JP6284629B2 - 高エネルギービームの焦点位置を決定する装置および方法 - Google Patents
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Description
本発明の基礎をなす課題は、高エネルギービームを用いたワークピースの加工中に焦点位置を高い信頼性のもとで決定することのできる装置及び方法を提供することである。
前記課題は、冒頭に述べたような形式の装置において、
前記ワークピース上に前記高エネルギービームを集光させる集光素子と、
前記集光素子を貫通して延在する監視ビームパスを用いて、前記ワークピースの表面及び/又は前記基準輪郭における監視すべき領域をキャプチャする画像キャプチャデバイスであって、前記高エネルギービームに対して非同軸方向に延在する監視方向に対応付けられた少なくとも1つの監視ビームを形成するように構成され、かつ、少なくとも1つの前記監視方向からの前記監視すべき領域及び/又は前記基準輪郭の少なくとも1つの画像を生成する結像光学系を含んでいる、画像キャプチャデバイスと、
前記高エネルギービームの前記ビーム方向における前記焦点位置を、記録された前記少なくとも1つの画像の評価により決定する評価デバイスとを備えた装置によって解決される。
Claims (29)
- ワークピース(3)及び/又は装置(1)の基準輪郭(5b)に対する、高エネルギービーム(2)のビーム方向(13)における前記高エネルギービーム(2)の焦点位置(F,F′,F″)を決定する装置(1)であって、
前記ワークピース(3)上に前記高エネルギービーム(2)を集光させる集光素子(4)と、
前記集光素子(4)を貫通して延在する監視ビームパス(7)を用いて、前記ワークピース(3)表面(3a)及び/又は前記基準輪郭(5b)における監視すべき領域(15)をキャプチャする画像キャプチャデバイス(9)であって、前記高エネルギービーム(2)に対して非同軸方向に延在し且つ前記集光素子(4)の光軸に対して所定の角度をなして延在する前記監視ビームパス(7)の監視方向(R1)に対応付けられた少なくとも1つの監視ビーム(7a)を形成するように構成され、かつ、少なくとも1つの前記監視方向(R1)からの前記監視すべき領域(15)及び/又は前記基準輪郭(5b)の少なくとも1つの画像(B1)を生成する結像光学系(14)を含んだ、画像キャプチャデバイス(9)と、
前記高エネルギービーム(2)の前記ビーム方向(13)における前記焦点位置(F,F′,F″)を、少なくとも1つの記録された画像(B1)の評価により決定する評価デバイス(19)とを備えていることを特徴とする装置(1)。 - 前記評価デバイス(19)は、前記高エネルギービーム(2)のビーム方向(13)における焦点位置(F,F′,F″)を、前記少なくとも1つの記録された画像(B1)における前記基準輪郭(5b)の位置(P,P′)に基づいて決定するように構成されている、請求項1記載の装置(1)。
- 前記画像キャプチャデバイス(9)は、さらなる監視方向(R2;R)に対応付けられた少なくとも1つのさらなる監視ビーム(7b)を形成するように構成されており、
前記結像光学系(14)は、少なくとも2つの異なる監視方向(R1,R2)からの前記監視すべき領域(15)及び/又は前記基準輪郭(5b)の少なくとも2つの画像(B1,B2;B3,B4)を生成するように構成されており、
前記評価デバイス(19)は、記録された複数の画像(B1,B2;B3,B4)の比較評価によって前記高エネルギービーム(2)の前記焦点位置(F,F′,F″)を決定するように構成されている、請求項1記載の装置(1)。 - 前記装置(1)は、前記ワークピース(3)表面(3a)、特に前記監視すべき領域(15)内を照明する、及び/又は、前記基準輪郭(5b)を照明する、照明源(10)を備えている、請求項1から3いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記ワークピース(3)表面(3a)における前記監視すべき領域(15)をキャプチャする前記画像キャプチャデバイス(9)の前記監視ビームパス(7)は、前記基準輪郭(5b)によって画定された画像キャプチャ領域(5a)を有している、請求項1から4いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記評価デバイス(19)は、前記ワークピース(3)に対する前記高エネルギービーム(2)の前記焦点位置(F,F′,F″)を、前記監視すべき領域(15)内の前記ワークピース(3)表面(3a)の複数の画像(B1,B2;B3,B4)の比較評価によって決定するように構成されている、請求項3から5いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記結像光学系(14)は、各監視方向(R1,R2)に対応付けられた少なくとも2つの結像光学素子(16a,16b,22)を有している、請求項3から6いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記結像光学素子(16a,16b,22)は、円柱レンズとして構成されている、請求項7記載の装置(1)。
- 前記結像光学素子(22)は、レンズアレイ(24)を形成する、請求項7又は8記載の装置(1)。
- 前記結像光学系(14)は、各監視方向(R1,R2,...)に対応付けられた少なくとも2つのビーム偏向領域(26a,26b;26c,26d)を有する偏向デバイス(26)を備えている、請求項3から9いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記偏向デバイス(26)は、少なくとも1つの偏光プリズムを有している、請求項10記載の装置(1)。
- 前記画像キャプチャデバイス(9)は、各監視方向(R1,R2;R1,R)に対応付けられた少なくとも2つの監視ビーム(7a,7b)を形成するビームオフセットデバイス(28a,28b)を有している、請求項3から11いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記画像キャプチャデバイス(9)は、各監視方向(R1,R2;R1,R)に対応付けられた少なくとも2つの監視ビーム(7a,7b)を異なる時点で形成するように構成されている、請求項3から12いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記画像キャプチャデバイス(9)は、各監視方向(R1,R2;R1,R)に対応付けられた少なくとも2つの監視ビーム(7a,7b)を形成する少なくとも1つの絞り(31)を有している、請求項3から13いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記結像光学系(14)は、異なる監視方向(R1,R2,...)からの前記監視すべき領域(15)及び/又は前記基準輪郭(5b)の少なくとも3つの画像(B1,B2;B3,B4)を生成するように構成されている、請求項3から14いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記結像光学系(14)は、監視方向(R)からの前記ワークピース(3)表面(3a)における監視すべき領域(15)の画像(B)を前記高エネルギービーム(2)に対して同軸方向で形成する結像光学素子(18)を有している、請求項1から15いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記評価デバイス(19)は、前記高エネルギービーム(2)に対して同軸方向で記録された画像(B)と、前記高エネルギービーム(2)に対して非同軸方向で記録された少なくとも1つの画像(B1〜B4)とを比較評価するように構成されている、請求項16記載の装置(1)。
- 前記画像キャプチャデバイス(9)は、前記ワークピース(3)上に前記高エネルギービーム(2)を通過させるためのレーザー加工用ノズル(5)のノズル開口部(5a)によって少なくとも1つの画像(B1〜B4,B)が記録されるように構成されている、請求項1から17いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記レーザー加工用ノズル(5)のノズル内側輪郭(5b)は、前記基準輪郭を形成する、請求項18記載の装置(1)。
- 前記画像キャプチャデバイス(9)は、少なくとも1つの画像(B1〜B4,B)が生成される検出器面(12a)を有する少なくとも1つの検出器を備えている、請求項1から19いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記評価デバイス(19)は、記録された画像(B1〜B4,B)の比較評価によって、前記基準輪郭(5a)と前記ワークピース(3)表面(3a)との間の間隔(D)を決定するように構成されている、請求項3から20いずれか1項記載の装置(1)。
- さらに前記装置(1)は、前記ビーム方向(13)において前記高エネルギービーム(2)の焦点位置(F,F′,F″)を変更させるデバイス(21)と、前記高エネルギービーム(2)の前記焦点位置(F′,F″)を、目標焦点位置(F)に開ループ及び/又は閉ループ制御する開ループ及び/又は閉ループ制御デバイス(20)とを含んでいる、請求項1から21いずれか1項記載の装置(1)。
- さらに前記装置(1)は、前記高エネルギービーム(2)のビーム方向(13)における前記結像光学系(14)の焦点位置(F,F′,F″)を変更させるデバイス(32)と、前記結像光学系(14)の前記焦点位置(F′,F″)を、目標焦点位置(F)に開ループ及び/又は閉ループ制御する開ループ及び/又は閉ループ制御デバイス(20)とを含んでいる、請求項1から22いずれか1項記載の装置(1)。
- 前記高エネルギービーム(2)は、レーザービームである、請求項1から23いずれか1項記載の装置(1)。
- ワークピース(3)上に高エネルギービーム(2)を集光させる集光素子(4)を備えた装置(1)の基準輪郭(5b)及び/又はワークピース(3)に対する、前記高エネルギービーム(2)のビーム方向(13)において、前記高エネルギービーム(2)の焦点位置(F,F′,F″)を決定する方法であって、
前記ワークピース(3)表面(3a)及び/又は前記基準輪郭(5b)における監視すべき領域(15)を、前記集光素子(4)を貫通して延在する監視ビームパス(7)を用いてキャプチャするステップと、
前記監視すべき領域(15)及び/又は前記基準輪郭(5b)の少なくとも1つの画像(B1〜B4)を、前記高エネルギービーム(2)に対して非同軸方向に延在し且つ前記集光素子(4)の光軸に対して所定の角度をなして延在する前記監視ビームパス(7)の監視方向(R1)に対応付けられた少なくとも1つの監視ビーム(7a)の形成によって生成するステップと、
前記高エネルギービーム(2)の前記ビーム方向(13)における前記焦点位置(F,F′,F″)を、少なくとも1つの記録された画像(B1)の評価によって決定するステップとを含んでいることを特徴とする方法。 - 前記高エネルギービーム(2)の前記ビーム方向(13)における前記焦点位置(F,F′,F″)を、前記少なくとも1つの記録された画像(B1)における基準輪郭(5b)の位置(P,P′)に基づいて決定する、請求項25記載の方法。
- 少なくとも2つの異なる監視方向(R1,R2)から前記監視すべき領域(15)及び/又は前記基準輪郭(5b)の少なくとも2つの画像(B1〜B4)を生成するために、さらなる監視方向(R2;R)に対応付けられた少なくとも1つのさらなる監視ビーム(7b)を形成し、
記録された複数の画像(B1,B2;B3,B4)の比較評価によって、前記高エネルギービーム(2)の前記焦点位置(F,F′,F″)を決定する、請求項25記載の方法。 - 前記高エネルギービーム(2)は、レーザービームである、請求項25から27いずれか1項記載の方法。
- 請求項25から28いずれか1項記載の方法の全てのステップをコンピュータプログラムとしてデータ処理システム上で実施するためのコード手段を有している、コンピュータプログラム。
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