. Der optische Detektor 5 erfasst diesen Anteil der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung für die Überwachung der Laserbearbeitung. Der optische Detektor 5 ist dabei vorzugsweise als CMOS-Kamera ausgebildet, durch die Bilder der Werkstückoberfläche im Bearbeitungsbereich aufgezeichnet werden. Durch Auswertung dieser Bilder können dann Rückschlüsse auf den Bearbeitungsprozess gezogen werden, bspw. auf die Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf mit der vorliegenden optischen Anordnung und dem Werkstück oder auf die Bearbeitungsqualität. Vorzugsweise ist hierbei der Parabolspiegel 6 so auf das Fokussierobjektiv 1 abgestimmt, dass die Werkstückoberfläche 2 durch dieses optische System scharf auf die Detektionsfläche 5 abgebildet wird. Selbstverständlich können auch zusätzliche optische Filter vor dem Detektor eingesetzt werden, um von der Werkstückoberfläche emittierte Sekundärstrahlung zu unterdrücken. Das Fokussierobjektiv 1 ist mit einer V-AR-Beschichtung versehen, die auf die Bearbeitungswellenlänge von in diesem Beispiel 1064 nm optimiert ist. Die V-AR-Beschichtung weist dabei das Minimum der V-förmigen Reflexionskurve bei 1064 nm auf.
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Das Spiegelelement 4 der optischen Anordnung der 1 dient als Separationselement zur Separation von Beleuchtung und Beobachtung über Aperturbereiche der Fokussieroptik 1. 2 zeigt hierzu zunächst lediglich den Strahlengang der Beleuchtungsstrahlung 20 von der Beleuchtungseinrichtung 25 zur Werkstückoberfläche 2. Der Bearbeitungsstrahl 20 tritt aufgrund seines kleinen Strahldurchmessers nur in einem kleinen zentralen Bereich durch die Apertur des Fokussierobjektivs 1. 3 zeigt wiederum lediglich den Strahlenverlauf der von der Werkstückoberfläche 2 rückreflektierten Beleuchtungsstrahlung 30. Die Strahlung fließt divergent in die Eintrittspupille des abbildenden Systems, propagiert durch den dichroitischen Spiegel 3 und wird dann durch das Spiegelelement 4 in zwei Strahlanteile 31, 32 separiert. Der Strahlanteil 31, der zentral durch die Fokussieroptik 1 getreten ist, wird durch das Spiegelelement 4 in Richtung der Beleuchtungseinrichtung 25 reflektiert und dadurch am Eintritt in den optischen Detektor 5 gehindert. Der äußere Strahlanteil 32 kann das Spiegelelement 4 seitlich passieren, trifft auf den konkaven Spiegel 6 und wird von diesem auf den optischen Detektor 5 fokussiert. Der Strahlengang des Beleuchtungsstrahls 20 zeichnet sich dabei durch die Nutzung des von der Beobachtung separierten Raumes (hier ein Zylinder um die optische Achse im Radius kleiner als die freie Apertur des Fokussierobjektivs) aus. Dieser Raum wird für die Strahlpropagation im Beobachtungsstrahlengang nicht benötigt und wird hier zur Einkopplung der Beleuchtungsstrahlung eingesetzt. Durch den Ausschluss des zentralen Bereiches von der Beobachtung wird verhindert, dass an der Fokussieroptik oder anderen optischen Elementen im Strahlengang zwischen Fokussieroptik und Werkstückoberfläche verursachte Reflexionen des Beleuchtungsstrahls auf den optischen Detektor treffen.
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4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der vorgeschlagenen optischen Anordnung. Auch bei dieser Anordnung wird der Laserstrahl 10 für die Bearbeitung über einen dichroitischen Spiegel 3 auf die optische Achse des Fokussierobjektivs 1 eingekoppelt. Der Beleuchtungsstrahl 20 wird in diesem Beispiel durch die Öffnung eines Scraperspiegels 4 auf direktem Weg durch das Fokussierobjektiv 1 auf die Werkstückoberfläche 2 gerichtet. Auch hier ist die gegenüber der Apertur des Fokussierobjektivs 1 geringe Strahlquerschnittsfläche des Beleuchtungsstrahls 20 zu erkennen. Die dann an der Werkstückoberfläche 2 rückgestreute Beleuchtungsstrahlung 30 trifft auf den Scraperspiegel 4 und wird von diesem über eine entsprechende Fokussieroptik 7 auf den optischen Detektor 5 gerichtet. Die zentralen Anteile der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung werden dabei nicht auf den Detektor gelenkt, sondern passieren den Scraperspiegel 4 durch die zentrale Öffnung. Auch in diesem Beispiel erfolgt somit eine Separation der freien Apertur des Fokussierobjektivs für die Beleuchtung und die Beobachtung. Bei dem Aufbau der 4 können Beleuchtungseinrichtung 25 und optischer Detektor 5 auch vertauscht werden, so dass der Beleuchtungsstrahl 20 über den Scraperspiegel 4 eingekoppelt wird und die Detektion durch die zentrale Öffnung des Scraperspiegels 4 hindurch erfolgt.
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Selbstverständlich lassen sich in die einzelnen Strahlengänge auch zusätzliche Umlenkelemente oder andere optische Elemente einbringen, falls dies für den Aufbau der Anordnung oder für die Anwendung erforderlich ist. Weiterhin ist es auch möglich, den Bearbeitungslaserstrahl 10 im Falle der 4 ebenfalls durch die Öffnung des Scraperspiegels 4 einzukoppeln, wobei dann der dichroitische Spiegel 3 an entsprechender Stelle zwischen der Beleuchtungseinrichtung 25 und dem Scraperspiegel 4 angeordnet ist. Weiterhin ist es möglich, den Beleuchtungsstrahl 20 erst zwischen dem Spiegelelement 4 und dem Fokussierobjektiv 1 über einen teildurchlässigen Spiegel einzukoppeln, falls die dadurch erzeugten Verluste an eingekoppelter Beleuchtungsstrahlung und rückgestreuter Beleuchtungsstrahlung tolerierbar sind.
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Mit der vorgeschlagenen Anordnung können somit die Fokussieroptik sowie ggf. weitere vorhandene optische Elemente zwischen der Fokussieroptik und der Bearbeitungsebene bzw. Werkstückoberfläche mit einer für die Wellenlänge der Bearbeitungslaserstrahlung optimierten Antireflexbeschichtung versehen werden. Eine Antireflexbeschichtung für die Beleuchtungswellenlänge(n) ist nicht mehr erforderlich, da unerwünschte Rückreflexionen der Beleuchtungsstrahlung an diesen optischen Elementen nicht mehr auf den optischen Detektor treffen.
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Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fokussierobjektiv
- 2
- Werkstückoberfläche bzw. Bearbeitungsebene
- 3
- dichroitischer Spiegel
- 4
- Spiegelelement als Separationselement
- 5
- optischer Detektor
- 6
- Parabolspiegel
- 7
- Fokussieroptik
- 10
- Bearbeitungslaserstrahl
- 20
- Beleuchtungsstrahl
- 25
- Beleuchtungseinrichtung
- 30
- rückgestreute Beleuchtungsstrahlung
- 31
- zentraler Anteil der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung
- 32
- äußerer Anteil der rückgestreuten Beleuchtungsstrahlung
