DE19914984B4

DE19914984B4 - Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Laserbearbeitungsanlage

Info

Publication number: DE19914984B4
Application number: DE19914984A
Authority: DE
Inventors: Martin Rocktäschel
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2019-04-02
Also published as: DE19914984A1

Abstract

Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche (22) eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Laserbearbeitungsanlage, mit
– einem ersten, inem 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 (11) Fokussiert wird, daß der Fokus (24) des Meßlichtstrahls (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 reflektierenden 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 Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche, insbesondere relativ zur Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Laserbearbeitungsanlage, sowie 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 Fokussieroptik, 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 sicherzustellen. Unter Fokussierung ist hier nicht nur die Abbildung einer optisch im Unendlichen angeordneten Arbeitslichtquelle in den Brennpunkt der Fokussieroptik zu verstehen, sondern jede Abbildung einer Arbeitslichtquelle in einen vorzugsweise punktförmigen Bildpunkt auf einer Oberfläche.
Bei Laserbearbeitungsanlagen, in denen Werkstücke, insbesondere leitende Bleche mittels Laserstrahlung geschweißt oder geschnitten werden, ist es bekannt, den Abstand eines Laserbearbeitungskopfes, in dem die Fokussieroptik angeordnet ist, von der Werkstückoberfläche auf kapazitivem Wege zu erfassen, in dem die Kapazität eines von einer dem Werkstück gegenüberliegenden Meßelektrode und dem Werkstück gebildeten Meßkondensators erfaßt wird. Aus der Größe der Meßkapazität oder unmittelbar aus einem der Größe der Meßkapazität entsprechenden Signal kann dann mittels geeigneter Kalibrierungskurven der Abstand zwischen Werkstück und Laserbearbeitungskopf festgestellt und geregelt werden.
Diese sogenannte kapazitive Abstandsregelung bei Laserbearbeitungsanlagen hat sich weitgehend bewährt und arbeitet zuverlässig. Problematisch ist dabei jedoch, daß sich bei Schneid- und Schweißvorgängen mittels 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) ein Diagnoselichtstrahl aus einem einem Arbeitslichtstrahl entsprechenden Hauptversuchslichtstrahl eines CO₂-Lasers ausgekoppelt wird, um neben einem einem Bearbeitungsfokus entsprechenden Hauptfokus einen Diagnosefokus in einer einer Werkstückoberfläche 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 Hauptstrahlengang heraus gebeugt. 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 Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche ist bei Kompaktdisk-(CD)-Spielern bekannt (Principles of Degital Audio, K. L. Polman, Harward W. SAMS & COMPANY Audio Library, Seiten 337 bis 339). Bei diesem bekannten Autofokussystem wird der an der Oberfläche der CD reflektierte Arbeitslichtstrahl unter Verwendung einer zusätzlichen Zylinderlinse astigmatisch auf eine Vier-Quadranten-Photodiode, also auf eine Photodiode abgebildet, die vier den Quadranten eines kartesischen Koordinatensystems entsprechend angeordnete, separate Empfangsbereiche aufweist. Das Gesamtsignal der vier Quadranten-Photodiode ist dabei das Arbeitssignal für den Abspielvorgang, während zur Erfassung der Fokuslage die Einzelsignale einander diagonal gegenüberliegender Dioden addiert und anschließend 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.

Die DE 42 07 169 A1 betrifft ein Laserbearbeitungsverfahren für ein Werkstück mit nicht ebener Oberfläche, und zeigt eine Fokussiereinrichtung, bei der neben einem Arbeitslaser ein Hilfslaser eingesetzt wird, der einen Hilfsfokus im Bereich des Arbeitsfokus erzeugt. Unter dem Reflektionswinkel für den Hilfsstrahl ist eine Empfängeranordnung mit einer fokussierenden Optik und einem positionsempfindlichen Photodiodenarray angeordnet, um die Lage des Hilfsfokus zu überwachen.

Aus der gattungsfremden JP 62-208 404 ist eine Lichtabtastvorrichtung für einen optischen Datenträger bekannt, die eine Lichtquelle, einen als Beugungsgitterlinse ausgelegten Umlenkspiegel und eine Fokussieroptik aufweist, die das divergierende Lichtbündel in einen Fokus auf dem optischen Datenträger fokussiert.

Das am Datenträger reflektierte Licht wird von der Fokussierlinse über den Umlenkspiegel auf einen vier Quadranten aufweisenden Fotodetektor fokussiert. Dabei prägt der als Beugungsgitterlinse ausgelegte Umlenkspiegel dem von der Fokussierlinse auf den Fotodetektor fokussierten, konvergierenden Lichtbündel einen astigmatischen Anteil auf. Somit ist es möglich, mit Hilfe des vier Quadranten Fotodetektors ein Autofokusfehlersignal zu erhalten.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Vorrichtung der Eingangs genannten Art bereitzustellen, die es insbesondere ermöglicht, bei verringertem Justieraufwand und ohne großen zusätzlichen Platzbedarf die Fokuslage eines Bearbeitungsstrahlengangs relativ zu einer Oberfläche zuverlässig zu überwachen, ohne daß der Arbeitsstrahl wesentlich beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. 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 Arbeitsstrahlengang ein Beugungselement zum Auskoppeln zumindest eines Meßlichtstrahls aus einem Arbeitslichtstrahl angeordnet ist, ein zweites Beugungselement vorgesehen, das den reflektierten Meßlichtstrahl in einen Empfangsbereich einer ortsauflösenden, strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung fokussiert, um die Intensitätsverteilung des Meßlichtstrahls im Empfangsbereich zu erfassen.

Zweckmäßigerweise ist das zweite Beugungselement ein Hologramm, vorzugsweise ein Phasenhologramm, wobei das Hologramm sowohl als Auskoppelgitter als auch als Abbildungselement wirkt, um den reflektierten Meßlichtstrahl sowohl aus dem Arbeitsstrahlengang herauszubeugen, als auch entsprechend den für die Meßcharakteristik nötigen optischen Abbildungseigenschaften auf die strahlungsempfindliche Empfängeranordnung zu fokussieren.

Erfindungsgemäß lassen sich auf diese Weise sämtliche optischen Elemente zur Führung und Fokussierung des reflektierten Meßlichtstrahls in einem einzigen optischen Element zusammenfassen, das nicht nur den re flektierten Meßlichtstrahl aus dem Hauptstrahlengang auskoppelt, sondern auch mit den für die Meßcharakteristik notwendigen optischen Eigenschaften abbildet. Auf diese Weise läßt sich eine definierte Meßcharakteristik erreichen, ohne daß weitere optische Elemente erforderlich sind.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der reflektierte Meßlichtstrahl astigmatisch auf die strahlungsempfindliche Empfängeranordnung fokussiert wird. Durch die Verwendung 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 entsprechende Transmissionsgitter einzusetzen, zeichnet sich eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung dadurch aus, daß sowohl das erste als auch das zweite Beugungselement auf einem Spiegel im Arbeitsstrahlengang angeordnet 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 Bereich des Arbeitsstrahlengangs vorgesehen ist, während das zweite Beugungselement dem ersten Beugungselement bezüglich der optischen Achse 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 Beugungselement 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 Arbeitslichtstrahl, 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. Beugungsordnung gebeugte Anteil des Arbeitslichtstrahls verwendet wird. Die Verwendung der ±1. Beugungsordnung stellt nicht nur eine genügend hohe Intensität des Meßlichtstrahls sicher, sondern führt auch dazu, daß der Meß- oder Diagnosefokus relativ dicht neben dem Arbeitsfokus liegt, so daß einerseits eine zuverlässige Überwachung der Fokuslage möglich ist und andererseits den Arbeitslichtstrahl im Austrittsbereich umgebende Düsen- und/oder Abschirmelemente den Meßlichtstrahl nicht behindern.

Obwohl es grundsätzlich denkbar ist, daß als ortsauflösende, strahlungsempfindliche Empfängeranordnung ein 1-dimensionaler Empfänger, z. B. eine Photodiodenzeile vorgesehen wird, ist bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine 2-dimensionale ortsauflösende, strahlungsempfindliche Empfängeranordnung vorgesehen. Hierdurch läßt sich insbesondere bei der Verwendung astigmatischer Abbildungseigenschaften 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 Quadrantenempfänger mit vier Empfangsbereichen vorgesehen ist, die im wesentlich einen quadratförmigen Empfangsbereich festlegen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als Arbeitslicht IR-Strahlung, insbesondere IR-Laserstrahlung, vorzugsweise die langwellige IR-Laserstrahlung eines CO₂-Lasers verwendet wird, und daß die strahlungsempfindliche Empfängeranordnung eine thermoelektrische Wandleranordnung, vorzugsweise eine Thermosäulenanordnung ist.

Besonders zweckmäßig läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche in einer Vorrichtung verwenden, die die Fokuslage stets so regelt, daß der Arbeitsfokus auf der Oberfläche oder in einem definierten Abstand dazu liegt. Hierzu wird zweckmäßiger Weise das Ausgangssignal der ortsauflösenden, strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung an eine Auswerteschaltung geliefert, die daraus ein der Abweichung einer Ist-Fokuslage von der Soll-Fokuslage entsprechendes Signal ermittelt, das einer Nachführeinrichtung 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 Fokussieroptik kommenden oder zu ihr laufenden Lichtstrahl entsprechend der gewünschten Änderung der Fokuslage eine zusätzliche Divergenz oder Konvergenz aufzuprägen. Hierdurch läßt sich eine besonders empfindliche nahezu verzögerungsfreie Nachregelung der Fokuslage erreichen.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Nachführeinrichtung eine Stellvorrichtung für die Fokussieroptik umfaßt, die die Lage der Fokussieroptik in Abhängigkeit von dem der Abweichung der Ist-Fokuslage von der Soll-Fokuslage entsprechenden Signal einstellt.

Die Erfindung wird im folgenden Beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Arbeitsstrahlengangs und des diesem zugeordneten Meßlichtstrahlengangs,
2 eine Draufsicht auf die Oberfläche eines die Beugungselemente tragenden Spiegels,
3a eine schematische Draufsicht auf eine ortsauflösende, strahlungsempfindliche Empfängeranordnung,
3b eine schematische Seitenansicht nach Linie B-B in 3a,
4a bis 4c verschiedene Darstellungen des Meßlichtflecks auf der Empfangsfläche der Empfängeranordnung nach 3a und 3b, und
5 eine Draufsicht auf eine andere ortsauflösende, strahlungsempfindliche Empfängeranordnung.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt als Beispiel für einen Arbeitsstrahlengang, bei dem ein Arbeitslichtstrahl auf eine Oberfläche fokussiert wird, den Bearbeitungsstrahlengang einer Laserbearbeitungsmaschine, bei der ein von einem Laser 10, z. B. einem CO₂-Hochleistungslaser, erzeugter Bearbeitungslaserlichtstrahl über verschiedene Strahlführungselemente, von denen nur eines schematisch als Umlenkspiegel 12 dargestellt ist, zu einer Fokussieroptik 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 15 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 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 aufweist. 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 optischen 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 Werkstückoberfläche 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 Diagnose- oder Meßlichtstrahl 23 aus, der von Laserslicht der +1. oder –1. Beugungsordnung gebildet wird. Es ist auch möglich, sowohl die +1. als auch die –1. Beugungsordnung als Diagnose- oder Meßlichtstrahl 23 zu verwenden. 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 Arbeitsfokus 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 dargestellten Meßfokus 24 bezüglich des Arbeitsfokus 21 diametral gegenüberliegen würde.
Der an der Werkstückoberfläche 22 neben dem Arbeitsfokus 21 im Meßfokus 24 zurückreflektierte Meßlichtstrahl 23' durchläuft den Arbeitsstrahlengang 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 ortsauflösende, strahlungsempfindliche Empfängeranordnung 25 fokussiert.
Das Phasenhologramm 18' auf dem Umlenkspiegel 14 beugt also den zurückreflektierten Meßlichtstrahl 23' aus dem Arbeitsstrahlengang und fokussiert ihn auf den Empfänger 25. Dabei moduliert das Phasenhologramm 18' einen definierten astigmatischen Wellenfrontanteil auf den Meßlichtstrahl 23', um die gewünschte Meßcharakteristik zu erhalten.
Die Empfängeranordnung 25 erzeugt, ein Ausgangssignal oder Ausgangssignale, die einer Auswerteschaltung 26 zugeführt werden.
Wie in 3a und 3b gezeigt, weist die ortsauflösende, strahlungsempfindliche Empfängeranordnung eine Reflektorpyramide 27 mit vier Reflektionsflächen 28.i auf. Jeder der Reflektionsflächen 28.i liegt ein Strahlungsempfänger 29.i gegenüber. Wie besonders gut aus 3b zu erkennen ist, empfängt jeder Strahlungsempfänger 29.i nur Licht, das an der ihm gegenüberliegenden Reflektionsfläche 28.i reflektiert wurde. 3b zeigt deutlich, wie der auf die Empfängerfläche fokussierte Meßlichtstrahl 23' an der Reflektorpyramide 27 so in verschiedene Richtungen reflektiert wird, daß jeder der Strahlungsempfänger 29.i nur einen entsprechenden Anteil empfängt.
Bei der anhand von 3a und 3b beschriebenen Empfängeranordnung 25 werden als Strahlungsempfänger 29.i thermoelektrische Wandler insbesondere Thermosäulendetektoren eingesetzt, die als sogenannte beschleunigte Thermosäulendetektoren einerseits eine hohe Bandbreite aufweisen und andererseits auch einem kontinuierlich anstehenden Meßlichtstrahl fortlaufend erfassen können, ohne daß eine periodische Unterbrechung des Meßlichtstrahls erforderlich ist.
Anstelle eines derartigen aus Strahlungsempfängern 29.i und Reflektorpyramide 27 aufgebauten Empfängeranordnung 25 kann auch wie in
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 Meßgenauigkeit ab. Eine besonders hohe Meßgenauigkeit für die Fokuslage wird bei einer astigmatischen Meßcharakteristik mit einem 4-Quadrantenempfänger erreicht, wie er anhand von 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 Werkstücks, so wird der Meßlichtstrahl 23' zurück zum Fokussierspiegel 20 reflektiert, und läuft dann als ebene Welle zurück zum Meßhologramm, das einen definierten astigmatischen Wellenfrontanteil auf den Meßlichtstrahl 23' moduliert. Das auf die Empfangsfläche der Empfängeranordnung 25, also auf die Reflektorpyramide 27 fokussierte Punktbild 23'' bleibt bei genauer Fokuslage symmetrisch, wie in 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 Oberfläche 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 Reflektorpryramide 27 erzeugten Punktbildes 23" vorliegt, wie in 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 werden, um dann an die Auswerteschaltung 26 angelegt zu werden. Es ist jedoch auch möglich, die Ausgangssignale I₁ bis I₄ der Strahlungsempfänger 29.1 bis 29.4 an die Auswerteschaltung 26 anzulegen und die Berechnung des Meßsignals S in der Auswerteschaltung 26 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 Nachführeinrichtung zugeführt wird, die dafür sorgt, daß die tatsächliche Fokuslage, 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 erfndungsgemäß der adaptive Spiegel 19 eingesetzt, dessen Reflektionsfläche so verformt werden kann, daß sie der auftreffenden Lichtwelle einen zusätzlichen konkaven oder konvexen sphärischen Anteil aufprägt. Auf diese Weise läßt sich die Fokuslage nahezu verzögerungsfrei nachführen. Hier lassen sich Änderungen 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 1 gestrichelt angedeuteten Nachstelleinrichtung 30 den Fokussierspiegel 20 gegenüber dem Bearbeitungskopf zu verschieben, um so die Fokuslage zu regeln, ohne daß es erforderlich ist, den gesamten Laserbearbeitungskopf zu verschieben.

Claims

Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche (22) eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Laserbearbeitungsanlage, mit – einem ersten, inem 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 (11) Fokussiert wird, daß der Fokus (24) des Meßlichtstrahls (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 reflektierenden Meßlichtstrahl (23') in einen Empfangsbereich einer ortsauflösenden, strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung (25, 25') fokussiert, um die Intensitätsverteilung des Meßlichtstrahls (23') im Empfangsbereich zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Beugungselement ein Hologramm, vorzugsweise ein Phasenhologramm (18') ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hologramm (18') sowohl als Auskoppelgitter als auch als Abbildungselement wirkt, um den reflektierten Meßlichtstrahl (23') sowohl aus dem Arbeitsstrahlengang herauszubeugen, als auch entsprechend den für die Meßcharakteristik nötigen optischen Abbildungseigenschaften auf die strahlungsempfindliche Empfängeranordnung (25) zu fokussieren.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierende Meßlichtstrahl (23') astigmatisch auf die strahlungsempfindliche Empfängeranordnung (25) fokussiert wird.
Vorrichtung nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das erste als auch das zweite Beugungsele ment (18, 18') auf einem Spiegel (14) im Arbeitsstrahlengang angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Beugungselemente (18, 18') auf demselben Spiegel (14) im Arbeitsstrahlengang angeordnet sind.
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 gegenüberliegt.
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 Arbeitsstrahlengangs erstrecken.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßlichtstrahl (23) oder -strahlen, der in die +1. und/oder –1. Beugungsordnung gebeugte Anteil des Arbeitslichtstrahls (11) verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine 2-dimensional ortsauflösende, strahlungsempfindliche Empfängeranordnung (25, 25') vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfängeranordnung ein Quadrantenempfänger mit vier Empfangsbereichen vorgesehen ist, die im wesentlich einen quadratförmigen Empfangsbereich festlegen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitslicht IR-Strahlung, insbesondere IR-Laserstrahlung, vorzugsweise die langwellige IR-Laserstrahlung eines CO₂-Lasers verwendet wird, und daß die strahlungsempfindliche Empfängeranordnung eine thermoelektrische Wandleranordnung, vorzugsweise eine Thermosäulenanordnung ist.
Vorrichtung zum Regeln der Lage eines Arbeitsfokus relativ zu einer Oberfläche (22) eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Laserbearbeitungslage, mit – einer Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Arbeitsfokus (21) nach einem der vorastehenden Ansprüche, – einer Auswerteschaltung (26), der Ausgangssignale der strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung (25) zugeführt werden, um daraus ein der Abweichung der Ist-Fokuslage von der Soll-Fokuslage entsprechenden Signal zu ermitteln, und – einer Nachführeinrichtung (19; 30), der das der Abweichung der Ist-Fokuslage von der Soll-Fokuslage enstprechende Signal zugeführt wird, um in Abhängigkeit davon die Fokuslage nachzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführeinrichtung einen im Arbeitsstrahlengang angeordneten adaptiven Spiegel (19) umfaßt, dessen Abbildungseigenschaften in Abhängigkeit von dem der Abweichung der Ist-Fokuslage von der Soll-Fokuslage entsprechenden Signal einstellbar sind, um dem von der Fokussieroptik (20) kommenden oder zu ihr laufenden Lichtstrahl entsprechend der gewünschten Änderung der Fokuslage eine zusätzliche Divergenz oder Konvergenz aufzuprägen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführeinrichtung eine Stellvorrichtung (30) für die Fokussieroptik (20) umfaßt, die die Lage der Fokussieroptik (20) in Abhängigkeit von dem der Abweichung der Ist-Fokuslage von der Soll-Fokuslage entsprechenden Signal einstellt.