DE102019002942A1

DE102019002942A1 - Messvorrichtung und Verfahren zur Durchführung optischer Kohärenztomographie mit einem Kohärenztomographen

Info

Publication number: DE102019002942A1
Application number: DE102019002942.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Truckenbrodt; Eckhard Lessmüller; Maximilian Schmidt
Original assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Current assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2039-04-25
Also published as: DE102019002942B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, insbesondere für ein Bearbeitungssystem (12, 12') zum Bearbeiten eines Werkstücks (14, 14') mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (16, 16'), wobei die Messvorrichtung (10, 10') einen optischen Kohärenztomographen (18, 18') aufweist, der umfasst: eine Strahlerzeugungseinheit (20, 20') zur Erzeugung eines Messstrahls (22, 22') und eines Referenzstrahls (24, 24'); einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit (20, 20') erstreckenden Messarm (26, 26'), in dem der Messstrahl (22, 22') optisch führbar ist, sodass dieser auf ein Messobjekt (28, 28') projizierbar ist; und einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit (20, 20') erstreckenden Referenzarm (30, 30'), in dem der Referenzstrahl (24, 24') optisch führbar ist und der den Messarm (26, 26') zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet, sodass der Messstrahl (22, 22') und der Referenzstrahl (24, 24') nach Durchlaufen des Messarms (26, 26') bzw. des Referenzarms (30, 30') zur Erzeugung eines Interferenzsignals überlagert werden können. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Messarm (26, 26') und der Referenzarm (30, 30') zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen optischen Faser (32, 32') verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, insbesondere für ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, wobei die Messvorrichtung einen optischen Kohärenztomographen aufweist.
Optische Kohärenztomographen umfassen üblicherweise eine Strahlerzeugungseinheit zur Erzeugung eines Messstrahls und eines Referenzstrahls. Ferner weisen derartige optische Kohärenztomographen einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit erstreckenden Messarm, in dem der Messstrahl optisch führbar ist, sodass dieser auf ein Messobjekt projizierbar ist, und einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit erstreckenden Referenzarm auf, in dem der Referenzstrahl optisch führbar ist und der den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet, sodass der Messstrahl und der Referenzstrahl nach Durchlaufen des Messarms bzw. des Referenzarms zur Erzeugung eines Interferenzsignals überlagert werden können.
Zudem sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls bekannt, die beispielsweise bei Lasermaterialbearbeitungsprozessen Anwendung finden. Hierbei wird etwa ein hochenergetischer Laserbearbeitungsstrahls verwendet, um auf ein oder mehrere Werkstücke oder Werkstückteile einzuwirken, beispielsweise um diese miteinander zu verschweißen, Laserbohrungen einzubringen, Oberflächen zu bearbeiten etc. Die Vorrichtung kann dabei einen bewegbaren Bearbeitungskopf umfassen, der zum Beispiel von einem Industrieroboter getragen und relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück bewegbar sein kann. Derartige Vorrichtungen verfügen zudem über eine Bearbeitungsstrahloptik, mittels derer der Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück optisch führbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Werkstück relativ zu dem Bearbeitungskopf bewegbar sein.
In entsprechenden Bearbeitungssystemen kann ein optischer Kohärenztomograph zum Einsatz kommen, dessen Messstrahl in die Bearbeitungsstrahloptik einkoppelbar ist. Hierdurch können die Bearbeitungsprozesse dreidimensional überwacht werden, indem zusätzlich zu einer üblichen zweidimensionalen Überwachung mittels Kameras oder dergleichen der Kohärenztomograph eingesetzt wird, um Höheninformationen während des Bearbeitungsprozesses zu erhalten, die beispielsweise eine Oberfläche des Werkstücks oder eine Tiefe eines beim Laserschweißen erzeugten Keyholes betreffen.
In diesem Fall kann es erforderlich sein, die optische Weglänge des Referenzarms an Änderungen der optischen Weglänge des Messarms anzupassen, beispielsweise wenn sich die optische Weglänge des Messarms aufgrund dessen ändert, dass sich der Abstand zwischen Bearbeitungsstrahloptik und dem bearbeiteten Werkstück ändert. Ebenso kann eine Dispersionsanpassung sinnvoll sein, um Dispersionsunterschieden zwischen Referenzarm und Messarm Rechnung zu tragen. Bezüglich solcher Anpassungen des Referenzarms wird beispielsweise auf die Dokumente DE 10 2013 008 269 A1 und DE 10 2015 015 112 A1 verwiesen.
Um einen hohen Grad an Genauigkeit der mit dem optischen Kohärenztomographen durchgeführten Messungen zu erzielen, ist es grundsätzlich zielführend, die optischen Eigenschaften des Referenzarms und des Messarms einander möglichst genau anzugleichen, da andernfalls unerwünschte Laufzeitunterschiede und/oder Dispersionsunterschiede zwischen Messarm und Referenzarm auftreten können. Ein solches optisches Angleichen stellt jedoch in der Praxis eine große Herausforderung dar, da Referenzarm und Messarm unterschiedlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt sein können. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich der Referenzarm in einem ortsfesten Teil des optischen Kohärenztomographen befindet, ein Teil des Messarms jedoch zu einem bewegbaren Bearbeitungskopf oder dergleichen geführt ist und sich ggf. mit einem Roboterarm mitbewegt.
In DE 10 2017 001 353 A1 wird ein Temperaturmesskabel vorgeschlagen, das parallel zu einer optischen Faser des Messarms geführt ist, um Temperatureinflüsse auf den Messarm möglichst genau abschätzen zu können. Dabei ist ein längenverstellbarer Referenzarm in einem ortsfesten Teil des entsprechenden optischen Kohärenztomographen angeordnet, der Messarm hingegen zu einem bewegbaren Bearbeitungskopf geführt. Die gewonnenen Temperaturmesswerte werden sodann verwendet, um einen Temperaturausgleich durchzuführen. Das entsprechende Ausgleichsverfahren ist jedoch aufwendig. Zudem kann eine Anpassung trotz der zusätzlichen Temperaturmessung lediglich näherungsweise erfolgen.
Ein anderer Ansatz, wie ihn DE 10 2014 216 829 A1 beschreibt, sieht vor, eine optische Faser des Referenzarms und eine optische Faser des Messarms in engem thermischen Kontakt zu verlegen, sodass sich Umwelteinflüsse auf beide Fasern näherungsweise in derselben Weise ausüben. Werden hierbei die Fasern bewegt, beispielsweise aufgrund der Verlagerung eines Bearbeitungskopfes, zu dem die Fasern hinführen, kann jedoch nicht sichergestellt werden, dass die Fasern tatsächlich identischen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Bereits geringfügige Unterschiede zwischen auf die Fasern wirkenden Kräften, die etwa zu einer Biegung, Stauchung, Dehnung oder Torsion der Fasern führen, können sich allerdings erheblich auf deren optische Eigenschaften auswirken. Dadurch können Abweichungen zwischen Referenzarm und Messarm entstehen, obwohl diese in engem Kontakt geführt werden.
Ausgehend vom oben beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, Messarm und Referenzarm eines optischen Kohärenztomographen in einfacher und zuverlässiger Weise hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften aufeinander abzustimmen und insbesondere einen Einfluss von äußeren Bedingungen auf Messergebnisse zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung geht aus von einer Messvorrichtung der eingangs beschriebenen Art. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Messarm und der Referenzarm zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen optischen Faser verlaufen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Durchführung optischer Kohärenztomographie mit einem Kohärenztomographen, insbesondere zur Überwachung einer Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls. Bei dem optischen Kohärenztomographen kann es sich um den optischen Kohärenztomographen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:

- Erzeugen eines Messstrahls und eines Referenzstrahls mittels einer Lichtquelle des optischen Kohärenztomographen;
- optisches Führen des Messstrahls in einem Messarm derart, dass der Messstrahl auf ein Messobjekt projiziert wird; und
- optisches Führen des Referenzstrahls in einem Referenzarm, der den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet, sodass der Messstrahl und der

Referenzstrahl nach Durchlaufen des Messarms bzw. des Referenzarms zur Erzeugung eines Interferenzsignals überlagert werden können.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Messstrahl und der Referenzstrahl zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen optischen Faser optisch geführt werden.
Die Erfindung ermöglicht es, die Auswirkung äußerer Einflüsse wie beispielsweise einer Umgebungstemperatur oder einer mechanischen Belastung auf Komponenten auf die Messergebnisse eines optischen Kohärenztomographen zu reduzieren. Dies wird erfindungsgemäß insbesondere dadurch erreicht, dass sich äußere Einflüsse gleichermaßen auf den Referenzarms und den Messarm auswirken. Ferner kann ein optischer Kohärenztomograph bereitgestellt werden, der mit einer einzelnen optischen Faser zur Ausbildung des Referenzarms und des Messarms versehen ist, sodass andernfalls auftretende Abweichungen zwischen optischen Fasern vermieden werden können. Darüber hinaus kann auf aufwändige Verfahren zur Kompensation von auftretenden Abweichungen zwischen den optischen Eigenschaften des Messarms und des Referenzarms zumindest weitgehend verzichtet werden, da deren optische Eigenschaften aufgrund der gemeinsamen optischen Faser im Wesentlichen identisch sind.
Der Referenzarm kann den Messarm auch bezüglich seiner Dispersion im Wesentlichen nachbilden.
Der Messstrahl kann über eine Ablenkeinrichtung ablenkbar sein. Die Ablenkeinrichtung kann dabei beweglich sein. Hierbei kann es sich um eine Ablenkeinrichtung eines Bearbeitungskopfes des genannten Bearbeitungssystems handeln.
Die Strahlerzeugungseinheit kann einen Strahlteiler umfassen, der einen von der Lichtquelle kommenden Quellstrahl in den Messstrahl und den Referenzstrahl teilt. Der Strahlteiler kann den Quellstrahl in einem geeigneten Verhältnis in den Referenzstrahl bzw. den Messstrahl aufteilen. Aufgrund oftmals unvollständige Reflexion des Messstrahls am Messobjekt ist es hierbei zweckmäßig, dass ein größerer Teil des Quellstrahl auf den Messstrahl entfällt. Der Lichtweg, über den der Quellstrahl zu dem Strahlteiler führbar ist, ist in diesem Fall weder dem Referenzarm noch dem Messarm zuzuschlagen. Vielmehr erstrecken sich sowohl der Referenzarm als auch der Messarm insbesondere ausgehend von dem Strahlteiler. Vorzugsweise ist die Lichtquelle in einem ortsfesten Teil des optischen Kohärenztomographen angeordnet.
Dieser ortsfeste Teil kann zudem ein Spektrometer und/oder einen Zirkulator umfassen. Somit kann vorgesehen sein, dass der ortsfeste Teil des optischen Kohärenztomographen einen OCT-Sensor bildet.
Die gemeinsame optische Faser kann eine einzige gemeinsame optische Faser sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch mehrere gemeinsame optische Fasern vorgesehen sein, die beispielsweise in Reihe derart angeordnet sind, dass diese gemeinsam den optischen Weg des Referenzarms und des Messarms zumindest abschnittsweise definieren. Die zumindest eine gemeinsame optische Faser kann einen Großteil der Gesamtlänge des optischen Wegs des Referenzarms und/oder des Messarms umfassen. Die gemeinsame optische Faser kann gemäß einer Ausführungsform von einem ortsfesten Teil des optischen Kohärenztomographen zu dem Bearbeitungskopf führen. Ist der Bearbeitungskopf bewegbar ausgebildet, kann dessen Bewegung zu einer mechanischen Beanspruchung der optischen Faser führen, beispielsweise wenn diese aufgrund der Bewegung des Bearbeitungskopfes gekrümmt, gedehnt, gestaucht und/oder tordiert wird, wobei sich diese Bewegung der optischen Faser erfindungsgemäß gleichsam auf den Referenzarms und den Messarm auswirkt. Die optischen Eigenschaften des Referenzarms und des Messarms werden somit in gleicher Weise verändert, wenn die gemeinsame optische Faser einer mechanischen Belastung ausgesetzt ist. Selbiges gilt analog für andere äußere Einflüsse, wie beispielsweise für die Auswirkung einer Umgebungstemperatur auf den Referenzarm und den Messarm bzw. auf die gemeinsame optische Faser.
Ein zuverlässiger optischer Aufbau, der ein gemeinsames optisches Führen des Referenzstrahls und des Messstrahls in der gemeinsamen optischen Faser erlaubt, kann insbesondere dann bereitgestellt werden, wenn der optische Kohärenztomographen einen polarisierenden Strahlkombinierer umfasst, der derart angeordnet ist, dass der Messstrahl und der Referenzstrahl mit unterschiedlicher Polarisation in die gemeinsame Faser eingekoppelt werden. Der polarisierende Strahlkombinierer kann von der Strahlerzeugungseinheit aus betrachtet an einem proximalen Ende der gemeinsamen optischen Faser angeordnet sein. Insbesondere verlassen der Referenzstrahl und/oder der Messstrahl den Strahlteiler linear polarisiert. Der polarisierende Strahlkombinierer kann derart ausgebildet sein, dass er die Polarisationsrichtung des Messstrahls und/oder des Referenzstrahls verändert. Ferner kann der polarisierende Strahlkombinierer die Funktionen eines polarisierenden Strahlteilers übernehmen, wenn Referenzstrahl und Messstrahl durch die gemeinsame optische Faser zurücklaufen. Werden der Messstrahl und der Referenzstrahl in der gemeinsamen optischen Faser mit unterschiedlicher Polarisation geführt, kann deren Wechselwirkung innerhalb der gemeinsamen optischen Faser vorteilhaft reduziert werden, sodass das gemeinsame optische Führen in der gemeinsamen optischen Faser nicht zu fehlerhaften Messergebnissen führt.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der polarisierende Strahlteiler derart eingerichtet ist, dass die Polarisation des Messstrahls und die Polarisation des Referenzstrahls in der gemeinsamen optischen Faser um 90° zueinander verdreht sind. Insbesondere können der Messstrahl bzw. der Referenzstrahl bezüglich des Strahlteilers senkrecht bzw. parallel oder parallel bzw. senkrecht polarisiert sein. Hierdurch können der Referenzstrahl und der Messstrahl in zuverlässiger und leicht nachvollziehbarer Weise unabhängig voneinander in der gemeinsamen optischen Faser geführt werden.
Ungewollte Interferenz zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl in der gemeinsamen optischen Faser kann insbesondere dann in einfacher und zuverlässiger Weise vermieden oder zumindest reduziert werden, wenn sich ein optischer Weg des Referenzarms und ein optischer Weg des Messarms von der Strahlerzeugungseinheit zu der gemeinsamen Faser um einen Betrag unterscheiden, der größer als der Arbeitsbereich des Kohärenztomographen ist. Der Unterschied der optischen Wege kann sich um einen Betrag unterscheiden, der größer ist als die Kohärenzlänge des Referenzstrahls und des Messstrahls. Der Messstrahl und der Referenzstrahl laufen dann mit einem Wegunterschied in der gemeinsamen optischen Faser, der bewerkstelligt, dass die später zur Interferenz gebrachten Strahlkomponenten sich nicht bereits in der gemeinsamen optischen Faser überlagern.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Referenzarm ein zumindest teilreflektierendes Element umfasst, das den Referenzstrahl nach Durchlaufen der gemeinsamen optischen Faser wieder durch die gemeinsame optische Faser zurückschickt. Der Referenzstrahl kann somit die gemeinsame optische Faser zweimal durchlaufen. Hierdurch können die optischen Eigenschaften von Referenzarm und Messarm einander weiter angeglichen werden, da der Messstrahl üblicherweise ebenfalls durch die gemeinsame optische Faser zurückläuft.
Zudem kann erfindungsgemäß zwischen einem Ende der gemeinsamen Faser und dem zumindest teilreflektierenden Element ein polarisierender Strahlteiler angeordnet sein. Bei dem Ende kann es sich um das von der Strahlerzeugungseinheit aus betrachtet distale Ende des gemeinsamen Faser handeln. Ein erster Ausgang des polarisierenden Strahlteilers kann dazu eingerichtet sein, den Messstrahl in Richtung des Messobjekts auszukoppeln, beispielsweise über einen OCT-Scanner. Ein zweiter Ausgang des polarisierenden Strahlteilers kann dazu eingerichtet sein, den Referenzstrahl in Richtung des zumindest teilreflektierenden Elements auszukoppeln. Der polarisierende Strahlteiler kann zudem für den am zumindest teilreflektierenden Element reflektierten Referenzstrahl und den am Messobjekt reflektierten Messstrahl die Funktionen eines polarisierenden Strahlkombinierers übernehmen, sodass Messstrahl und Referenzstrahl mit unterschiedlicher Polarisation durch die gemeinsame Faser zurücklaufen. Im Ergebnis können der Messstrahl und der Referenzstrahl die optische Faser jeweils zweimal durchlaufen, benutzen also die Faser gemeinsam, bleiben aber durch ihre unterschiedliche Polarisationsrichtung physikalisch unterschieden und somit wieder vollständig trennbar.
In einer alternativen Ausführungsform kann das zumindest teilreflektierende Element unmittelbar an einem Ende der gemeinsamen Faser angeordnet sein, wodurch ein einfacher Aufbau erzielt werden kann. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn sich wie beschrieben die optischen Wege von Referenzarm und Messarm um einen Betrag unterscheiden, der größer als der Arbeitsbereich des Kohärenztomographen ist. Vorzugsweise kommt hierbei ein teilreflektierendes Element zum Einsatz, das für den Referenzstrahl beispielsweise lediglich bis zu 5 %, bis zu 10 %, bis zu 15 % oder bis zu 20 % bezogen auf eine Intensität reflektierend ist.
Das zumindest teilreflektierende Element kann in besonders einfach Weise erzeugt werden, indem es durch einen geraden Schliff des Endes der gemeinsamen Faser gebildet ist. Die optischen Eigenschaften des zumindest teilreflektierenden Elements können zudem präzise und anwendungsspezifisch angepasst werden, wenn das zumindest teilreflektierende Element alternativ oder zusätzlich durch eine Beschichtung des Endes der gemeinsamen Faser gebildet ist. Die Beschichtung kann eine Beschichtung mit einer Schichtdicke im Nanometerbereich umfassen, die etwa durch Aufdampfen oder Sputtern erzeugt ist. In Abhängigkeit vom zu reflektierenden Wellenlängenbereich kommen Metalle wie beispielsweise Silber, Aluminium, Gold etc. oder auch Dielektrika infrage, etwa zur Erzeugung von Bragg-Spiegeln.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der optische Kohärenztomograph eine Weglängeneinstellvorrichtung mit einem zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen verlagerbaren Einstellelement, dessen Verlagerung eine Änderung der optischen Weglänge des Referenzarms und/oder des Messarms bewirkt. Hierdurch können die optischen Weglängen des Referenzarms und des Messarms in einfacher und zuverlässiger Weise aufeinander abgestimmt werden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Einstellelement einen Spiegel umfasst. Zudem kann das Einstellelement eine Sammellinse umfassen, in deren Brennpunkt der Spiegel angeordnet ist. Spiegel und Sammellinse können dann gemeinsam zwischen Einstellpositionen bewegt werden, sodass es zur Weglängenverstellung nicht erforderlich ist, ein Faserende zu bewegen. Hierdurch wird eine hohe Zuverlässigkeit des zugrundeliegenden optischen Aufbaus erzielt. Zudem können ein großer Verstellbereich und eine große Verstellgeschwindigkeit erzielt werden, da die Verlagerung des Spiegels um eine bestimmte Strecke eine Weglängenänderung von doppeltem Umfang bewirken kann. Zudem kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein auf den Spiegel zulaufender Strahl an einer anderen Stelle durch die Sammellinse hindurchtritt als ein von dem Spiegel weglaufender Strahl. Beispielsweise können die Strahlen auf gegenüberliegenden Seiten einer Mittelachse der Sammellinse geführt werden. Alternativ können die Strahlen koaxial geführt sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Weglängeneinstellvorrichtung eine Verzögerungsplatte umfasst, insbesondere ein λ/4-Plättchen. Insbesondere in Kombination mit einem einen Spiegel umfassenden Einstellelement kann hierdurch ein zuverlässiger optischer Aufbau der Weglängeneinstellvorrichtung erzielt werden, der es erlaubt, die Weglängeneinstellvorrichtung an unterschiedlichen geeigneten Positionen im optischen Aufbau des optischen Kohärenztomographen anzuordnen. Die Weglängeneinstellvorrichtung kann einen polarisierenden Strahlkombinierer umfassen, hinter dessen kombinierendem Ende die Verzögerungsplatte und bevorzugt auch der Spiegel angeordnet sind. Es kann hierdurch auf ein bewegtes Faserende verzichtet werden, wobei zugleich die Polarisation des Strahls, der die Weglängeneinstellvorrichtung durchläuft, in vorteilhafter Weise derart beim Durchlaufen der Weglängeneinstellvorrichtung beeinflusst wird, dass die beim Eintritt in die Weglängeneinstellvorrichtung vorhandene Polarisation der Polarisation beim Austritt entspricht.
Die Erfindung betrifft ferner ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, das eine Bearbeitungsstrahlquelle, eine Bearbeitungsstrahloptik und eine erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst, wobei der Messstrahl derart in dem Messarm optisch führbar ist, dass der Messstrahl in den Bearbeitungsstrahl einkoppelbar und über die Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück projizierbar ist.
Das Bearbeitungssystem kann einen Bearbeitungskopf umfassen, wobei die gemeinsame optische Faser von dem ortsfesten Teil der Messvorrichtung zu dem Bearbeitungskopf führt. Der Bearbeitungskopf kann relativ zu dem Werkstück verlagerbar sein. Beispielsweise kann der Bearbeitungskopf hierfür auf einem Roboterarm angeordnet oder anderweitig verlagerbar sein. Aufgrund einer entsprechenden Bewegung erzeugte auf die gemeinsame optische Faser wirkende Kräfte wirken sich daher ebenso wie sämtliche andere Umwelteinflüsse in gleicher Weise auf den Referenzarm und den Messarm aus, da diese beide durch die gemeinsame Faser verlaufen.
Es versteht sich, dass der Gegenstand der Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die im Zusammenhang mit Weiterbildungen der Erfindung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale können vom Fachmann beliebig kombiniert werden, ohne dabei vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen, wie ihn die unabhängigen Ansprüche festlegen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:

1 ein erfindungsgemäßes Bearbeitungssystem mit einer Messvorrichtung in einer schematischen Darstellung;
2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bearbeitungssystem mit einer Messvorrichtung in einer schematischen Darstellung;
3 eine schematische Darstellung einer ersten Weglängeneinstellvorrichtung, die erfindungsgemäß verwendet werden kann; und
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Weglängeneinstellvorrichtung, die erfindungsgemäß verwendet werden kann.

Im Folgenden werden mehrere Aspekte der Erfindung dargestellt. Hierbei werden unterschiedliche Ansätze zum gemeinsamen optischen Führen von Referenzstrahl und Messstrahl in einer gemeinsamen optischen Faser dargestellt. Zudem werden unterschiedliche Weglängeneinstellvorrichtungen beschrieben. Der Fachmann wird die beschriebenen Ausführungsformen auch anders als dargestellt kombinieren, sofern dies zweckmäßig erscheint. In den Ausführungsbeispielen werden Messvorrichtung gezeigt, die in Laserbearbeitungssystemen eingesetzt werden. Die gezeigten Messvorrichtungen eignen sich jedoch auch zum Einsatz in anderen Bereichen, sodass die Ausgestaltung als Teil eines Laserbearbeitungssystems als beispielhaft zu verstehen ist.
1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bearbeitungssystems 12. Das Bearbeitungssystem 12 ist zum Bearbeiten eines Werkstücks 14 mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 16 eingerichtet. Das Bearbeitungssystem 12 umfasst hierfür eine Bearbeitungsstrahlquelle 48. Im dargestellten Fall umfasst die Bearbeitungsstrahlquelle 48 einen Laser zur Erzeugung eines Laserstrahls als Bearbeitungsstrahl 16, der beispielsweise zum Laserschweißen eingesetzt werden kann. Ferner umfasst das Bearbeitungssystem 12 eine Bearbeitungsstrahloptik 50, mittels derer der Bearbeitungsstrahl 16 auf das Werkstück 14 gerichtet werden kann. Die Bearbeitungsstrahloptik 50 ist in einem Bearbeitungskopf 54 des Bearbeitungssystems 12 angeordnet, der lediglich schematisch angedeutet ist. Der Bearbeitungskopf 54 ist im dargestellten Fall auf einem Industrieroboter angeordnet, mittels dessen der Bearbeitungskopf 54 relativ zu dem Werkstück 14 bewegbar ist. Durch Bewegung des Bearbeitungskopfes 54 und geeignetes Einstellen der Bearbeitungsstrahloptik 50 kann somit ein Zielbereich des Werkstücks 14 bearbeitet werden.
Das Bearbeitungssystem 12 umfasst eine Messvorrichtung 10, die einen optischen Kohärenztomographen 18 aufweist. Der optische Kohärenztomograph 18 umfasst eine Strahlerzeugungseinheit 20 mit einer Lichtquelle 56 zur Erzeugung eines Messstrahls 22 und eines Referenzstrahls 24. Die Lichtquelle 56 ist in einem ortsfesten Teil 52 des optischen Kohärenztomographen 18 angeordnet, der auch als OCT-Sensor bezeichnet werden kann. Der ortsfeste Teil 52 des optischen Kohärenztomographen 18 umfasst ferner ein Spektrometer 58 zur Auswertung von erhaltenen Messsignalen in bekannter Weise, die durch Überlagerung von Messstrahl 22 und Referenzstrahl 24 erzeugt werden. Ferner umfasst der ortsfeste Teil 52 einen Zirkulator 60, an den die Lichtquelle 56 und das Spektrometer 58 angeschlossen sind.
Die Strahlerzeugungseinheit 20 umfasst des Weiteren einen Strahlteiler 62, der über eine optische Quellstrahlfaser 64 an den Zirkulator 60 angeschlossen und somit mit der Lichtquelle 56 verbunden ist. Die Lichtquelle 56 erzeugt einen Quellstrahl, aus dem der Strahlteiler 62 den Messstrahl 22 und den Referenzstrahl 24 erzeugt. Ferner führt die Quellstrahlfaser 64 den Messstrahl 22 und den Referenzstrahl 24 vom Strahlteiler 62 zum Zirkulator 60 und somit zum Spektrometer 58 zurück.
Ferner umfasst der optische Kohärenztomograph 18 einen Messarm 26, in dem der Messstrahl 22 derart optisch führbar ist, dass dieser in den Bearbeitungsstrahl 16 einkoppelbar ist, sodass der Messstrahl 22 über die Bearbeitungsstrahloptik 50 auf das Werkstück 14 projizierbar ist. Im Messarm 26 ist eine bewegbare Ablenkeinrichtung 66 angeordnet, mittels derer der Messstrahl 22 derart ablenkbar ist, dass dieser innerhalb eines Nahbereichs eines Auftreffpunkts des Bearbeitungsstrahls 16 auf dem Werkstück 14 führbar ist, wodurch der Messstrahl 22 beispielsweise in ein bei der Bearbeitung entstehendes Keyhole und/oder unmittelbar auf den Auftreffpunkt des Bearbeitungsstrahls 16 auf dem Werkstück 14 gerichtet werden kann. Auch Messungen vor, neben oder hinter dem jeweiligen Bearbeitungsbereich sind durch Verlagerung des Auftreffpunkts des Messstrahls 22 möglich. Der Messstrahl 22 wird im Betrieb an dem Werkstück 14 reflektiert und gelangt somit über den Messarm 26 zurück zu dem ortsfesten Teil 52 des optischen Kohärenztomographen 18. Das Werkstück 14 bildet im gezeigten Fall ein Messobjekt 28.
Der optische Kohärenztomograph 18 umfasst zudem einen Referenzarm 30, in dem der Referenzstrahl 24 optisch führbar ist und der zur Überwachung des Bearbeitungssystems 12 mittels des Messstrahls 22 den Messarm 26 zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet.
Außerdem umfasst der optische Kohärenztomographen 18 eine gemeinsame optische Faser 32, in der sowohl der Messarm 26 als auch der Referenzarm 30 abschnittsweise verlaufen. Beim Betrieb des optischen Kohärenztomographen 18 werden sowohl der Messstrahl 22 als auch der Referenzstrahl 24 in der gemeinsamen optischen Faser 32 optisch geführt. Die gemeinsame optische Faser 32 führt von dem ortsfesten Teil 52 zu dem Bearbeitungskopf 54. Somit werden sowohl der Messarm 26 als auch der Referenzarm 30 über eine einzelne Faser zu dem Bearbeitungskopf 54 geführt, sodass Messarm 26 und Referenzarm 30 zumindest im Bereich der gemeinsamen optischen Faser 32, die einen Großteil des Messarms 26 und des Referenzarms 30 ausbildet, identischen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.
Im Folgenden wird des Öfteren auf polarisierende Strahlkombinierer (PBC) und polarisierende Strahlteiler (PBS) Bezug genommen. Entsprechenden Begriffe beziehen sich dabei üblicherweise auf einen optischen Weg, der von der Strahlerzeugungseinheit 20 ausgeht. Der Fachmann wird verstehen, dass ein für eine bestimmte optische Richtung als Strahlkombinierer bzw. Strahlteiler bezeichnetes Bauteil in umgekehrter optischer Richtung die Funktion eines Strahlteilers bzw. Strahlkombinierers übernehmen kann. Polarisationsrichtungen sind zudem in 1 durch kleine Pfeile veranschaulicht.
Der optische Kohärenztomographen 18 umfasst einen polarisierenden Strahlkombinierer 34, der über optische Fasern mit dem Strahlteiler 62 verbunden ist und somit den Messstrahl 22 und den Referenzstrahl 24 kombiniert. Ein kombinierender Ausgang des polarisierenden Strahlkombinierers 34 ist mit einem ersten Ende der gemeinsamen optischen Faser 32 verbunden. Im dargestellten Fall ist ein von der Lichtquelle 56 erzeugter Quellstrahl linear polarisiert. Daher sind der Messstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 nach Durchlaufen des Strahlteilers 62 parallel zueinander polarisiert. Da der polarisierende Strahlkombinierer 34 die Polarisationsrichtung an einem Eingang dreht, werden der Messstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 mit unterschiedlicher Polarisation in die gemeinsame optische Faser eingekoppelt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Polarisationsrichtungen um 90° zueinander verdreht. Der Messstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 interferieren daher in der gemeinsamen optischen Faser innerhalb des optischen Pfads von dem ortsfesten Teil 52 zu dem Bearbeitungskopf 54 nicht in unerwünschter Weises.
Des Weiteren umfasst der optische Kohärenztomograph 18 einen polarisierenden Strahlteiler 38, der mit einem zweiten Ende der gemeinsamen optischen Faser 32 verbunden. Das zweite Ende der gemeinsamen optischen Faser 32 ist von der Strahlerzeugungseinheit 20 aus betrachtet ein distales Ende, wohingegen das erste Ende ein proximales Ende ist. Der polarisierende Strahlteiler 38 dreht wiederum die Polarisation eines der Strahlen 22, 24, im dargestellten Fall des Referenzstrahls 24, sodass der Messstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 den polarisierenden Strahlteiler 38 jetzt parallel zueinander polarisiert aber auf gentrennten Pfaden verlassen.
Ausgehend von einem ersten Ausgang des polarisierenden Strahlteilers 38 führt ein Abschnitt des Referenzarms 30 zu einem reflektierenden Element 36. Dieses schickt den Referenzstrahl 24 nach Durchlaufen der gemeinsamen optischen Faser 32 wieder durch die gemeinsame optische Faser 32 zurück. Der polarisierende Strahlteiler 38 dreht hierbei wiederum die Polarisation des zurücklaufenden Referenzstrahls, sodass dessen Polarisation in der gemeinsamen optischen Faser für beide Durchgangsrichtungen identisch ist.
Ausgehend von einem zweiten Ausgang des polarisierenden Strahlteilers 38 führt ein Abschnitt des Messarms 26 in bekannter Weise zu der Ablenkeinrichtung 66 und über die Bearbeitungsstrahloptik 50 zu dem Messobjekt 28. Von dort wird der Messstrahl 22 reflektiert und durch den polarisierenden Strahlteiler 38, der in umgekehrter Richtung als polarisierender Strahlkombinierer arbeitet, wieder mit dem Referenzstrahl 24 gemeinsam in die gemeinsame optische Faser 32 eingekoppelt, wobei wie erwähnt die Polarisation des Messstrahls 22 und des Referenzstrahls 24 auch beim Durchlaufen der gemeinsamen optischen Faser 32 in umgekehrter Richtung um 90° zueinander verdreht sind.
Der polarisierende Strahlkombinierer 34 übernimmt für die zurücklaufenden Strahlen 22, 24 sodann die Funktion eines polarisierenden Strahlteilers, sodass der Messstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 den polarisierenden Strahlkombinierer 34 auf dem Rückweg zum Strahlteiler 62 und zum Zirkulator 60 wieder parallel polarisiert, aber auf getrennten Wegen verlassen, wodurch die relevanten Strahlkomponenten erst im Spektrometer 38 zur Interferenz gebracht werden können, wohingegen diese nicht bereits in der gemeinsamen optischen Faser 32 in unerwünschter Weise interferieren.
Wie in 1 ferner zu erkennen ist, umfasst der optische Kohärenztomograph 18 eine Weglängeneinstellvorrichtung 40 mit einem zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen verlagerbaren Einstellelement, dessen Verlagerung eine Änderung der optischen Weglänge des Referenzarms 30 bewirkt. Wird eine optische Weglänge des Messarms 26 durch eine Bewegung des Bearbeitungskopfes 54 und/oder durch eine Verlagerung des Auftreffpunkts des Messstrahls 24 auf dem Messobjekt 28 verändert, kann mittels der Weglängeneinstellvorrichtung 40 die optische Weglänge des Referenzarms 30 entsprechend angepasst werden. Im dargestellten Fall umfasst die Weglängeneinstellvorrichtung 40 wenigstens zwei relativ zueinander bewegbare gegenüberliegende Linsen, mittels derer der Referenzstrahl 24 aus optischen Fasern aus- bzw. in diese einkoppelbar ist, die von dem Strahlteiler 62 zu der Weglängeneinstellvorrichtung 40 bzw. von der Weglängeneinstellvorrichtung 40 zu dem polarisierende Strahlkombinierer 34 führen. Das Einstellelement 42 umfasst dabei eine der gegenüberliegenden Linsen sowie ein im Brennpunkt der Linse angeordnetes Faserende. Die Weglängenverstellung kann durch Verlagerung des Einstellelements erfolgen, da der Messstrahl 24 zwischen den Linsen kollimiert geführt ist. Die Verlagerbarkeit des Einstellelements 42 ist in 1 durch einen großen Doppelpfeil angedeutet.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Bearbeitungssystems 12' mit einer Messvorrichtung 10' gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Bezugszeichen dieser weiteren Ausführungsform sind mit Hochkommata versehen. Bezugszeichen, die ohne Hochkomma bereits im vorhergehenden Ausführungsbeispiel vorkommen und mit Hochkomma in 2 ebenfalls vorhanden sind, bezeichnen die bereits im Zusammenhang mit dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel beschriebenen Komponenten des Bearbeitungssystems 12'. Bezüglich deren Beschreibung wird daher auf das vorhergehende Ausführungsbeispiel verwiesen. Im Folgenden werden hingegen überwiegend die abweichend ausgestalteten Komponenten beschrieben.
Die Messvorrichtung 10' umfasst einen optischen Kohärenztomographen 18', der ebenfalls über eine gemeinsame optische Faser 32' verfügt, die von einem ortsfesten Teil 52' des optischen Kohärenztomographen 18' zu einem Bearbeitungskopf 54' führt. Ein von einer Strahlerzeugungseinheit 20' erzeugter Messstrahl 22' und Referenzstrahl 24' werden gemeinsam optisch in der gemeinsamen optischen Faser 32' geführt, sodass ein Messarm 26' und ein Referenzarm 30' des optischen Kohärenztomographen 18' im Bereich der gemeinsamen optischen Faser 32' denselben Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.
Um eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen Strahlkomponenten des Messstrahls 22' und des Referenzstrahls 24' zu vermeiden, die erst im Spektrometer 58' zur Interferenz gebracht werden sollen, sieht die weitere Ausführungsform vor, dass sich ein optischer Weg des Referenzarms 30' und ein optischer Weg des Messarms 26' von der Strahlerzeugungseinheit 20' zu der gemeinsamen optischen Faser 32' um einen Betrag unterscheiden, der größer als der Arbeitsbereich des Kohärenztomographen 18' ist. Zudem kann gemäß der weiteren Ausführungsform auf polarisierende Strahlteiler bzw. polarisierende Strahlkombinierer verzichtet werden.
Gemäß der weiteren Ausführungsform ist ein proximales Ende der gemeinsamen optischen Faser 32' unmittelbar mit einem ersten Ausgang eines Strahlteiler 62' des optischen Kohärenztomographen 18' verbunden. Im dargestellten Fall handelt es sich um einen Ausgang des Strahlteilers 62', der einen größeren Intensitätsanteil eines entsprechenden Quellstrahls ausgibt. An einem distalen Ende der gemeinsamen optischen Faser 32' ist ein teilreflektierendes Element 36' angeordnet. Im dargestellten Fall handelt es sich dabei um ein gerade geschliffenes Faserende, das mit einem geeigneten Material wie beispielsweise Silber dampft ist, um die Reflexionseigenschaften in gewünschter Weise anzupassen. Am teilreflektierenden Element 36' wird ein Teil des durch die gemeinsame optische Faser 32' geführten Strahls reflektiert und als Referenzstrahl 24' zu dem Strahlteiler 62' zurückgeschickt. Ein durch das teilreflektierende Element 36' transmittierter Anteil des Strahls wird als Messstrahl 22' über eine Ablenkeinrichtung 66' zu einer Bearbeitungsstrahloptik 50' und auf das Messobjekt 28' geführt.
Der von dem teilreflektierenden Element 36' zurücklaufende Referenzstrahl 24' wird über das proximale Ende der gemeinsamen optischen Faser 32' in den Strahlteiler 62' zurückgeführt und läuft von einem gegenüberliegenden Ausgang des Strahlteiler 62' zu einer Weglängeneinstellvorrichtung 40'. Diese umfasst ein zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen verlagerbares Einstellelement 42', das neben einer Linse einen Spiegel 46' umfasst, der sich im Brennpunkt der Linse befindet. Durch verlagern dieses Einstellelements 42' kann die optische Weglänge des somit gebildeten Referenzarms 30' an eine veränderliche optische Weglänge des Messarms 26' angepasst werden. Die Verlagerbarkeit des Einstellelements 42' ist in 2 durch einen großen Doppelpfeil angedeutet. Dadurch, dass das Einstellelement 42' über einen Spiegel 46' verfügt, ist es gemäß der weiteren Ausführungsform nicht erforderlich, ein Faserende zu bewegen, wenn eine Weglänge mittels der Weglängeneinstellvorrichtung 40' eingestellt werden soll. Hingegen kann ein Faserende, aus dem zur Weglängeneinstellvorrichtung 40' ausgekoppelt werden soll, ortsfest und somit mechanisch zuverlässig verbaut werden.
Vom Spiegel 46' der Weglängeneinstellvorrichtung 40' wird der Referenzstrahl 24' zum Strahlteiler 62' zurückgeführt und tritt aus einem der gemeinsamen optischen Faser 32' benachbarten Anschluss des Strahlteilers 62' aus, der zu einem weiteren Spiegel 68' führt. Von dort wird der Referenzstrahl 24' wiederum über den Strahlteiler 62' zu einem Zirkulator 60' der Strahlerzeugungseinheit 20' zurückgeführt.
Somit wird ein Versatz zwischen korrespondierenden Strahlkomponenten dadurch erzeugt, dass der Referenzstrahl 24' lediglich bis zum distalen Ende der gemeinsamen optischen Faser 32' läuft, wohingegen der Messstrahl 22' vom teilreflektierenden Element 36' weiter bis zum Messobjekt 28' und von dort wieder zurück geführt ist. Das entsprechende dem Referenzarm 30' an dieser Stelle fehlende optische Wegstück wird von der Weglängeneinstellvorrichtung 40' und einem Abschnitt des Strahlteiler 62' zu dem weiteren Spiegel 68' führt.
In einer Abwandlung dieser Ausführungsform kann anstelle des teilreflektierenden Elements 36' am Ende der gemeinsamen optischen Faser 32' ein teildurchlässiger Spiegel in der Ablenkeinrichtung 66' vorgesehen sein, hinter dem ein zusätzlicher Spiegel angeordnet ist, sodass der Referenzstrahl 64' an diesem zusätzlichen Spiegel reflektiert und von dort in die gemeinsame optische Faser 32' zurückgeschickt wird.
Die 3 und 4 zeigen alternative Weglängeneinstellvorrichtungen 140, 240. Diese können sowohl in der Messvorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel als auch in der Messvorrichtung 10' gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel alternativ zu den dort beschriebenen Weglängeneinstellvorrichtungen 40, 40' verwendet werden. Zudem können sämtliche hierin beschriebene Weglängeneinstellvorrichtungen 40, 40', 140, 240 entweder in einem Referenzarm oder in einem Messarm verbaut werden. Im letzteren Fall kann im Referenzarm ein zusätzlicher Faserabschnitt vorgesehen sein, der die Längen beispielsweise derart angleicht, dass Messarm und Referenzarm für eine mittlere Einstellposition der entsprechenden Einstellelemente 42, 42', 142, 242 aufeinander abgestimmt sind. Des Weiteren können sowohl der Referenzarm als auch der Messarm jeweils mit einer Weglängeneinstellvorrichtung versehen sein.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten alternativen Weglängeneinstellvorrichtung 140. Diese umfasst einen polarisierenden Strahlkombinierer 170, dessen Eingänge mit einer zuführenden Faser 172 und einer abführenden Faser 174 verbunden sind. Diese können beispielsweise Teil eines Referenzarms sein und die erste alternative Weglängeneinstellvorrichtung 140 in diesen einbinden.
Ein aus dem kombinierenden Ausgang des polarisierenden Strahlkombinierers 170 austretender Strahl wird aufgeweitet und mittels einer ersten Linse 176 kollimiert. Der kollimierte Strahl tritt sodann durch eine Verzögerungsplatte 144 der Weglängeneinstellvorrichtung 140 hindurch. Hierbei handelt es sich im gezeigten Fall um ein λ/4-Plättchen.
Anschließend wird der kollimierte Strahl zu einer zweiten Linse 178 geführt, die ihn auf einen Spiegel 146 fokussiert. Ein Abstand zwischen der zweiten Linse 178 und dem Spiegel 146 ist konstant. Die beiden optischen Elemente bilden gemeinsam ein Einstellelement 142 aus, das zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen verlagerbar ist, wodurch eine Weglängeneinstellung ermöglicht wird. Die Verlagerbarkeit des Einstellelements 142 ist in 3 durch einen großen Doppelpfeil angedeutet.
Vom Einstellelement aus läuft der Strahl zurück zum polarisierenden Strahlkombinierer 170 und verlässt diesen zu der abführenden Faser 174 hin.
Ist der zur Weglängeneinstellvorrichtung 140 geführte Strahl, beispielsweise ein Referenzstrahl, linear polarisiert, trifft dieser linear polarisiert auf die Verzögerungsplatte 144, sodass er zirkular polarisiert aus dieser austritt. Am Spiegel 146 wird die Polarisation dann in bekannter Weise umgekehrt, sodass das reflektierte Licht in umgekehrter Richtung zirkular polarisiert ist. Tritt dieses Licht beim Zurücklaufen erneut durch die Verzögerungsplatte 144 hindurch, wird wiederum linear polarisiertes Licht erzeugt, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zu der Polarisationsrichtung des einlaufenden Strahls steht. Da der polarisierende Strahlkombinierer bei den beschriebenen Durchgängen die Polarisationsrichtung des Strahls insgesamt einmal um 90° dreht und somit die durch Verzögerungsplatte 144 und Spiegel 146 verursachte Polarisationsänderung kompensiert, entspricht die Polarisation des durch die zuführende Faser 172 zugeführten Lichts der Polarisation des durch die abführenden Faser 174 abgeführten Lichts, sodass die Polarisation des Lichts durch die Weglängeneinstellvorrichtung 140 als Ganzes nicht verändert wird. Polarisationsrichtungen sind in 3 durch kleine Pfeile veranschaulicht.
Die erste alternative Weglängeneinstellvorrichtung 140 erlaubt es somit ebenfalls, ein Einstellelement 142 mit einem Spiegel 146 zu verwenden, sodass es nicht erforderlich ist, ein bewegtes Faserende vorzusehen. Zudem kann trotz kompakter Bauform ein großer Verstellweg erzielt werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten alternativen Weglängeneinstellvorrichtung 240. Diese ist ebenfalls an eine zuführende Faser 272 und eine abführenden Faser 274 angebunden. Ein zugeführter Strahl wird aus der zuführenden Faser 272 ausgekoppelt und mittels einer ersten Koppellinse 280 kollimiert. Der hierdurch erzeugte kollimierte Strahl wird durch eine Hauptlinse 282 auf einen Spiegel 246 der zweiten alternativen Weglängeneinstellvorrichtung 240 fokussiert. Von dort wird der Strahl durch die Hauptlinse 280 geführt und trifft kollimiert auf eine zweite Koppellinse 284, mittels derer der in die abführenden Faser 274 eingekoppelt wird.
Der Strahl tritt dabei jeweils zu einer Mittelachse der Hauptlinse 282 versetzt durch diese hindurch. Die Hauptlinse 282 kann daher als einzelne Linse sowohl zum Fokussieren des einlaufenden Strahls auf den Spiegel 246 als auch zum Kollimieren des reflektierten Strahls verwendet werden. Ähnlich wie im Fall der ersten alternativen Weglängeneinstellvorrichtung 140 ist ein Abstand zwischen der Hauptlinse 282 und dem Spiegel 246 fest und die beiden werden gemeinsam als Einstellelement 242 wie mittels des Doppelpfeils in 4 angedeutet zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen verlagert, um eine Weglängeneinstellung zu erreichen.
Zusätzlich zu den beschriebenen Weglängeneinstellvorrichtungen 40, 40', 140, 240 können auch Weglängeneinstellvorrichtungen eingesetzt werden, die über wenigstens eine in ihrer Länge verstellbare Faser verfügen, die beispielsweise gezielt gedehnt wird, um eine optische Weglänge zu vergrößern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013008269 A1 [0005]
DE 102015015112 A1 [0005]
DE 102017001353 A1 [0007]
DE 102014216829 A1 [0008]

Claims

Messvorrichtung, insbesondere für ein Bearbeitungssystem (12, 12') zum Bearbeiten eines Werkstücks (14, 14') mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (16, 16'), wobei die Messvorrichtung (10, 10') einen optischen Kohärenztomographen (18, 18') aufweist, der umfasst: - eine Strahlerzeugungseinheit (20, 20') zur Erzeugung eines Messstrahls (22, 22') und eines Referenzstrahls (24, 24'); - einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit (20, 20') erstreckenden Messarm (26, 26'), in dem der Messstrahl (22, 22') optisch führbar ist, sodass dieser auf ein Messobjekt (28, 28') projizierbar ist; und - einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit (20, 20') erstreckenden Referenzarm (30, 30'), in dem der Referenzstrahl (24, 24') optisch führbar ist und der den Messarm (26, 26') zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet, sodass der Messstrahl (22, 22') und der Referenzstrahl (24, 24') nach Durchlaufen des Messarms (26, 26') bzw. des Referenzarms (30, 30') zur Erzeugung eines Interferenzsignals überlagert werden können; wobei der Messarm (26, 26') und der Referenzarm (30, 30') zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen optischen Faser (32, 32') verlaufen.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der optische Kohärenztomograph (18) einen polarisierenden Strahlkombinierer (34) umfasst, der derart angeordnet ist, dass der Messstrahl (22) und der Referenzstrahl (24) mit unterschiedlicher Polarisation in die gemeinsame Faser (32) eingekoppelt werden.
Messvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der polarisierende Strahlkombinierer (24) derart eingerichtet ist, dass die Polarisation des Messstrahls (22) und die Polarisation des Referenzstrahls (24) in der gemeinsamen optischen Faser (32) um 90° zueinander verdreht sind.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich ein optischer Weg des Referenzarms (30') und ein optischer Weg des Messarms (26') von der Strahlerzeugungseinheit (20') zu der gemeinsamen optischen Faser (32') um einen Betrag unterscheiden, der größer als der Arbeitsbereich des Kohärenztomographen (18') ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Referenzarm (30, 30') ein zumindest teilreflektierendes Element (36, 36') umfasst, das den Referenzstrahl (24, 24') nach Durchlaufen der gemeinsamen optischen Faser (32, 32') wieder durch die gemeinsame optische Faser (32, 32') zurückschickt.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, wobei zwischen einem Ende (36) der gemeinsamen Faser (32) und dem zumindest teilreflektierenden Element (36) ein polarisierender Strahlteiler (38) angeordnet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das zumindest teilreflektierende Element (36') unmittelbar an einem Ende (36') der gemeinsamen Faser (32') angeordnet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das zumindest teilreflektierende Element (36') durch einen geraden Schliff des Endes (36') der gemeinsamen Faser (32') und/oder durch eine Beschichtung des Endes (36') der gemeinsamen Faser (32') gebildet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Kohärenztomograph (18, 18') eine Weglängeneinstellvorrichtung (40, 40', 140, 240) mit einem zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen verlagerbaren Einstellelement (42, 42', 142, 242) umfasst, dessen Verlagerung eine Änderung der optischen Weglänge des Referenzarms (30, 30') und/oder des Messarms (26, 26') bewirkt.
Messvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Weglängeneinstellvorrichtung (140) eine Verzögerungsplatte (144), insbesondere ein λ/4-Plättchen, umfasst.
Messvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Einstellelement (40', 140, 240) einen Spiegel (46', 146, 246) umfasst.
Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks (14, 14') mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (16, 16'), umfassend eine Bearbeitungsstrahlquelle (48, 48'), eine Bearbeitungsstrahloptik (50, 50') und eine Messvorrichtung (10, 10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messstrahl (22, 22') derart in dem Messarm (26, 26') optisch führbar ist, dass der Messstrahl (22, 22') in den Bearbeitungsstrahl (16, 16') einkoppelbar und über die Bearbeitungsstrahloptik (50, 50') auf das Werkstück (14, 14') projizierbar ist.
Bearbeitungssystem nach Anspruch 12, umfassend einen Bearbeitungskopf (52, 52'), wobei die gemeinsame optische Faser (32, 32') von einem ortsfesten Teil (54, 54') der Messvorrichtung (10, 10') zu dem Bearbeitungskopf (50, 50') führt.
Verfahren zur Durchführung optischer Kohärenztomographie mit einem Kohärenztomographen (18, 18'), insbesondere zur Überwachung einer Bearbeitung eines Werkstücks (14, 14') mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (16, 16'), umfassend die Schritte: - Erzeugen eines Messstrahls (22, 22') und eines Referenzstrahls (24, 24') mittels einer Strahlerzeugungseinheit (20, 20') des optischen Kohärenztomographen (18, 18'); - optisches Führen des Messstrahls (22, 22') in einem Messarm (26, 26') derart, dass der Messstrahl (22, 22') auf ein Messobjekt (28, 28') projiziert wird; und - optisches Führen des Referenzstrahls (24, 24') in einem Referenzarm (30, 30'), der den Messarm (26, 26') zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet, sodass der Messstrahl (22, 22') und der Referenzstrahl (24, 24') nach Durchlaufen des Messarms (26, 26') bzw. des Referenzarms (24, 24') zur Erzeugung eines Interferenzsignals überlagert werden können; wobei der Messstrahl (22, 22') und der Referenzstrahl (24, 24') zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen optischen Faser (32, 32') optisch geführt werden.