DE19914984A1 - Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche, insbesondere relativ zur Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Laserbearbeitungsanlage - Google Patents
Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche, insbesondere relativ zur Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer LaserbearbeitungsanlageInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche, insbesondere relativ zur Oberfläche (22) eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Laserbearbeitungsanlage, mit einem ersten, in einem Arbeitsstrahlengang angeordneten Beugungselement (18) zum Auskoppeln zumindest eines Meßlichtstrahls (23') aus einem Arbeitslichtstrahl (11), der durch die optischen Abbildungselemente (20, 19) des Arbeitsstrahlengangs so in dieselbe Ebene wie der Arbeitslichtstrahl (23) fokussiert wird, daß der Fokus (24) des Meßlichtstrahls (23) neben dem Fokus des Arbeitslichtstrahls (21) liegt, und der an der Oberfläche (22) in den Arbeitsstrahlengang zurück reflektiert wird. Um hierbei die Fokuslage eines Bearbeitungsstrahlengangs relativ zu einer Oberfläche (22) zuverlässig überwachen zu können, ohne daß der Arbeitsstrahl wesentlich beeinträchtigt wird, ist erfindungsgemäß ein zweites Beugungselement (18') vorgesehen, das den reflektierten Meßlichtstrahl (23') in einen Empfangsbereich einer ortsauflösenden, strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung (25, 25') fokussiert, um die Intensitätsverteilung des Meßlichtstrahls (23') im Empfangsbereich zu erfassen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Ar
beitsfokus relativ zu einer Oberfläche, insbesondere relativ zur Oberfläche
eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Laserbearbeitungsanlage, so
wie eine Vorrichtung zum Regeln der Fokuslage unter Verwendung des von
der Vorrichtung zum Feststellen der Lage des Arbeitsfokus gelieferten
Ausgangssignals.
Überall dort, wo ein Arbeitslichtstrahl auf eine zu bearbeitende Oberfläche
oder auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks fokussiert
werden muß, ist es erforderlich, den Abstand zwischen einer Fokussierop
tik, und der Oberfläche, auf die der Arbeitslichtstrahl fokussiert werden
soll, zu kennen und zu überwachen, um stets durch Einstellen und Regeln
des Abstands die einwandfreie Fokussierung des Arbeitslichtstrahls si
cherzustellen. Unter Fokussierung ist hier nicht nur die Abbildung einer
optisch im Unendlichen angeordneten Arbeitslichtquelle in den Brenn
punkt der Fokussieroptik zu verstehen, sondern jede Abbildung einer Ar
beitslichtquelle in einen vorzugsweise punktförmigen Bildpunkt auf einer
Oberfläche.
Bei Laserbearbeitungsanlagen, in denen Werkstücke, insbesondere lei
tende Bleche mittels Laserstrahlung geschweißt oder geschnitten werden,
ist es bekannt, den Abstand eines Laserbearbeitungskopfes, in dem die Fo
kussieroptik angeordnet ist, von der Werkstückoberfläche auf kapaziti
vem Wege zu erfassen, in dem die Kapazität eines von einer dem Werkstück
gegenüberliegenden Meßelektrode und dem Werkstück gebildeten Meß
kondensators erfaßt wird. Aus der Größe der Meßkapazität oder unmittel
bar aus einem der Größe der Meßkapazität entsprechenden Signal kann
dann mittels geeigneter Kalibrierungskurven der Abstand zwischen Werk
stück und Laserbearbeitungskopf festgestellt und geregelt werden.
Diese sogenannte kapazitive Abstandsregelung bei Laserbearbeitungsan
lagen hat sich weitgehend bewährt und arbeitet zuverlässig. Problema
tisch ist dabei jedoch, daß sich bei Schneid- und Schweißvorgängen mit
tels Laserstrahlung ein Plasma zwischen der Sensorelektrode und dem
Werkstück bildet, dessen elektrische Eigenschaften oft nicht konstant
sind und das somit die Kapazitätsmeßung verfälschen kann, wenn keine
geeigneten Gegenmaßnahmen vorgesehen werden.
In der Doktorarbeit von C. Hembd-Söllner, "Strahldiagnostik von CO2-
Hochleistungslasern mit diffraktiver Optik", Fakultät für Konstruktions-
und Fertigungstechnik der Universität Stuttgart, 1997, wurde bereits ein
Autofokussystem für einen CO2-Hochleistungslaser vorgeschlagen, bei
dem mit einem ersten groben Gitter (Gitterkonstate etwa 0,5 mm bei einer
Wellenlänge λ ≈ 10,6 µm) Diagnoselichtstrahl aus einem einem Ar
beitslichtstrahl entsprechenden Hauptversuchslichtstrahl eines CO2-La
sers ausgekoppelt wird, um neben einem Bearbeitungsfokus ent
sprechenden Hauptfokus einen Diagnosefokus in einer Werkstück
oberfläche entsprechenden Blendenebene zu erzeugen. Der an der Blende
reflektierte Diagnoselichtstrahl läuft dann durch die Abbildungselemente
des Strahlengangs zurück und wird mit Hilfe eines zweiten feineren Gitters
(Gitterkonstante ungefähr 50 µm) aus dem Hembtstrahlengang heraus ge
beugt. Zur Überwachung der Fokuslage relativ zur Blende wird dabei die
erste Ordnung des reflektierten Lichts benutzt, wobei ein astigmatisches
Fokussierverfahren mit einem Quadrantendetektor eingesetzt wird.
Ein anderes Autofokussystem zur Feststellung der Lage eines Arbeitsfo
kus relativ zu einer Oberfläche ist bei Kompaktdisk-(CD)-Spielern be
kannt (Principles of Degital Audio, K. L. Polman, Harward W. SAMS &
COMPANY Audio Library, Seiten 337 bis 339). Bei diesem bekannten Auto
fokussystem wird der an der Oberfläche der CD reflektierte Arbeitslicht
strahl unter Verwendung einer zusätzlichen Zylinderlinse astigmatisch
auf eine Vier-Quadranten-Photodiode, also auf eine Photodiode abgebil
det, die vier den Quadranten eines kartesischen Koordinatensystems ent
sprechend angeordnete, separate Empfangsbereiche aufweist. Das Ge
samtsignal der vier Quadranten-Photodiode ist dabei das Arbeitssignal für
den Abspielvorgang, während zur Erfassung der Fokuslage die Einzel
signale einander diagonal gegenüberliegender Dioden addiert und an
schließend aus diesen Summen die Differenz gebildet wird, die dann je
nach Größe und Vorzeichen die Größe bzw. die Richtung der Abweichung
des Fokus von der Plattenoberfläche beschreibt.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere
Vorrichtung der Eingangs genannten Art bereitzustellen, die es insbeson
dere ermöglicht, die Fokuslage eines Bearbeitungsstrahlengangs relativ
zu einer Oberfläche zuverlässig zu überwachen, ohne daß der Arbeits
strahl wesentlich beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteil
hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen be
schrieben. Eine besonders vorteilhafte Verwendung der Erfindung ist im
Anspruch 13 angegeben.
Erfindungsgemäß ist also bei einer Vorrichtung zum Feststellen der Lage
eines Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche, bei der im Arbeitsstrahlen
gang ein Beugungselement zum Auskoppeln zumindest eines Meßlicht
strahls aus einem Arbeitslichtstrahl angeordnet ist, ein zweites Beu
gungselement vorgesehen, das den reflektierten Meßlichtstrahl in einen
Empfangsbereich einer ortsauflösenden, strahlungsempfindlichen Emp
fängeranordnung fokussiert, um die Intensitätsverteilung des Meßlicht
strahls im Empfangsbereich zu erfassen.
Zweckmäßigerweise ist das zweite Beugungselement ein Hologramm, vor
zugsweise ein Phasenhologramm, wobei das Hologramm sowohl als Aus
koppelgitter als auch als Abbildungselement wirkt, um den reflektierten
Meßlichtstrahl sowohl aus dem Arbeitsstrahlengang herauszubeugen, als
auch entsprechend den für die Meßcharakteristik nötigen optischen Ab
bildungseigenschaften auf die strahlungsempfindliche Empfängeranord
nung zu fokussieren.
Erfindungsgemäß lassen sich auf diese Weise sämtliche optischen Ele
mente zur Führung und Fokussierung des reflektierten Meßlichtstrahls in
einem einzigen optischen Element zusammenfassen, das nicht nur den re
flektierten Meßlichtstrahl aus dem Hauptstrahlengang auskoppelt, son
dern auch mit den für die Meßcharakteristik notwendigen optischen Ei
genschaften abbildet. Auf diese Weise läßt sich eine definierte Meßcharak
teristik erreichen, ohne daß weitere optische Elemente erforderlich sind.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgese
hen, daß der reflektierte Meßlichtstrahl astigmatisch auf die strahlungs
empfindliche Empfängeranordnung fokussiert wird. Durch die Verwen
dung einer astigmatischen Abbildung läßt sich aus der Form und relativen
Drehlage des Lichtflecks auf dem Empfangsbereich nicht nur ein Maß für
die Größe des Abstandes des Arbeitsfokus von der Oberfläche erhalten,
sondern gleichzeitig auch feststellen, ob die tatsächliche Fokuslage von
der Lichtquelle ausgesehen vor oder hinter der Oberfläche liegt.
Obwohl es grundsätzlich möglich ist, als Beugungselemente entsprechen
de Transmissionsgitter einzusetzen, zeichnet sich eine zweckmäßige Wei
terbildung der Erfindung dadurch aus, daß sowohl das erste als auch das
zweite Beugungselement auf einem Spiegel im Arbeitsstrahlengang ange
ordnet sind, wobei vorzugsweise beide Beugungselemente auf demselben
Spiegel im Arbeitsstrahlengang angeordnet sind.
Besonders einfach lassen sich die Beugungselemente ausbilden, wenn das
erste Beugungselement in einem neben der optischen Achse liegenden Be
reich des Arbeitsstrahlengangs vorgesehen ist, während das zweite Beu
gungselement dem ersten Beugungselement bezüglich der optischen Ach
se des Arbeitsstrahlengangs diametral gegenüberliegt. Auf diese Weise
lassen sich nebeneinanderliegende Teilbereiche der Pupille für den hin-
bzw. den rücklaufenden Meßlichtstrahl nutzen.
Es ist jedoch auch möglich, daß das erste und das zweite Beugungsele
ment sich überlagernd angeordnet sind und sich im wesentlichen über den
gesamten Querschnitt des Arbeitsstrahlengangs erstrecken. Hierbei läßt
sich ein Meßlichtstrahl aus dem Arbeitslichtstrahl auskoppeln, der nicht
nur eine für Meßzwecke genügend hohe Intensität aufweist, sondern der
auch im wesentlichen den gleichen Querschnitt besitzt, wie der Arbeits
lichtstrahl, so daß er die optischen Elemente in gleicher Weise wie dieser
durchläuft.
Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß als
Meßlichtstrahl oder -strahlen, der in die +1. und/oder -1. Beugungsord
nung gebeugte Anteil des Arbeitslichtstrahls verwendet wird. Die Verwen
dung der ±1. Beugungsordnung stellt nicht nur eine genügend hohe Inten
sität des Meßlichtstrahls sicher, sondern führt auch dazu, daß der Meß-
oder Diagnosefokus relativ dicht neben dem Arbeitsfokus liegt, so daß ein
erseits eine zuverlässige Überwachung der Fokuslage möglich ist und an
dererseits den Arbeitslichtstrahl im Austrittsbereich umgebende Düsen-
und/oder Abschirmelemente den Meßlichtstrahl nicht behindern.
Obwohl es grundsätzlich denkbar ist, daß als ortsauflösende, strahlungs
empfindliche Empfängeranordnung ein 1-dimensionaler Empfänger, z. B.
eine Photodiodenzeile vorgesehen wird, ist bei einer besonders vorteilhaf
ten Ausgestaltung der Erfindung eine 2-dimensionale ortsauflösende,
strahlungsempfindliche Empfängeranordnung vorgesehen. Hierdurch
läßt sich insbesondere bei der Verwendung astigmatischer Abbildungsei
genschaften die Größe und relative Ausrichtung des Meßlichtflecks auf
dem Empfänger besonders zuverlässig ermitteln, um daraus Richtung und
Größe der Abweichung der Fokuslage von der Sollage festzustellen.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn als Empfängeranordnung ein Qua
drantenempfänger mit vier Empfangsbereichen vorgesehen ist, die im we
sentlich einen quadratförmigen Empfangsbereich festlegen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese
hen, daß als Arbeitslicht IR-Strahlung, insbesondere IR-Laserstrahlung,
vorzugsweise die langwellige IR-Laserstrahlung eines CO2-Lasers verwen
det wird, und daß die strahlungsempfindliche Empfängeranordnung eine
thermoelektrische Wandleranordnung, vorzugsweise eine Thermosäulen
anordnung ist.
Besonders zweckmäßig läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Feststellen der Lage eines Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche in einer
Vorrichtung verwenden, die Fokuslage stets so regelt, daß der Arbeits
fokus auf der Oberfläche oder in einem definierten Abstand dazu liegt.
Hierzu wird zweckmäßiger Weise das Ausgangssignal der ortsauflösen
den, strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung an eine Auswerte
schaltung geliefert, die daraus ein der Abweichung einer Ist-Fokuslage
von der Soll-Fokuslage entsprechendes Signal ermittelt, das einer Nach
führeinrichtung zugeführt wird, die in Abhängigkeit von diesem Signal die
Fokuslage nachstellt.
Obwohl es grundsätzlich möglich ist, einen die Fokussieroptik tragenden
Bearbeitungskopf relativ zum Werkstück zu verschieben, ist es besonders
vorteilhaft, wenn die Nachführeinrichtung einen im Arbeitsstrahlengang
angeordneten adaptiven Spiegel umfaßt, dessen Abbildungseigenschaften
in Abhängigkeit von dem der Abweichung der Ist-Fokuslage von der Soll-
Fokuslage entsprechenden Signal einstellbar sind, um dem von der Fokus
sieroptik kommenden oder zu ihr laufenden Lichtstrahl entsprechend der
gewünschten Änderung der Fokuslage eine zusätzliche Divergenz oder
Konvergenz aufzuprägen. Hierdurch läßt sich eine besonders empfindli
che nahezu verzögerungsfreie Nachregelung der Fokuslage erreichen.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die
Nachführeinrichtung eine Stellvorrichtung für die Fokussieroptik um
faßt, die die Lage der Fokussieroptik in Abhängigkeit von dem der Abwei
chung der Ist-Fokuslage von der Soll-Fokuslage entsprechenden Signal
einstellt.
Die Erfindung wird im folgenden Beispielsweise anhand der Zeichnung nä
her erläutert. In dieser zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Arbeitsstrahlengangs und
des diesem zugeordneten Meßlichtstrahlengangs,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Oberfläche eines die Beugungselemente
tragenden Spiegels,
Fig. 3a eine schematische Draufsicht auf eine ortsauflösende, strah
lungsempfindliche Empfängeranordnung,
Fig. 3b eine schematische Seitenansicht nach Linie B-B in Fig. 3a,
Fig. 4a bis 4c verschiedene Darstellungen des Meßlichtflecks auf der
Empfangsfläche der Empfängeranordnung nach Fig. 3a und 3b, und
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine andere ortsauflösende, strahlungsemp
findliche Empfängeranordnung.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende
Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt als Beispiel für einen Arbeitsstrahlengang, bei dem ein Ar
beitslichtstrahl auf eine Oberfläche fokussiert wird, den Bearbeitungs
strahlengang einer Laserbearbeitungsmaschine, bei der ein von einem La
ser 10, z. B. einem CO2-Hochleistungslaser, erzeugter Bearbeitungslaser
lichtstrahl über verschiedene Strahlführungselemente, von denen nur ei
nes schematisch als Umlenkspiegel 12 dargestellt ist, zu einer Fokussier
optik 13 in einem nicht dargestellten Laserbearbeitungskopf geführt wird.
Zwischen dem Umlenkspiegel 12 und der Fokussieroptik 13 ist in festem
Abstand zur Fokussieroptik 13 im Laserbearbeitungskopf ein weiterer
Umlenkspiegel 14 angeordnet, auf dessen Spiegeloberfläche ein erstes
und ein zweites Beugungselement in einem ersten bzw. einem zweiten
Oberflächenbereich 16 bzw. 17, also in einem ersten und einem zweiten
Teilbereich einer Pupille des Strahlengangs angeordnet ist, wie in Fig. 2
dargestellt. Das im Oberflächenbereich 16 angeordnete Beugungselement
18 ist ein relativ grobes Auskoppelgitter 18, das beispielsweise bei einer
Laserwellenlänge von etwa 10 µm einen Gitterabstand von 0,5 mm auf
weist. Als zweites Beugungselement 18' ist in dem Oberflächenbereich 17
ein Hologramm, insbesondere ein Phasenhologramm vorgesehen, dessen
äußerst feine und komplexe Struktur nur rein schematisch angedeutet ist.
Die beiden Beugungselemente 18, 18 liegen dabei zu beiden Seiten der op
tischen Achse O. A.
Die Fokussieroptik 13 weist als weiteren Umlenkspiegel einen adaptiven
Spiegel 19 und einen Abbildungsspiegel 20 aus, der den ankommenden
Bearbeitungslaserstrahl 11 in einen Bildpunkt 21 auf einer Werkstücko
berfläche 22 fokussiert. Der Bildpunkt des Bearbeitungslaserstrahls 11
wird im folgenden als Arbeitsfokus 21 bezeichnet.
Das erste Beugungselement, also das Auskoppelgitter 18 koppelt aus dem
Bearbeitungslaserstrahl 11, der hinter dem Umlenkspiegel 14, also hinter
dem Auskoppelgitter 18 die 0. Beugungsordnung darstellt, einen Diagno
se- oder Meßlichtstrahl 23 aus, der von Laserslicht der +1. oder -1. Beu
gungsordnung gebildet wird. Es ist auch möglich, sowohl die +1. als auch
die -1. Beugungsordnung als Diagnose- oder Meßlichtstrahl 23 zu verwen
den. Zur Vereinfachung der Darstellung der Beschreibung wird jedoch nur
ein einzelner Meßlichtstrahl 23 gezeigt und erläutert.
Der Meßlichtstrahl 23 durchläuft denselben Arbeitsstrahlengang wie der
Bearbeitungslaserstrahl 11 und wird in einen Bildpunkt 24 neben dem Ar
beitsfokus 21 auf die Werkstückoberfläche 22 fokussiert. Der Bildpunkt
des Meßlichtstrahls 23 wird im folgenden als Meßfokus 24 bezeichnet.
Bei der Verwendung beider erster Beugungsordnungen wäre ein zweiter
Meßfokus auf der Werkstückoberfläche 22 vorhanden, der dem dargestell
ten Meßfokus 24 bezüglich des Arbeitsfokus 21 diametral gegenüberliegen
würde.
Der an der Werkstückoberfläche 22 neben dem Arbeitsfokus 21 im Meßfo
kus 24 zurückreflektierte Meßlichtstrahl 23' durchläuft den Arbeitsstrah
lengang zurück zum Umlenkspiegel 14, auf dem im Oberflächenbereich 17
als zweites Beugungselement ein Hologramm, vorzugsweise ein Phasenho
logramm 18' aufgebracht ist, das den zurückreflektierten Meßlichtstrahl
23' aus dem Arbeitsstrahlengang herausbeugt und auf eine ortsauflösen
de, strahlungsempfindliche Empfängeranordnung 25 fokussiert.
Das Phasenhologramm 18' auf dem Umlenkspiegel 14 beugt also den zu
rückreflektierten Meßlichtstrahl 23' aus dem Arbeitsstrahlengang und fo
kussiert ihn auf den Empfänger 25. Dabei moduliert das Phasenholo
gramm 18' einen definierten astigmatischen Wellenfrontanteil auf den
Meßlichtstrahl 23', um die gewünschte Meßcharakteristik zu erhalten.
Die Empfängeranordnung 25 erzeugt, ein Ausgangssignal oder Ausgangs
signale, die einer Auswerteschaltung 26 zugeführt werden.
Wie in Fig. 3a und 3b gezeigt, weist die ortsauflösende, strahlungsemp
findliche Empfängeranordnung eine Reflektorpyramide 27 mit vier Reflek
tionsflächen 28.i auf. Jeder der Reflektionsflächen 28.i liegt ein Strah
lungsempfänger 29.i gegenüber. Wie besonders gut aus Fig. 3b zu erken
nen ist, empfängt jeder Strahlungsempfänger 29.i nur Licht, das an der
ihm gegenüberliegenden Reflektionsfläche 28.i reflektiert wurde. Fig. 3b
zeigt deutlich, wie der auf die Empfängerfläche fokussierte Meßlicht
strahl 23' an der Reflektorpyramide 27 so in verschiedene Richtungen re
flektiert wird, daß jeder der Strahlungsempfänger 29.i nur einen entspre
chenden Anteil empfängt.
Bei der anhand von Fig. 3a und 3b beschriebenen Empfängeranord
nung 25 werden als Strahlungsempfänger 29.i thermoelektrische Wand
ler insbesondere Thermosäulendetektoren eingesetzt, die als sogenannte
beschleunigte Thermosäulendetektoren einerseits eine hohe Bandbreite
aufweisen und andererseits auch einem kontinuierlich anstehenden Meß
lichtstrahl fortlaufend erfassen können, ohne daß eine periodische Unter
brechung des Meßlichtstrahls erforderlich ist.
Anstelle eines derartigen aus Strahlungsempfängern 29.i und Reflektor
pyramide 27 aufgebauten Empfängeranordnung 25 kann auch wie in
Fig. 5 dargestellt ein 4-Quadratenstrahlungsempfänger, beispielsweise
eine 4-Quadrantenphotodiode 25' verwendet werden. Außerdem ist es
möglich, ein Photodiodenarray, also eine 2-dimensionale Anordnung von
Photodioden, oder auch eine Photodiodenzeile als Empfängeranordnung
einzusetzen.
Die Art der verwendeten Strahlungsempfänger hängt im wesentlichen von
der Wellenlänge des Arbeitslichtes und von der gewünschten Meßgenauig
keit ab. Eine besonders hohe Meßgenauigkeit für die Fokuslage wird bei ei
ner astigmatischen Meßcharakteristik mit einem 4-Quadrantenempfän
ger erreicht, wie er anhand von Fig. 3a und 3b sowie 5 erläutert wurde.
Die Verwendung von Thermosäulen ist insbesondere bei CO2-Lasern
zweckmäßig.
Zunächst wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Feststellen der Fokuslage erläutert. Liegt der Meßfokus 24 ebenso wie der
Arbeitsfokus 21 auf der Oberfläche 22 eines zu bearbeitenden Werk
stücks, so wird der Meßlichtstrahl 23' zurück zum Fokussierspiegel 20 re
flektiert, und läuft dann als ebene Welle zurück zum Meßhologramm, das
einen definierten astigmatischen Wellenfrontanteil auf den Meßlicht
strahl 23' moduliert. Das auf die Empfangsfläche der Empfängeranord
nung 25, also auf die Reflektorpyramide 27 fokussierte Punktbild 23"
bleibt bei genauer Fokuslage symmetrisch, wie in Fig. 4b dargestellt. Die
Abweichung, bzw. der Abstand Δz des Arbeits- und Meßfokus 21 bzw. 24
von der Werkstückoberfläche 22 ist dann null. Verschiebt sich die Oberflä
che 22 des zu bearbeitenden Werkstücks gegenüber dem Arbeitsfokus 21
um Δz, führt dies zu einer Verschiebung des astigmatischen Punktbildes
23" am Ort der Reflektorpyramide 27, da die an der Oberfläche 22 des
Werkstücks reflektierte Meßlichtwelle einen zusätzlichen sphärischen
Anteil enthält. Die Reflektorpyramide 27 liegt dann also näher an einer der
beiden astigmatischen Brennlinien, so daß eine elliptische Form des vom
Meßlichtstrahl 23' auf der Reflektorpyramide 27 erzeugten Punktbildes
23" vorliegt, wie in Fig. 4a oder 4c angedeutet ist. Die Verhältnisse der
Intensitäten, also die auf den einzelnen Reflektionsflächen 28.i der Reflek
torpyramide 27 zuliegenkommenden Anteile des Punktbildes 23" ergeben
ein Meßsignal, daß der Verschiebung Δz der Fokuslage gegenüber der
Oberfläche 22 entspricht. Das Meßsignal S ergibt sich dabei aus den den
jeweiligen Intensitäten entsprechenden Ausgangssignalen I1, I2, I3, I4 der
Strahlungsempfänger 29.i, also der einzelnen Strahlungsempfänger 29.1,
29.2, 29.3, 29.4 durch die folgende Gleichung:
Dieses Meßsignal S kann bereits in der Empfängeranordung gebildet wer
den, um dann an die Auswerteschaltung 26 angelegt zu werden. Es ist je
doch auch möglich, die Ausgangssignale 11 bis 14 der Strahlungsempfän
ger 29.1 bis 29.4 an die Auswerteschaltung 26 anzulegen und die Berech
nung des Meßsignals S in der Auswerteschaltung 25 durchzuführen. Aus
dem Meßsignale S ergibt sich der Abstand Δz durch eine entsprechende
Kalibrierung. Insbesondere ist die Verschiebung Δz proportional zum
Meßsignal S.
Aus dem Meßsignal S wird dann ein Regelsignal A gebildet, das einer Nach
führeinrichtung zugeführt wird, die dafür sorgt, daß die tatsächliche Fo
kuslage, also die Ist-Fokuslage mit der Soll-Fokuslage auf der Oberfläche
22 des Werkstücks in Übereinstimmung gebracht wird.
Obwohl es grundsätzlich denkbar ist, den gesamten Bearbeitungskopf zu
verschieben, um die Fokuslage nachzustellen, wird erfindungsgemäß der
adaptive Spiegel 19 eingesetzt, dessen Reflektionsfläche so verformt wer
den kann, daß sie der auftreffenden Lichtwelle einen zusätzlichen konka
ven oder konvexen sphärischen Anteil aufprägt. Auf diese Weise läßt sich
die Fokuslage nahezu verzögerungsfrei nachführen. Hier lassen sich Än
derungen der Fokuslage so schnell erreichen, daß Abweichungen der Ist-
Fokuslage von der Soll-Fokuslage im Milli-Sekundenbereich ausgeglichen
werden können.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, mit Hilfe einer in Fig. 1 gestrichelt
angedeuteten Nachstelleinrichtung 30 den Fokussierspiegel 20 gegenüber
dem Bearbeitungskopf zu verschieben, um so die Fokuslage zu regeln, oh
ne daß es erforderlich ist, den gesamten Laserbearbeitungskopf zu ver
schieben.
Claims (15)
1. Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Arbeitsfokus relativ zu
einer Oberfläche, insbesondere relativ zur Oberfläche (22) eines zu bear
beitenden Werkstücks in einer Laserbearbeitungsanlage, mit
- - einem ersten, in einem Arbeitsstrahlengang angeordneten Beu gungselement (18) zum Auskoppeln zumindest eines Meßlichtstrahls (23') aus einem Arbeitslichtstrahl (11), der durch die optischen Abbildungsele mente (20, 19) des Arbeitsstrahlengangs so in dieselbe Ebene wie der Ar beitslichtstrahl (11) fokussiert wird, daß der Fokus (24) des Meßlicht strahls (23) neben dem Fokus (21) des Arbeitslichtstrahls (11) liegt, und der an der Oberfläche (22) in den Arbeitsstrahlengang zurück reflektiert wird, und
- - einem zweiten Beugungselement (18'), das den reflektierten Meß lichtstrahl (23') in einen Empfangsbereich einer ortsauflösenden, strah lungsempfindlichen Empfängeranordnung (25, 25') fokussiert, um die In tensitätsverteilung des Meßlichtstrahl (23') im Empfangsbereich zu erfas sen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
zweite Beugungselement ein Hologramm, vorzugsweise ein Phasenholo
gramm (18') ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Hologramm (18') sowohl als Auskoppelgitter als auch als Abbildungsele
ment wirkt, um den reflektierten Meßlichtstrahl (23') sowohl aus dem Ar
beitsstrahlengang herauszubeugen, als auch entsprechend den für die
Meßcharakteristik nötigen optischen Abbildungseigenschaften auf die
strahlungsempfindliche Empfängeranordnung (25) zu fokussieren.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
reflektierende Meßlichtstrahl (23') astigmatisch auf die strahlungsemp
findliche Empfängeranordnung (25) fokussiert wird.
5. Vorrichtung nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß sowohl das erste als auch das zweite Beugungsele
ment (18, 18') auf einem Spiegel (14) im Arbeitsstrahlengang angeordnet
sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide
Beugungselemente (18, 18') auf demselben Spiegel (14) im Arbeitsstrah
lengang angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das erste Beugungselement (18) in einem neben der optischen Achse (O. A.)
liegenden Bereich des Arbeitsstrahlengangs vorgesehen ist, während das
zweite Beugungselement (18') dem ersten Beugungselement (18) bezüglich
der optischen Achse (O. A.) des Arbeitsstrahlengangs diametral gegen
überliegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das erste und das zweite Beugungselement sich überlagernd angeordnet
sind und sich im wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Ar
beitsstrahlengangs erstrecken.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Meßlichtstrahl (23) oder -strahlen, der in die +1.
und/oder -1. Beugungsordnung gebeugte Anteil des Arbeitslicht
strahls (11) verwendet wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine 2-dimensional ortsauflösende, strahlungsemp
findliche Empfängeranordnung (25, 25') vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als
Empfängeranordnung ein Quadrantenempfänger mit vier Empfangsberei
chen vorgesehen ist, die im wesentlich einen quadratförmigen Empfangs
bereich festlegen.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Arbeitslicht IR-Strahlung, insbesondere IR-Laser
strahlung, vorzugsweise die langwellige IR-Laserstrahlung eines CO2-La
sers verwendet wird, und daß die strahlungsempfindliche Empfängeran
ordnung eine thermoelektrische Wandleranordnung, vorzugsweise eine
Thermosäulenanordnung ist.
13. Vorrichtung zum Regeln der Lage eines Arbeitsfokus relativ zu einer
Oberfläche insbesondere relativ zur Oberfläche (22) eines zu bearbeiten
den Werkstücks in einer Laserbearbeitungsanlage, mit
- - einer Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Arbeitsfokus (21) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
- - einer Auswerteschaltung (26), der Ausgangssignale der strahlungs empfindlichen Empfängeranordnung (25) zugeführt werden, um daraus ein der Abweichung der Ist-Fokuslage von der Soll-Fokuslage entspre chenden Signal zu ermitteln, und
- - einer Nachführeinrichtung (19; 30), der das der Abweichung der Ist fokuslage von der Sollfokuslage entsprechende Signal zugeführt wird, um in Abhängigkeit davon die Fokuslage nachzustellen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Nachführeinrichtung einen im Arbeitsstrahlengang angeordneten adapti
ven Spiegel (19) umfaßt, dessen Abbildungseigenschaften in Abhängigkeit
von dem der Abweichung der Ist-Fokuslage von der Soll-Fokuslage ent
sprechenden Signal einstellbar sind, um dem von der Fokussieroptik (20)
kommenden oder zu ihr laufenden Lichtstrahl entsprechend der ge
wünschten Änderung der Fokuslage eine zusätzliche Divergenz oder Kon
vergenz aufzuprägen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Nachführeinrichtung eine Stellvorrichtung (30) für die Fokussieroptlk
(20) umfaßt, die die Lage der Fokussieroptik (20) in Abhängigkeit von dem
der Abweichung der Ist-Fokuslage von der Soll-Fokuslage entsprechenden
Signal einstellt.
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