WO2019174895A1 - Vorrichtung für die bestimmung einer ausrichtung einer optischen vorrichtung eines kohärenztomographen, kohärenztomograph und laserbearbeitungssystem - Google Patents
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- G01B9/0209—Low-coherence interferometers
- G01B9/02091—Tomographic interferometers, e.g. based on optical coherence
Definitions
- the present disclosure relates to an apparatus for determining a position of an optical device of a coherence tomograph, a coherence tomograph with the same and a laser processing system having such a coherence tomograph.
- the present disclosure particularly relates to a laser processing head, e.g. a laser welding head comprising an optical coherence tomograph and a device for determining a drift of one or more optical devices of the coherence tomograph, such as a mirror, prism or optical grating.
- a laser material processing apparatus e.g. In a laser processing head, for example for laser welding or laser cutting, the laser beam exiting from a laser light source or an end of a laser fiber is focused or bundled onto the workpiece to be machined with the aid of beam guidance and focusing optics.
- a laser processing head with collimator optics and focusing optics is used, the laser light being supplied via an optical fiber, also referred to as a laser source.
- optical coherence tomography can be used to measure various vinparanieter, such as the distance to the workpiece during laser cutting, the edge position in the flow and the weld depth during a weld and / or the surface topography in the wake.
- OCT optical coherence tomography
- an OCT measuring beam can be directed onto the workpiece.
- the OCT measuring beam can be moved over the workpiece to be machined, for example by means of reflection on at least one movable mirror.
- the movable mirror is attached eg to a galvanometer and thus forms a Galvanoscanner or a galvanometer scanner.
- the OCT measured values are used to monitor and control the machining process, the angular position of the galvanometer scanner and thus the position of the measuring spot on the workpiece must be as close as possible to each measured value recorded be known exactly.
- the monitoring of welding processes by means of the OCT is known, for example, from WO 2014/138939 A1.
- Galvanometer scanners can have a position detector that measures the actual position of the axis of rotation of the scanner. This can be compared by a control loop with a predetermined desired position and the deviation can be minimized. Theoretically, therefore, in the stationary state, the deviation between the position specified from the outside and the position approached by the scanner should be zero. In real operation, however, cause thermal effects, external interference and deterioration of the position detectors used the galvanometer scanner to a deviation of the real Winkelposi tion of the desired position. The control loop can not correct this deviation because, e.g. the position detector, whose value is controlled, is itself subject to thermal influences and the control circuit can thus not detect small deviation of the actual position from the desired position.
- This phenomenon is also called the drift of a galvoscanner and is both time- and temperature-dependent. Therefore, the true position of the measurement spot on the workpiece surface can not be determined with sufficient accuracy at all times because the measurement spot position changes with the drift of the scanner even if the target position of the mirror is kept constant.
- DE 10 2015 012 565 B3 describes a measuring device with a spatially resolving sensor, which is designed to detect a region of the workpiece measured by a measuring beam by means of a sensor beam and to generate spatially resolving information based thereon.
- This spatially resolving sensor must be additionally introduced into the system who the, thereby increasing the manufacturing cost and the complexity of the system.
- an apparatus for determining an orientation or a drift of an optical device or an optical element of a coherence tomograph is specified.
- the optical device or the optical element may be configured to deflect an optical measuring beam of the coherence tomograph.
- the optical device or the optical element can be movable in particular.
- the device comprises an optical reference geometry, a deflection optics, which is set up to direct an optical measuring beam of the coherence tomograph deflected or reflected by the optical device onto the optical reference geometry, and an evaluation unit which is set up by a distance between one first reference plane and at least a second reference plane of the optical reference geometry to determine the orientation or drift of the optical device ago direction.
- Drift may denote a deviation of an orientation of the optical device from a predetermined orientation.
- the optical Vorrich device or the optical element of the coherence tomograph can be movable.
- the optical device or the optical element can be configured to deflect an optical measuring beam of the coherence tomograph or to move it on a workpiece surface.
- the second reference plane is preferably suitable for reflecting or diffusely reflecting the optical measuring beam.
- the existing OCT measuring technique can be used to determine, for example, the difference between the nominal and actual position of the optical device, for example one or more mirrors of a galvanometer scanner.
- the use of a additional, spatially resolving detector for determining the orientation or the drift of the optical device can be omitted.
- the measuring beam is directed to the reference geometry and the distance is measured. From the measured distance or a change of the measured distance with respect to a reference or calibration value, the orientation of the optical device can be determined and preferably corrected subsequently.
- the evaluation unit may be configured to determine a deviation of the orientation of the optical device from a predetermined orientation, i. For example, a difference between the desired and actual position of the optical device.
- the deflection optics comprise one or more mirrors.
- the measuring beam can be deflected by the one or more mirrors to the reference geometry.
- the deflection optics include a lens configured to focus the optical measurement beam on the reference optical geometry. By focusing the beam size, it is possible to determine changes in distance with increased precision.
- the deflection optics may comprise at least one semitransparent mirror configured to deflect a portion of the optical measuring beam.
- the measuring beam can be divided by the partially transmissive mirror, which at the same time a distance measurement with respect to a working plane and the reference geometry he can follow.
- the evaluation unit is set up to determine a positioning of the optical device. For example, an angular position of one or more mirrors, for example an angular position of a galvanometer scanner, can be determined. For example, the angular position may be based on a difference between a desired and actual Position corrected to compensate for drift.
- the evaluation unit can be set up to output a correction value for the drift correction, for example to a control unit for aligning the optical device.
- the evaluation unit is set up to determine a distance between the first reference plane and one, two or more points on the optical reference geometry. By measuring a plurality of points on the reference geometry, a precision of the determination of the orientation of the optical device can be increased.
- the optical reference geometry preferably has at least one plane, diffusely reflecting surface.
- the reference geometry is an optical element having a surface that has discontinuities.
- the reference geometry may have multiple non-parallel planes. Each of the non-parallel planes may provide a respective second reference plane.
- the optical reference geometry may comprise two or more second reference planes, wherein the two or more second reference planes are each plane, diffusely reflecting surfaces.
- the two or more second reference planes may include four second reference planes.
- the four second reference planes may be inclined to each other and coincide at a common point. In other words, four second reference planes can intersect at a common point or a calibration zero point.
- the reference geometry may have a saddle-like shape of at least four second reference planes.
- the reference geometry may include a calibration plane and / or a calibration zero point.
- At least two of the second reference planes are arranged such that, for a deviation of the alignment of the optical device in a first direction, an increase in distance with respect to a calibration position or calibration plane results on the reference geometry.
- the at least two of the second reference planes may be opposite inclined planes.
- At least two further second reference planes may be arranged such that a deviation in the distance of a calibration position or calibration plane on the reference geometry results for a deviation of the alignment of the optical device in a second direction.
- the at least two further of the second reference Reno levels can be opposite inclined planes.
- the first and second directions may denote a positive and a negative direction along the same coordinate axis (eg, X-axis or Y-axis).
- the first direction may designate a direction along a first coordinate axis and the second direction a direction along a second coordinate axis perpendicular to the first coordinate axis.
- a coherence tomography includes an optical device and the device for determining an orientation of the optical device according to the above-described embodiments.
- the optical device can be configured to deflect an optical measuring beam of the coherence tomograph or to move it on a workpiece surface.
- the optical device comprises at least one element selected from at least one mirror, at least one optical grating and at least one prism.
- the opti cal device may be a galvanometer scanner or include such.
- the optical device, e.g. the at least one mirror may be rotatably mounted about one or more axes, such as an X-axis and a Y-axis, which are oriented orthogonal to each other.
- two mirrors are provided, one of which is rotatably mounted about the X-axis and the other about the Y-axis.
- the optical coherence tomograph is arranged to detect a deviation in orientation, i. a drift of the optical device based on the determined distance in one or more spatial dimensions to compensate.
- a deviation in orientation i. a drift of the optical device based on the determined distance in one or more spatial dimensions to compensate.
- the angular position of the at least one mirror of the galvanometer scanner can be corrected by rotating about the axes in two spatial dimensions.
- the two spatial dimensions may be, for example, the X and Y directions.
- the coherence tomograph comprises a reference arm.
- the device for determining an alignment of the optical device may be additionally and separately provided from the reference arm.
- the optical device may comprise a galvano scanner in the reference arm of the coherence tomograph.
- a laser processing system is specified.
- the laser processing system comprises a laser device for providing a processing beam, wherein the laser device is arranged to direct the processing beam to a processing region of a workpiece, and the coherence tomograph according to the embodiments described above.
- a method for determining an alignment of an optical device of a coherence tomograph includes directing an optical measuring beam to an optical reference geometry, determining a distance between a first reference plane and at least a second reference plane of the optical reference geometry, and determining the orientation of the optical device based on the measured distance.
- FIG. 1 shows a laser processing system according to embodiments of the present disclosure
- FIG. 2 shows a laser processing system with a device for determining an orientation of an optical device of a coherence tomograph according to the present disclosure
- 3 shows a laser processing system with a device for determining an alignment of an optical device of a coherence tomograph according to further embodiments of the present disclosure
- FIG. 2 shows a laser processing system with a device for determining an orientation of an optical device of a coherence tomograph according to the present disclosure
- 3 shows a laser processing system with a device for determining an alignment of an optical device of a coherence tomograph according to further embodiments of the present disclosure
- FIG. 4 shows a change in length caused by a drift of the optical device
- FIG. 5 is perspective views of a reference geometry according to embodiments of the present disclosure.
- FIG. 6 shows a reference geometry without drift
- FIG. 7 shows a reference geometry and a drift in the X direction
- FIG. 8 shows a reference geometry and a drift in the Y direction.
- FIG. 1 shows a schematic illustration of a laser processing system 100 according to embodiments of the present disclosure.
- the laser processing system 100 may comprise a laser welding head 101, and in particular a laser welding head for laser deep welding.
- the laser processing system 100 comprises a laser device 110 for producing a processing beam 10 (also referred to as “laser beam” or “processing laser beam”) and a coherence tomograph 200 according to the embodiments described here.
- the laser processing system 100 and in particular the coherence tomograph 200, comprises the device for determining an alignment of an optical device of the Coherence tomograph 200. The device is described in more detail with reference to Figures 2 to 8.
- the laser device 110 is set up to direct the processing beam 10 to a processing region of a workpiece 1.
- the laser device 110 may include a collimator lens 120 for collimating the processing beam 10.
- the machining beam 10 is deflected by a suitable optics 220 by approximately 90 ° in the direction of the workpiece 1.
- the coherence tomograph 200 typically includes a collimator optic 210 configured to collimate the optical measuring beam 13 and a focusing optic 230 configured to focus the optical measuring beam 13 on the workpiece 1.
- the machining beam 10 and the optical measuring beam 13 may be at least partially coaxial, and in particular may be coaxially superimposed at least in stretches.
- the coherence tomograph 200 can be set up to couple the optical measuring beam 13 into a beam path of the laser device 110.
- the merging of the optical measuring beam 13 and the machining beam 10 can take place after the collimator optics 210 and in front of the focusing optics 230.
- the optic 220 may comprise a semitransparent mirror.
- the collimator optic 210 and the focusing optic 230 are integrated into the weld head 101.
- the weld head 101 may include a collimator module 102 integrated into the weld head 101 or mounted to the weld head 101.
- the focusing optics 230 may be a common focusing optic, such as a focus lens, for the processing beam 10 and the measuring beam 13, for example.
- the laser processing system 100 or parts thereof, such as the welding head 101 may, according to embodiments, be movable along a machining direction 20.
- the machining direction 20 may be a cutting or welding direction and / or a direction of movement of the laser processing system 100, such as the welding head 101, relative to the workpiece 1.
- the machining direction 20 a be horizontal direction.
- the machining direction 20 may also be referred to as "feed direction”.
- the principle of distance measurement described here is based on the principle of optical coherence tomography, which makes use of the coherence properties of light with the aid of an interferometer.
- the coherence tomograph 200 may comprise an evaluation unit 240 with a broadband light source (for example a superluminescent diode, SLD), which couples the measurement light into an optical waveguide 242.
- a beam splitter 244 which preferably has a fiber coupler, the measuring light is split into a reference arm 246 and a measuring arm, which leads into the welding head 101 via an optical waveguide 248.
- the collimator optics 210 serves to collimate the measuring light (optical measuring beam 13) emerging from the optical waveguide 248.
- the optical measuring beam 13 in the welding head 101 with the machining beam 10 are coaxially Göla siege.
- the processing laser beam 10 and the optical measuring beam 13 can be focused on the workpiece 1 by the focusing optics 230, which may be a common lens or focusing lens.
- a position of the optical measuring beam 13 on the workpiece 1 can be adjusted by an optical device.
- the optical device may be a galvanometer scanner.
- the optical device may comprise at least one mirror (see eg Figures 2 and 3).
- the optical device may also comprise at least one optical grating or at least one prism.
- the optical device, such as the at least one mirror may be rotatable about at least one axis, such as an X-axis and / or a Y-axis.
- the optical device comprises two mirrors, one mirror being mounted for rotation about the X axis and the other mirror for rotation about the Y axis.
- the optical coherence tomograph 200 may be further configured to correct, based on the determined distance, an angular position of the at least one mirror, prism, or grating of the galvanometer scanner in one or more spatial dimensions to compensate for drift.
- the optical device can also be arranged in the reference arm of the coherence tomograph.
- the optical measuring beam 13 can be directed, for example, into a vapor capillary on the workpiece 1.
- the measuring light reflected back from the vapor capillary is imaged onto the exit / entrance surface of the optical waveguide 248 by the focusing optic 230, superimposed in the fiber coupler 244 with the reflected light from the reference arm 246 and then directed back into the evaluation unit 240.
- the superimposed light contains information about the path length difference between the reference arm 246 and the measuring arm. This information is evaluated in the evaluation unit 240, whereby the user receives information on the distance between the bottom of the vapor capillary and, for example, the welding head 101 or via a topography of the workpiece surface.
- the device for determining an alignment of the optical device may additionally and separately be provided by the reference.
- the coherence tomograph 200 may be configured to measure by means of the optical measuring beam 13 a distance to the workpiece 1, for example with respect to a reference point defined by the coherence tomograph 200 or a reference plane.
- the coherence tomograph 200 may be configured to measure a change in distance as the welding head 101 moves along the machining direction 20.
- a depth profile of the Dampfkapilla re created.
- the topography measurement can be used according to embodiments for error detection and / or control of one or more process input variables.
- the process inputs may be e.g. a processing speed, a laser power, a laser focus, and / or operating parameters of the laser device include.
- the coherence tomograph 200 can be set up to perform distance measurements, for example before, during and / or after the laser processing.
- the optical measuring beam 13 which may be a low-energy measuring beam fed to the processing head via a light guide, collimated and then coaxially superimposed on closing with the high-energy processing beam and be focused by a common Folcusoptik on the workpiece to be machined.
- Thieves- Tuning the alignment of the optical device of the coherence tomograph 200 and then correcting the alignment allows a distance measurement to the workpiece with increased precision.
- the determination of the alignment of the optical device can be done during the laser processing or separately in a separate process.
- FIG. 2 shows a laser processing system with an apparatus 300 for determining an alignment of an optical device 250 of a coherence tomograph according to embodiments of the present disclosure.
- the deflection of the measurement beam 13 also referred to as "OCT beam" for determining the drift of a galvanometer scanner is shown.
- the device 300 comprises an optical reference geometry 310, a deflection optics 320 which is set up to direct an optical measuring beam 13 reflected by the optical device 250 onto the optical reference geometry 310, and an evaluation unit which is set up by a distance between a first reference plane A and the opti's reference geometry 310 and one or more second reference planes C of the reference optical geometry 310 to determine the orientation of the optical device 250 to determine.
- the evaluation unit can be the evaluation unit shown in FIG. 1 and provided with the reference numeral 240 or integrated therein.
- an OCT light source 301 is either directed onto the workpiece 1 via the optical device 250, which may comprise at least one movable mirror, in order to be able to carry out a measurement on the workpiece 1 (ie measure the distance between the planes A and B), or steered to the deflection optics 320 to measure the distance between the planes A and C.
- the existing OCT measurement technique may be used to determine the difference between desired and actual position of the optical device 250. The use of an additional, spatially resolving detector is thus eliminated. This allows cheap galvo scanners to be used for high-precision applications.
- the measuring beam 13 is directed to the reference geometry 310.
- the measuring beam 13 can be directed to the reference geometries 310, for example by deflection of the optical device 250.
- the deflection optic 320 includes one or more mirrors 322.
- the measurement beam 13 may be reflected by a plurality of mirrors 322 multiple times to direct it to the reference geometry 310.
- the deflection optic 320 includes a lens 324 configured to focus the optical measurement beam 13 on the reference optical geometry 310. By focusing the beam size, it is possible to determine changes in distance with increased precision.
- the drift can be determined periodically during material processing (and preferably subsequently corrected).
- the evaluation unit is configured to determine a positioning of the optical device 250. For example, an angular position of one or more mirrors, one or more galvanometer scanners, one or more prisms, or one or more optical gratings or combinations thereof may be determined. For example, the angular position may be corrected based on a difference between the desired and actual positions to compensate for drift caused by thermal effects, external interference, and / or degradation of the position detectors used. For this purpose, the evaluation unit 240 can transmit a correction value for correcting the alignment to the coherence tomograph.
- the optical coherence tomograph 200 is configured to correct for a deviation of the orientation of the optical device 250 based on the determined distance in one or more, and particularly in two, spatial dimensions.
- the two spatial dimensions may, for example, be the X and Y directions (see FIGS. 6 to 8).
- the optical coherence tomograph 200 is configured to correct an angular position of the at least one mirror of a galvanometer scanner in the respective spatial dimensions based on the determined distance between the planes A and C.
- the first reference plane A may be a reference plane in the measuring arm of the coherence tomograph for the distance measurements to the workpiece 1 and may additionally be used for determining the orientation of the optical device 250.
- the existing OCT measurement technique can be used to determine the difference between the desired and actual position of the optical device 250 by directing the measurement beam 13 to the reference geometry 310 by means of the optical device 250 .
- the first reference plane A is the plane of the light source 301 of the coherence tomograph.
- the optical reference geometry 310 provides one or more second reference planes C.
- the distance determined by the device according to the invention is defined between the first reference plane A and a corresponding second reference plane C.
- a distance between the first reference plane A, such as the plane of the light source 301, and the plane of the workpiece 1 (ie the working plane B) corresponds to the distance between the first reference plane A and at least one second reference plane C or a calibration position optical reference geometry 310.
- the reason for this is that an OCT measuring system usually offers only a small measuring range, eg in the range of about 12 mm. Therefore, if the distances differ by more than the size of the measuring range, only one of the two distances can be measured.
- the reference arm length can be tracked, but this entails increased effort and costs.
- the distance between the planes A and C, and in particular between the plane A and the calibration position, is referred to as lo and may be for at least one angle 0o, e.g. When setting up the system, OCT measurement technology can be precisely determined.
- FIG. 3 shows a laser processing system with an apparatus 300 'for determining an alignment of an optical device 250 of a coherence tomograph according to further embodiments of the present disclosure.
- the laser processing system of FIG. 3 is similar to the laser processing system shown in FIG. 2, and a description of similar and identical merlanals will not be repeated.
- the deflection optics 320 comprise at least one beam splitter or a partially transmissive mirror 326, which is set up to deflect a part of the optical measuring beam 13.
- the measuring beam 13 can be divided by the partially transmissive mirror 326, whereby at the same time a distance measurement for Ar beitsebene B and reference geometry 310 can be carried out.
- Figure 4 shows a change in length by an angle 6 d (drift angle), which is caused by drift.
- the measured change in length can then be used by a controller to compensate for the drift of the galvanometer scanner, whereby the real position of the measuring spot on the workpiece can be determined more accurately than would be possible without compensation. This makes a measurement by the coherence tomography more accurate.
- the change in the slip angle 0 can be translated d optically to produce a greater change in length of D1, thereby increasing the sensitivity of the drift determination.
- the evaluation unit is typically set up in order to determine a distance between the reference plane A and two or more points on the optical reference geometry.
- more points of the reference geometry can be vennessen at different orientations of the optical device at angles qi, 0 2 ... 0 n during calibration or during setup of the system to the associated lengths li, 1 2 ... l n to determine. These points can be used to more accurately determine the orientation or drift.
- a precision operation of the determination of the direction, and in particular the drift of the optical device 250 can be increased via an arithmetic operation.
- Several points on the reference geometry can be measured to compensate for the drift in several dimensions. This is explained in more detail with reference to Figures 6 to 8.
- FIG. 5 shows perspective views of a reference geometry 500 according to embodiments of the present disclosure.
- the reference geometry 500 has a plurality of second reference planes 501. Although five second reference planes 501 are shown by way of example, the present disclosure is not limited thereto, and any suitable number of second reference planes may be provided. For example, one, two, three, four, five or more second reference planes may be present. Particularly preferred are four second reference planes that intersect at a common point.
- the optical reference geometry 500 has at least one flat, diffusely reflecting surface.
- the flat, diffusely reflecting surface allows the back reflex to be too large for the OCT sensor compared to the back reflection from the process observation and thus the intensity of the source does not have to be reduced.
- the reference geometry is an optical element having a surface that has discontinuities.
- the reference geometry may have multiple non-parallel planes.
- the planes may be inclined surfaces that coincide at a common point 502.
- the common point 502 may be the lowest point.
- the non-parallel planes may provide the second reference planes 501.
- the optical reference geometry may include two or more second reference planes 501, wherein the two or more second reference planes are each plane, diffusely reflective surfaces.
- the reference geometry 500 may include a calibration plane, calibration position or a calibration point.
- the distance between the first reference plane and the calibration plane / calibration point is referred to as lo and can be precisely determined for at least one angle Oo when the system is set up by the OCT measurement technique.
- the four second reference planes shown in FIG. 5 may have four inclined ones Surfaces that meet at common point 502, where point 502 represents the zero point of the calibration (or the calibration position).
- the reference geometry is shaped such that the type of change in length can be used to calculate in which dimension (e.g., in the X or Y direction) the drift has occurred.
- the reference geometry is shaped such that the type of change in length can be used to calculate in which dimension (e.g., in the X or Y direction) the drift has occurred.
- four second reference planes 501 may be arranged such that the four second reference planes 501 intersect at the calibration zero point 502.
- At least two of the second reference planes 501 may be arranged such that an increase in distance results for a deviation of the alignment of the optical device into a first dimension. At least two further second reference planes can be arranged so that a deviation in distance results for a deviation of the alignment of the optical device into a second dimension. This is explained in more detail with reference to Figures 6 to 8.
- FIG. 6 shows the reference geometry without drift.
- the measuring beam strikes the calibration position or the calibration point and the deviation between the actual and desired position of the optical device is equal to zero.
- Figure 7 shows a drift in the first dimension or direction, which may be an X direction. For a deviation of the alignment of the optical device in the first dimension results in an increase in distance.
- Figure 8 shows a drift in the second dimension or direction, which may be a Y-direction.
- the second dimension or Y-direction can be perpendicular to the first dimension or X-direction. For a deviation of the alignment of the optical device in the second dimension results in a distance reduction.
- the optical coherence tomograph is arranged to compensate for a deviation of the orientation of the optical device based on the determined distance in one or more spatial dimensions.
- the angular position of the at least one mirror of a galvanometer scanner can be corrected by rotating about the axes in two spatial dimensions. If there is drift in the X direction, the corresponding mirror can be rotated about the X axis to compensate for the drift. If there is drift in the Y direction, the corresponding mirror can be rotated about the Y axis to compensate for the drift.
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Abstract
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung (300, 300') für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung (250) eines Kohärenztomograph (200). Die Vorrichtung (300, 300') umfasst eine optische Referenzgeometrie (310, 500), eine AblenkOptik (320), die eingerichtet ist, um einen von der optischen Vorrichtung (250) reflektierten optischen Messtrahl (13) auf die optische Referenzgeometrie (310, 500) zu lenken, und eine Auswerteeinheit (240), die eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen einer ersten Referenzebene (A) und wenigstens einer zweiten Referenzebene (C, 501) der optischen Referenzgeometrie (310, 500) zu bestimmen, um die Ausrichtung der optischen Vorrichtung (250) zu bestimmen.
Description
Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomographen, Kohärenztomograph und Laserbearbeitungssystem
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung für die Bestimmung einer Position bzw. Ausrichtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomographen, einen Kohä renztomograph mit derselben und ein Laserbearbeitungssystem mit einem solchen Kohärenztomograph. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere einen Laserbearbei- tungskopf, z.B. einen Laserschweißkopf, mit einem optischen Kohärenztomographen und einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Drift eines oder mehrerer optischen Vorrichtungen des Kohärenztomograph, wie beispielsweise eines Spiegels, Prismas oder optischen Gitters.
Stand der Technik
In einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laser, z.B. in einem Laserbearbei- tungskopf etwa zum Laserschweißen oder Laserschneiden, wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahl- führungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder ge- bündelt. Standardmäßig wird ein Laserbearbeitungskopf mit einer Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei das Laserlicht über eine Lichtleitfaser, auch als La- serquelle bezeichnet, zugeführt wird.
In der Lasermaterialbearbeitung kann optische Kohärenztomografie (OCT) verwendet wer den, um verschiedene Prozessparanieter zu messen, wie beispielsweise den Abstand zum Werkstück beim Laserschneiden, die Kantenposition im Vorlauf sowie die Einschweißtiefe während einer Schweißung und/oder die Oberflächentopographie im Nachlauf. Hierzu kann ein OCT-Messtrahl auf das Werkstück gerichtet werden. Optional kann der OCT-Messtrahl über das zu bearbeitende Werkstück bewegt werden, beispielsweise mittels Reflektion an mindestens einem beweglichen Spiegel. Der bewegliche Spiegel ist dabei z.B. an einem Galvanometer befestigt und bildet somit einen Galvanoscanner bzw. einen Galvanometer scanner. Da die OCT-Messwerte zur Überwachung und Regelung des Bearbeitungsprozes ses genutzt werden, muss die Winkelstellung des Galvanometerscanners und somit die Posi tion des Messflecks auf dem Werkstück zu jedem aufgenommenen Messwert möglichst
genau bekannt sein. Die Überwachung von Schweiß Vorgängen mittels der OCT ist beispielsweise aus der WO 2014/138939 Al bekannt.
Galvanometerscanner können einen Positionsdetektor aufweisen, der die Ist-Position der Drehachse des Scanners misst. Diese kann von einem Regelkreis mit einer vorgegebenen Soll-Position verglichen und die Abweichung minimiert werden. Theoretisch sollte daher im stationären Zustand die Abweichung zwischen der von außen vorgegebenen Position und der vom Scanner angefahrenen Position gleich Null sein. Im realen Betrieb jedoch führen thermische Effekte, Störeinflüsse von außen und eine Verschlechterung der verwendeten Positionsdetektoren der Galvanometerscanner zu einer Abweichung der realen Winkelposi tion von der gewünschten Position. Der Regelkreis kann diese Abweichung nicht korrigieren, da z.B. der Positionsdetektor, auf dessen Wert geregelt wird, selbst thermischen Ein flüssen unterworfen ist und der Regelkreis somit kleine Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position nicht erkennen kann. Dieses Phänomen wird auch als Drift eines Gal- voscanners bezeichnet und ist sowohl zeit- als auch temperaturabhängig. Die echte Position des Messflecks auf der Werkstückoberfläche ist daher nicht zu jedem Zeitpunkt mit ausreichender Genauigkeit bestimmbar, da sich die Messfleckposition mit der Drift des Scanners ändert, selbst wenn die Sollposition des Spiegels konstant gehalten wird.
Es ist daher wünschenswert, die Drift eines Galvanometerscanners genauer zu bestimmen, als es beispielsweise mit dem im Galvanometerscanner verbauten Positionsdetektor möglich ist, um die Abweichung zwischen der Soll- und Ist-Position zu minimieren. In der DE 10 2015 012 565 B3 ist eine Messvorrichtung mit einem ortsauflösenden Sensor beschrieben, der dazu ausgebildet ist, einen von einem Messstrahl vermessenen Bereich des Werkstücks mittels eines Sensorstrahls zu erfassen und darauf basierend ortsauflösende Informationen zu erzeugen. Dieser ortsauflösende Sensor muss zusätzlich in das System eingebracht wer den und erhöht dadurch die Herstellungskosten sowie die Komplexität des Systems.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Vorrichtung für die Bestimmung einer Drift bzw. Ausrichtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomographen, so-
wie einen Kohärenztomographen und ein Laserbearbeitungssystem mit derselben anzuge ben, die eine Ausrichtung einer optischen Vorrichtung präzise bestimmen können. Insbe sondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Differenz zwischen einer Soll- und Ist-Position einer optischen Vorrichtung zum Auslenken eines Messstrahls des Kohärenztomographen, wie beispielsweise eines beweglichen Spiegels, Prismas oder optischen Gitters, mit erhöhter Präzision zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhaf te Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist eine Vorrichtung für die Be stimmung einer Ausrichtung bzw. einer Drift einer optischen Vorrichtung bzw. eines opti schen Elements eines Kohärenztomographen angegeben. Die optische Vorrichtung bzw. das optische Element kann dazu eingerichtet sein, einen optischen Messstrahl des Kohärenztomographen auszulenken. Die optische Vorrichtung bzw. das optische Element kann insbe- sondere beweglich sein. Die Vorrichtung umfasst eine optische Referenzgeometrie, eine Ablenk-Optik, die eingerichtet ist, um einen von der optischen Vorrichtung ausgelenkten oder reflektierten optischen Messtrahl des Kohärenztomographen auf die optische Refe renzgeometrie zu lenken, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen einer ersten Referenzebene und wenigstens einer zweiten Referenzebene der optischen Referenzgeometrie zu bestimmen, um die Ausrichtung bzw. Drift der optischen Vor richtung zu bestimmen. Drift kann hierbei eine Abweichung einer Ausrichtung der optischen Vorrichtung von einer vorgegebenen Ausrichtung bezeichnen. Die optische Vorrich tung bzw. das optische Element des Kohärenztomographen kann beweglich sein. Insbeson dere kann die optische Vorrichtung bzw. das optische Element dazu eingerichtet sein, einen optischen Messtrahl des Kohärenztomographen auszulenken bzw. auf einer Werkstückoberfläche zu bewegen. Vorzugsweise ist die zweite Referenzebene dazu geeignet, den opti schen Messstrahl zu reflektieren oder diffus zu reflektieren.
Erfmdungsgemäß kann die bereits vorhandene OCT-Messtechnik benutzt werden, um bei spielsweise die Differenz zwischen Soll- und Ist-Position der optischen Vorrichtung, z.B. eines oder mehrerer Spiegel eines Galvanometerscanners, zu bestimmen. Der Einsatz eines
zusätzlichen, ortsauflösenden Detektors zur Bestimmung der Ausrichtung bzw. der Drift der optischen Vorrichtung kann entfallen. Zur Bestimmung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung, und insbesondere der Drift des Galvanometerscanners, wird der Messtrahl auf die Referenzgeometrie gerichtet und der Abstand gemessen. Aus dem gemessenen Abstand bzw. einer Änderung des gemessenen Abstands bezüglich eines Referenz- oder Kalibrier- werts kann die Ausrichtung der optischen Vorrichtung bestimmt und vorzugsweise an schließend korrigiert werden.
Bevorzugte, optionale Ausführungsformen und besondere Aspekte der Offenbarung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der vorliegenden Beschreibung.
Vorzugsweise kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, um eine Abweichung der Aus richtung der optischen Vorrichtung von einer vorgegebenen Ausrichtung zu bestimmen, d.h. beispielsweise eine Differenz zwischen Soll- und Ist-Position der optischen Vorrichtung.
Vorzugsweise umfasst die Ablenk-Optik einen oder mehrere Spiegel. Beispielsweise kann der Messstrahl durch den einen oder die mehreren Spiegel auf die Referenzgeometrie ge lenkt werden. Optional umfasst die Ablenk-Optik eine Linse, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl auf die optische Referenzgeometrie zu fokussieren. Durch eine Fokus- sierung der Strahlgröße können Abstandsänderungen mit erhöhter Präzision bestimmt wer- den.
Vorzugsweise kann die Ablenk-Optik wenigstens einen teildurchlässigen Spiegel umfassen, der eingerichtet ist, um einen Teil des optischen Messstrahls abzulenken. Beispielsweise kann der Messstrahl durch den teildurchlässigen Spiegel aufgeteilt werden, wodurch gleich zeitig eine Abstandsmessung bezüglich einer Arbeitsebene und der Referenzgeometrie er folgen kann.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet, um eine Positionierung der optischen Vorrichtung zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Winkelstellung eines oder mehrerer Spiegel, z.B. eine Winkelstellung eines Galvanometerscanners, bestimmt werden. Die Win- kelstellung kann beispielsweise basierend auf einer Differenz zwischen einer Soll- und Ist-
Position korrigiert werden, um eine Drift zu kompensieren. Hierzu kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, um einen Korrekturwert für die Driftkorrektur, beispielsweise an eine Steuereinheit zum Ausrichten der optischen Vorrichtung, auszugeben.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet, um einen Abstand zwischen der ersten Referenzebene und einem, zwei oder mehr Punkten auf der optischen Referenzgeometrie zu bestimmen. Durch das Vermessenen mehrerer Punkte auf der Referenzgeometrie kann eine Präzision der Bestimmung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung erhöht werden.
Vorzugsweise weist die optische Referenzgeometrie wenigstens eine plane, diffus reflektie rende Oberfläche auf. Typischerweise ist die Referenzgeometrie ein optisches Element mit einer Oberfläche, die Unstetigkeiten aufweist. Insbesondere kann die Referenzgeometrie mehrere nicht-parallele Ebenen aufweisen. Jede der nicht-parallelen Ebenen kann eine jeweilige zweite Referenzebene bereitstellen. Beispielsweise kann die optische Referenzgeo- metrie zwei oder mehrere zweite Referenzebenen umfassen, wobei die zwei oder mehreren zweiten Referenzebenen jeweils plane, diffus reflektierende Flächen sind. Die zwei oder mehreren zweiten Referenzebenen können vier zweite Referenzebenen umfassen. Die vier zweiten Referenzebenen können gegeneinander geneigt sein und an einem gemeinsamen Punkt Zusammentreffen. Mit anderen Worten können sich vier zweite Referenzebenen in einem gemeinsamen Punkt bzw. einem Kalibriemullpunkt schneiden. Die Referenzgeomet- rie kann eine sattelartige Form aus wenigstens vier zweiten Referenzebenen aufweisen. Weiter kann die Referenzgeometrie eine Kalibrierebene und/oder einen Kalibriemullpunkt umfassen.
Vorzugsweise sind wenigstens zwei der zweiten Referenzebenen so angeordnet, dass sich für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in eine erste Richtung eine Abstandsvergrößerung bezüglich einer Kalibrierposition oder Kalibrierebene auf der Refe- renzgeometrie ergibt. Die wenigstens zwei der zweiten Referenzebenen können gegenläufig geneigte Ebenen sein. Wenigstens zwei weitere zweite Referenzebenen können so angeordnet sein, dass sich für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in eine zweite Richtung eine Abstandsminderung bezüglich einer Kalibrierposition oder Kalibrie rebene auf der Referenzgeometrie ergibt. Die wenigstens zwei weiteren der zweiten Refe-
renzebenen können gegenläufig geneigte Ebenen sein. Die erste und die zweite Richtung können eine positive und eine negative Richtung entlang derselben Koordinatenachse (z.B. X-Achse oder Y-Achse) bezeichnen. Alternativ kann die erste Richtung eine Richtung entlang einer ersten Koordinatenachse bezeichnen und die zweite Richtung eine Richtung ent- lang einer zweiten Koordinatenachse senkrecht zur ersten Koordinatenachse.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Kohärenztomo- graph angegeben. Der Kohärenztomograph umfasst eine optische Vorrichtung und die Vor- richtung für die Bestimmung einer Ausrichtung der optischen Vorrichtung gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen.
Die optische Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, einen optischen Messtrahls des Kohä- renztomographen auszulenken bzw. auf einer Werkstückoberfläche zu bewegen. Vorzugs- weise umfasst die optische Vorrichtung wenigstens ein Element ausgewählt aus wenigstens einem Spiegel, wenigstens einem optischen Gitter und wenigstens einem Prisma. Die opti sche Vorrichtung kann ein Galvanometerscanner sein oder einen solchen umfassen. Die optische Vorrichtung, z.B. der wenigstens eine Spiegel, kann um eine oder mehrere Achsen drehbar gelagert sein, wie beispielsweise eine X-Achse und eine Y-Achse, die orthogonal zueinander aus gerichtet sind. Typischerweise sind zwei Spiegel vorgesehen, von denen ei- ner um die X-Achse und der andere um die Y-Achse drehbar gelagert ist.
Vorzugsweise ist der optische Kohärenztomograph eingerichtet, um eine Abweichung der Ausrichtung, d.h. eine Drift, der optischen Vorrichtung basierend auf dem bestimmten Ab stand in einer oder mehreren Raumdimensionen zu kompensieren. Beispielsweise kann die Winkelstellung des wenigstens einen Spiegels des Galvanometerscanners durch Drehung um die Achsen in zwei Raumdimensionen korrigiert werden. Die zwei Raumdimensionen kömien beispielsweise die X- und Y-Richtung sein.
Vorzugsweise umfasst der Kohärenztomograph einen Referenzarm. Die Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung der optischen Vorrichtung kann zusätzlich und getrennt vom Referenzarm vorgesehen sein. Beispielsweise kann die optische Vorrichtung einen Galva- nometerscanner im Referenzarm des Kohärenztomographen umfassen.
Gemäß anderen Ausführungsformen ist ein Laserbearbeitungssystem angegeben. Das Laserbearbeitungssystem umfasst eine Laservorrichtung zum Bereitstellen eines Bearbeitungs strahls, wobei die Laservorrichtung eingerichtet ist, um den Bearbeitungsstrahl auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks zu lenken, und den Kohärenztomograph gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen.
Gemäß weiteren Ausführungs formen ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomograph angegeben. Das Verfahren umfasst Lenken eines optischen Messstrahls auf eine optische Referenzgeometrie, Bestimmen eines Abstands zwischen einer ersten Referenzebene und wenigstens einer zweiten Referenzebene der optischen Referenzgeometrie, und Bestimmen der Ausrichtung der optischen Vorrich- tung basierend auf dem gemessenen Abstand.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können günstige Galvoscanner für hochpräzise Applikationen eingesetzt werden. Keine zusätzlichen Detektoren oder Lichtquellen sind nötig, wodurch ein einfacherer und robusterer Aufbau sowie eine Kostenreduktion erreicht werden kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann sogar auf zusätzliche Strahlteiler verzichtet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Fol- genden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Laserbearbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenba- rung,
Figur 2 ein Laserbearbeitungssystem mit einer Vorrichtung für die Bestimmung einer Aus richtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomographen gemäß Ausführungsfor men der vorliegenden Offenbarung,
Figur 3 ein Laserbearbeitungssystem mit einer Vorrichtung für die Bestimmung einer Aus- richtung einer optischen Vorrichtung eines Kohärenztomographen gemäß weiteren Ausfüh- rungsformen der vorliegenden Offenbarung,
Figur 4 eine Längenänderung, die durch eine Drift der optischen Vorrichtung verursacht wird,
Figur 5 perspektivische Ansichten einer Referenzgeometrie gemäß Ausführungs formen der vorliegenden Offenbarung,
Figur 6 eine Referenzgeometrie ohne Drift,
Figur 7 eine Referenzgeometrie und eine Drift in X-Richtung, und
Figur 8 eine Referenzgeometrie und eine Drift in Y-Richtung.
Ausführungsformen der Offenbarung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Ele- mente gleiche Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems 100 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Laserbearbeitungssystem 100 kann einen Laserschweißkopf 101 umfassen, und insbesondere einen Laserschweißkopf zum La- sertiefschweißen.
Das Laserbearbeitungssystem 100 umfasst eine Laservorrichtung 110 zum Erzeugen eines Bearbeitungsstrahls 10 (auch als„Laserstrahl“ oder„Bearbeitungslaserstrahl“ bezeichnet) und einen Kohärenztomographen 200 gemäß den hier beschriebenen Ausfuhrungsformen. Das Laserbearbeitungssystem 100, und insbesondere der Kohärenztomograph 200, umfasst die Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung des
Kohärenztomographen 200. Die Vorrichtung ist unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 8 näher beschrieben.
Die Laservorrichtung 110 ist eingerichtet, um den Bearbeitungsstrahl 10 auf einen Bearbei- tungsbereich eines Werkstücks 1 zu lenken. Die Laservorrichtung 110 kann eine Kollima torlinse 120 zur Kollimation des Bearbeitungsstrahls 10 aufweisen. Innerhalb des Laser- schweißkopfes 101 wird der Bearbeitungsstrahl 10 durch eine geeignete Optik 220 um etwa 90° in Richtung des Werkstücks 1 abgelenkt. Der Kohärenztomograph 200 umfasst typi scherweise eine Kollimator-Optik 210, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl 13 zu kollimieren, und eine Fokussier-Optik 230, die eingerichtet ist, um den optischen Mess strahl 13 auf das Werkstück 1 zu fokussieren.
In einigen Ausführungsformen können der Bearbeitungsstrahl 10 und der optische Mess- strahl 13 zumindest streckenweise koaxial sein, und können insbesondere zumindest stre- ckenweise koaxial überlagert sein. Beispielsweise kann der Kohärenztomograph 200 einge- richtet sein, um den optischen Messstrahl 13 in einen Strahlengang der Laservorrichtung 110 einzukoppeln. Die Zusammenführung des optischen Messstrahls 13 und des Bearbei tungsstrahls 10 kann nach der Kollimator-Optik 210 und vor der Fokussier-Optik 230 erfolgen. Beispielsweise kann die Optik 220 einen halbdurchlässigen Spiegel umfassen.
In typischen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, sind die Kollimator- Optik 210 und die Fokussier-Optik 230 in den Schweißkopf 101 integriert. Beispielsweise kann der Schweißkopf 101 ein Kollimatormodul 102 umfassen, das in den Schweißkopf 101 integriert oder am Schweißkopf 101 montiert ist. Die Fokussier-Optik 230 kann eine gemeinsame Fokussier-Optik, wie bei- spielsweise eine Fokuslinse, für den Bearbeitungsstrahl 10 und den Messstrahl 13 sein.
Das Laserbearbeitungssystem 100 oder Teile davon, wie beispielsweise der Schweißkopf 101, kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Bearbeitungsrichtung 20 bewegbar sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kami eine Schneid- bzw. Schweißrichtung und/oder eine Be- wegungsrichtung des Laserbearbeitungssystems 100, wie beispielsweise des Schweißkopfes 101, bezüglich des Werkstücks 1 sein. Insbesondere kann die Bearbeitungsrichtung 20 eine
horizontale Richtung sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann auch als„Vorschubrichtung“ bezeichnet werden.
In typischen Ausführungsformen basiert das hier beschriebene Prinzip zur Abstandsmes sung auf dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie, die sich unter Zuhilfenahme eines Interferometers die Kohärenzeigenschaften von Lichts zunutze macht. Der Kohä- renztomograph 200 kann eine Auswerteeinheit 240 mit einer breitbandigen Lichtquelle (z.B. einer Superlumineszenzdiode, SLD) umfassen, die das Messlicht in einen Lichtwellenleiter 242 koppelt. In einem Strahlteiler 244, der vorzugsweise einen Faserkoppler aufweist, wird das Messlicht in einen Referenzarm 246 und einen Messarm aufgespalten, der über einen Lichtwellenleiter 248 in den Schweißkopf 101 führt.
Die Kollimator-Optik 210 dient dazu, das aus dem Lichtwellenleiter 248 austretende Mess- licht (optischer Messstrahl 13) zu kollimieren. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der optische Messstrahl 13 im Schweißkopf 101 mit dem Bearbeitungsstrahl 10 koaxial überla gert werden. Anschließend können der Bearbeitungslaserstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 durch die Fokussier-Optik 230, die eine gemeinsame Linse oder Fokussierlinse sein kann, auf das. Werkstück 1 fokussiert werden.
Eine Position des optischen Messstrahls 13 auf dem Werkstück 1 kann durch eine optische Vorrichtung eingestellt werden. Beispielsweise kann die optische Vorrichtung ein Galva nometerscanner sein. Die optische Vorrichtung kann wenigstens einen Spiegel umfassen (siehe z.B. Figuren 2 und 3). Alternativ oder zusätzlich kann die optische Vorrichtung auch wenigstens ein optisches Gitter oder wenigstens ein Prisma umfassen. Die optische Vorrich tung, wie bspw. der wenigstens eine Spiegel, kann um wenigstens eine Achse drehbar gela- gert sein, wie beispielsweise eine X-Achse und/oder eine Y-Achse. Typischerweise umfasst die optische Vorrichtung zwei Spiegel, wobei ein Spiegel um die X-Achse und der andere Spiegel um die Y-Achse drehbar gelagert ist. Der optische Kohärenztomograph 200 kann weiter eingerichtet sein, um basierend auf dem bestimmten Abstand eine Winkelstellung des wenigstens einen Spiegels, Prismas oder Gitters des Galvanometerscanners in einer oder mehreren Raumdimensionen zu korrigieren, um Drift zu kompensieren. Hierbei kann die optische Vorrichtung auch im Referenzarm des Kohärenztomographen angeordnet sein.
Der optische Messstrahl 13 kann beispielsweise in eine Dampfkapillare auf dem Werkstück 1 gelenkt werden. Das aus der Dampfkapillare zurückreflektierte Messlicht wird durch die Fokussier-Optik 230 auf die Austritts-/Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters 248 abgebildet, im Faserkoppler 244 mit dem zurückreflektierten Licht aus dem Referenzarm 246 überla gert und anschließend zurück in die Auswerteeinheit 240 gelenkt. Das überlagerte Licht enthält Informationen über den Weglängenunterschied zwischen dem Referenzarm 246 und dem Messarm. Diese Informationen werden in der Auswerteeinheit 240 ausgewertet, wodurch der Benutzer Infonnationen über den Abstand zwischen Boden der Dampfkapillare und beispielsweise dem Schweißkopf 101 bzw. über eine Topographie der Werkstücksober- fläche erhält. Die Vorrichtung für die Bestimmung einer Ausrichtung der optischen Vorrich- tung kann zusätzlich und getrennt vom Referenzann vorgesehen sein.
Gemäß Ausführungsfonnen kann der Kohärenztomograph 200 eingerichtet sein, um mittels des optischen Messstrahls 13 einen Abstand zum Werkstück 1 beispielsweise bezüglich eines durch den Kohärenztomographen 200 definierten Referenzpunkts oder einer Referenzebene zu messen. Insbesondere kann der Kohärenztomograph 200 eingerichtet sein, um eine Abstandsänderung zu messen, während sich der Schweißkopf 101 entlang der Bearbeitungsrichtung 20 bewegt. Hierdurch kann beispielsweise ein Tiefenprofil der Dampfkapilla re erstellt werden. Alternativ oder zusätzlich zur Messung der Tiefe der Dampfkapillare kann eine Topographiemessung des Werkstücks 1, beispielsweise der Schweißnaht, erfol gen. Die Topographiemessung kann gemäß Ausführungsformen zur Fehlerdetektion und/oder Regelung einer oder mehrerer Prozesseingangsgrößen verwendet werden. Die Prozesseingangsgrößen können z.B. eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Laserleistung, ein Laserfokus, und/oder Betriebsparameter der Laservorrichtung umfassen.
Der erfmdungsgemäße Kohärenztomograph 200 kann zum Durchführen von Abstandsmessungen beispielsweise vor, während und/oder nach der Laserbearbeitung eingerichtet sein. Wie bereits erläutert kann der optische Messstrahl 13, der ein niederenergetischer Mess strahl sein kann, über einen Lichtleiter dem Bearbeitungskopf zugeführt, kollimiert und an schließend mit dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl koaxial überlagert und durch eine gemeinsame Folcusoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert werden. Die Be-
Stimmung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung des Kohärenztomograph 200 und eine daraufhin erfolgende Korrektur der Ausrichtung erlaubt eine Abstandsmessung zum Werkstück mit erhöhter Präzision. Die Bestimmung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung kann während der Laserbearbeitung oder separat in einem eigenen Prozess erfolgen.
Figur 2 zeigt ein Laserbearbeitungssystem mit einer Vorrichtung 300 für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung 250 eines Kohärenztomograph gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere ist die Auslenkung des Messstrahls 13 (auch als„OCT-Strahl“ bezeichnet) zur Bestimmung der Drift eines Galvanometerscanners dargestellt.
Die Vorrichtung 300 umfasst eine optische Referenzgeometrie 310, eine Ablenk-Optik 320, die eingerichtet ist, um einen von der optischen Vorrichtung 250 reflektierten optischen Messtrahl 13 auf die optische Referenzgeometrie 310 zu lenken, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen einer ersten Referenzebene A und der opti schen Referenzgeometrie 310 bzw. einer oder mehreren zweiten Referenzebenen C der optischen Referenzgeometrie 310 zu bestimmen, um die Ausrichtung der optischen Vorrichtung 250 zu ermitteln. Die Auswerteeinheit kann die in Figur 1 dargestellte und mit dem Bezugszeichen 240 versehene Auswerteeinheit sein oder darin integriert sein.
In der in der Figur 2 beschriebenen beispielhaften Ausführungsform wird eine OCT- Lichtquelle 301 über die optische Vorrichtung 250, die mindestens einen beweglichen Spiegel umfassen kann, entweder auf das Werkstück 1 gelenkt, um am Werkstück 1 eine Mes- sung vornehmen zu können (also um den Abstand zwischen den Ebenen A und B zu mes- sen), oder auf die Ablenk-Optik 320 gelenkt, um den Abstand zwischen den Ebenen A und C zumessen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann damit die bereits vorhandene OCT-Messtechnik benutzt werden, um die Differenz zwischen Soll- und Ist-Position der optischen Vorrichtung 250 zu bestimmen. Der Einsatz eines zusätzlichen, ortsauflösenden Detektors entfällt somit. Damit können günstige Galvoscanner für hochpräzise Applikationen eingesetzt werden. Keine zusätzlichen Detektoren, Lichtquellen oder Strahlteiler sind nötig, wodurch ein einfacherer und robusterer Aufbau sowie eine Kostenreduktion erreicht werden kann.
Zur Bestimmung der Drift wird der Messstrahl 13 auf die Referenzgeometrie 310 gerichtet. Hierzu kann der Messstrahl 13 z.B. durch Auslenkung der optischen Vorrichtung 250 auf die Referenzgeometire 310 gelenkt werden. In einigen Ausfährungsformen umfasst die Ab- lenk-Optik 320 einen oder mehrere Spiegel 322. Beispielsweise kann der Messtrahl 13 durch mehrere Spiegel 322 mehrere Male reflektiert und so auf die Referenzgeometrie 310 gelenkt werden. Optional umfasst die Ablenk-Optik 320 eine Linse 324, die eingerichtet ist, um den optischen Messtrahl 13 auf die optische Referenzgeometrie 310 zu fokussieren. Durch eine Fokussierung der Strahlgröße können Abstandsänderungen mit erhöhter Präzisi- on bestimmt werden. Die Drift kann in regelmäßigen Abständen während der Materialbearbeitung bestimmt (und bevorzugter Weise anschließend korrigiert) werden.
In manchen Ausführungsformen ist die Auswerteeinheit eingerichtet, um eine Positionie- rung der optischen Vorrichtung 250 zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Winkelstellung eines oder mehrerer Spiegel, eines oder mehrerer Galvanometerscanner, eines oder mehrerer Prismen, oder eines oder mehrerer optischen Gitter oder Kombinationen davon bestimmt werden. Die Winkelstellung kann beispielsweise basierend auf einer Differenz zwischen Soll- und Ist-Position korrigiert werden, um Drift zu kompensieren, der durch thermische Effekte, Störeinflüsse von außen und/oder eine Verschlechterung der verwendeten Positionsdetektoren verursacht wird. Hierfür kann die Auswerteeinheit 240 einen Korrekturwert zur Korrektur der Ausrichtung an den Kohärenztomographen übermitteln.
Gemäß einigen Ausführungsfonnen ist der optische Kohärenztomograph 200 eingerichtet, um eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung 250 basierend auf dem bestimmten Abstand in einer oder mehreren, und insbesondere in zwei, Raumdimensionen zu korrigieren. Die zwei Raumdimensionen können beispielsweise die X- und Y-Richtung sein (siehe Figuren 6 bis 8). Beispielsweise ist der optische Kohärenztomograph 200 eingerichtet, um basierend auf dem bestimmten Abstand zwischen den Ebenen A und C eine Winkelstellung des wenigstens einen Spiegels eines Galvanometerscanners in den jeweili gen Raumdimensionen zu korrigieren.
Die erste Referenzebene A kann eine Referenzebene im Messarm des Kohärenztomograph für die Abstandsmessungen zum Werkstück 1 sein und zusätzlich für die Bestimmung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung 250 verwendet werden. Anders gesagt kann, wie bereits zuvor erwähnt, die bereits vorhandene OCT-Messtechnik benutzt werden, um die Differenz zwischen Soll- und Ist-Position der optischen Vorrichtung 250 zu bestimmen, indem der Messtrahl 13 mittels der optischen Vorrichtung 250 auf die Referenzgeometrie 310 gelenkt wird. Typischerweise ist die erste Referenzebene A die Ebene der Lichtquelle 301 des Kohärenztomograph.
Die optische Referenzgeometrie 310 stellt eine oder mehrere zweite Referenzebenen C be- reit. Der Abstand, den die erfindungsgemäße Vorrichtung bestimmt, ist zwischen der erste Referenzebene A und einer entsprechenden zweiten Referenzebene C definiert. Vorzugs- weise entspricht ein Abstand zwischen der ersten Referenzebene A, wie beispielsweise der Ebene der Lichtquelle 301, und der Ebene des Werkstücks 1 (d.h. der Arbeitsebene B), dem Abstand zwischen der ersten Referenzebene A und mindestens einer zweiten Referenzebene C oder einer Kalibrierposition der optischen Referenzgeometrie 310. Grund dafür ist, dass ein OCT Messsystem für gewöhnlich nur einen kleinen Messbereich bietet, z.B. im Bereich von ca. 12 mm. Wenn sich die Abstände daher um mehr als die Größe des Messbereichs unterscheiden, kann nur noch einer der beiden Abstände gemessen werden. Alternativ kann die Referenzarmlänge nachgeführt werden, was allerdings erhöhten Aufwand und Kosten mit sich bringt. Der Abstand zwischen den Ebenen A und C, und insbesondere zwischen der Ebene A und der Kalibrierposition, wird als lo bezeichnet und kann für mindestens einen Winkel 0o, z.B. bei der Einrichtung des Systems, durch die OCT -Messtechnik präzise be- stimmt werden.
Figur 3 zeigt ein Laserbearbeitungssystem mit einer Vorrichtung 300‘ für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vorrichtung 250 eines Kohärenztomographen gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Laserbearbeitungssystem der Figur 3 ist ähnlich zum in der Figur 2 dargestellten Laserbearbeitungssystem und eine Beschreibung ähnlicher und identischer Merlanale wird nicht wiederholt.
Im Beispiel der Figur 3 umfasst die Ablenk-Optik 320 wenigstens einen Strahlteiler bzw. einen teildurchlässigen Spiegel 326, der eingerichtet ist, um einen Teil des optischen Messtrahls 13 abzulenken. Beispielsweise kann der Messstrahl 13 durch den teildurchlässigen Spiegel 326 aufgeteilt werden, wodurch gleichzeitig eine Abstandsmessung zur Ar beitsebene B und zur Referenzgeometrie 310 erfolgen kann.
Figur 4 zeigt eine Längenänderung um einen Winkel 6d (Driftwinkel), der durch Drift verursacht wird.
Wenn während des Betriebs Drift in der Ausrichtung der optischen Vorrichtung bzw. Drift des Galvanometersystems auftritt, ändert sich die Position des OCT-Strahls auf der Refe renzgeometrie für einen Winkel Oo um den Driftwinkel Od, wie in Figur 4 dargestellt ist. Aus dieser Winkeländerung ergibt sich eine Längenänderung D1 = 10 - ld, welche durch das OCT- System detektierbar ist. Die gemessene Längenänderung kann anschließend von einer Steuerung genutzt werden, um die Drift des Galvanometerscanners zu kompensieren, wodurch die reale Lage des Messflecks auf dem Werkstück genauer bestimmt werden kann, als dies ohne Kompensation möglich wäre. Dadurch wird eine Messung durch den Kohärenztomo- graphen genauer.
In einigen Ausführungsformen kann die Änderung des Driftwinkels 0d optisch übersetzt werden, um eine größere Längenänderung D1 zu erzeugen und so die Sensitivität der Drift bestimmung zu erhöhen.
Typsicherweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet, um einen Abstand zwischen der Refe- renzebene A und zwei oder mehreren Punkten auf der optischen Referenzgeometrie zu be- stimmen. Beispielsweise können bei einer Kalibrierung bzw. bei Einrichtung des Systems weitere Punkte der Referenzgeometrie bei unterschiedlichen Ausrichtungen der optischen Vorrichtung unter den Winkeln qi, 02...0n vennessen werden, um die zugehörigen Längen li, 12...ln zu bestimmen. Diese Punkte können zur genaueren Bestimmung der Ausrichtung bzw. der Drift verwendet werden. Durch Vennessenen mehrerer Punkte auf der Referenz geometrie kann z.B. über eine Rechenoperation eine Präzision der Bestimmung der Aus richtung, und insbesondere der Drift der optischen Vorrichtung 250 erhöht werden. Zudem
können mehrere Punkte auf der Referenzgeometrie vermessen werden, um die Drift in meh reren Dimensionen kompensieren zu können. Dies ist unter Bezugnahme auf die Figuren 6 bis 8 näher erläutert.
Figur 5 zeigt perspektivische Ansichten einer Referenzgeometrie 500 gemäß Ausführungs- formen der vorliegenden Offenbarung. Die Referenzgeometrie 500 weist mehrere zweite Referenzebenen 501 auf. Obwohl beispielhaft fünf zweite Referenzebenen 501 dargestellt sind, ist die vorliegende Offenbarung nicht hierauf begrenzt und es kann jede geeignete Anzahl an zweiten Referenzebenen vorgesehen sein. Beispielsweise können eine, zwei, drei, vier, fünf oder mehr zweite Referenzebenen vorhanden sein. Besonders bevorzugt sind vier zweite Referenzebenen, die sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden.
Typsicherweise weist die optische Referenzgeometrie 500 wenigstens eine plane, diffus reflektierende Oberfläche auf. Die plane, diffus reflektierende Oberfläche ermöglicht, dass der Rückreflex im Vergleich zum Rückreflex aus der Prozessbeobachtung nicht zu groß für den OCT Sensor ist und die Intensität der Quelle somit nicht reduziert werden muss.
Gemäß Ausführungsformen ist die Referenzgeometrie ein optisches Element mit einer Oberfläche, die Unstetigkeiten aufweist. Insbesondere kann die Referenzgeometrie mehrere nicht-parallele Ebenen aufweisen. Beispielsweise können die Ebenen geneigte Flächen sein, die in einem gemeinsamen Punkt 502 Zusammentreffen. Der gemeinsame Punkt 502 kann der niedrigste Punkt sein. Die nicht-parallelen Ebenen können die zweiten Referenzebenen 501 bereitstellen. Beispielsweise kann die optische Referenzgeometrie zwei oder mehrere zweite Referenzebenen 501 umfassen, wobei die zwei oder mehreren zweiten Referenzebe nen jeweils plane, diffus reflektierende Flächen sind.
Die Referenzgeometrie 500 kann eine Kalibrierebene, Kalibrierposition oder einen Kalib- rierpunkt umfassen. Der Abstand zwischen der ersten Referenzebene und der Kalibrierebe- ne / dem Kalibrierpunkt wird als lo bezeichnet und kann für mindestens einen Winkel Oo hei der Einrichtung des Systems durch die OCT-Messtechnik präzise bestimmt werden. Die in der Figur 5 dargestellten vier zweiten Referenzebenen können beispielsweise vier geneigten
Flächen sein, die sich im gemeinsamen Punkt 502 treffen, wobei der Punkt 502 den Kalib- riemullpunkt (oder die Kalibrierposition) darstellt.
In einigen Ausführungsformen ist die Referenzgeometrie derart geformt, dass sich aus der Art der Längenänderung berechnen lässt, in welcher Dimension (z.B. in X- oder Y- Richtung) die Drift aufgetreten ist. Hierzu können, wie oben beschrieben, vier zweite Referenzebenen 501 so angeordnet sein, dass sich die vier zweiten Referenzebenen 501 im Ka- libriemullpunkt 502 schneiden.
Insbesondere können wenigstens zwei der zweiten Referenzebenen 501 so angeordnet sein, dass sich für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in eine erste Di- mension eine Abstandsvergrößerung ergibt. Wenigstens zwei weitere zweite Referenzebe- nen können so angeordnet sein, dass sich für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in eine zweite Dimension eine Abstandsminderung ergibt. Dies ist unter Bezugnahme auf die Figuren 6 bis 8 näher erläutert.
Figur 6 zeigt die Referenzgeometrie ohne Drift. Der Messstrahl trifft auf die Kalibrierposition bzw. auf den Kalibrierpunkt und die Abweichung zwischen Ist- und Soll-Position der optischen Vorrichtung ist gleich Null.
Figur 7 zeigt eine Drift in die erste Dimension bzw. Richtung, die eine X-Richtung sein kann. Für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in die erste Dimension ergibt sich eine Abstandsvergrößerung.
Figur 8 zeigt eine Drift in die zweite Dimension bzw. Richtung, die eine Y-Richtung sein kann. Die zweite Dimension bzw. Y-Richtung kann senkrecht auf der ersten Dimension bzw. X-Richtung stehen. Für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung in die zweite Dimension ergibt sich eine Abstandsminderung.
Damit kann anhand des Vorzeichens der Abstandsänderung ein Rückschluss darauf gezogen werden, in welcher Richtung die optische Vorrichtung driftet. Wenn die optische Vorrich-
tung je einen Spiegel für die X-Ablenkung und die Y-Ablenkung aufweist, kann beispielsweise darauf geschlossen werden, welcher der beiden Spiegel driftet.
Vorzugsweise ist der optische Kohärenztomograph eingerichtet, um einen Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung basierend auf dem bestimmten Abstand in einer oder mehreren Raumdimensionen zu kompensieren. Beispielsweise kann die Winkelstel- lung des wenigstens einen Spiegels eines Galvanometerscanners durch Drehung um die Achsen in zwei Raumdimensionen korrigiert werden. Falls Drift in der X-Richtung vorliegt, kann der entsprechende Spiegel um die X-Achse gedreht werden, um die Drift zu kompen- sieren. Falls Drift in der Y-Richtung vorliegt, kann der entsprechende Spiegel um die Y- Achse gedreht werden, um die Drift zu kompensieren.
Claims
1. Vorrichtung (300, 300‘) für die Bestimmung einer Ausrichtung einer optischen Vor- richtung (250) eines Kohärenztomographen (200), umfassend:
eine optische Referenzgeometrie (310, 500);
eine Ablenk-Optik (320), die eingerichtet ist, um einen von der optischen Vorrich- tung (250) ausgelenkten optischen Messtrahl (13) des Kohärenztomographen (200) auf die optische Referenzgeometrie (310, 500) zu lenken; und
eine Auswerteeinheit (240), die eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen einer ersten Referenzebene (A) und wenigstens einer zweiten Referenzebene (C, 501) der opti- schen Referenzgeometrie (310, 500) zu bestimmen, um die Ausrichtung der optischen Vorrichtung (250) zu bestimmen.
2. Die Vorrichtung (300, 300‘) nach Anspruch 1, wobei die Ablenk-Optik (320) min destens eines von einem oder mehreren Spiegeln (322), einem oder mehreren Galvanoscan- nem, einem oder mehreren Prismen, und einem oder mehreren optischen Gittern umfasst.
3. Die Vorrichtung (300 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ablenk-Optik (320) ei nen teildurchlässigen Spiegel (326) umfasst, der eingerichtet ist, um einen Teil des opti schen Messtrahls (13) zur optische Referenzgeometrie (310, 500) abzulenken und einen anderen Teil des optischen Messstrahls (13) hindurchtreten zu lassen.
4. Die Vorrichtung (300, 300‘) nach einem der vorausgehenden, wobei die Ablenk- Optik (320) eine Linse (324) umfasst, die eingerichtet ist, um den optischen Messtrahl (13) auf die wenigstens eine zweite Referenzebene (C, 501) der optischen Referenzgeometrie (310, 500) zu fokussieren.
5. Die Vorrichtung (300, 300‘) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (240) eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen der ersten Referenzebe ne (A) und einem oder mehr Punkten auf der optischen Referenzgeometrie (310, 500) zu bestimmen.
6. Die Vorrichtung (300, 300‘) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die zweite Referenzebene (501) der optischen Referenzgeometrie (310, 500) eine plane, diffus reflektierende Oberfläche aufweist.
7. Die Vorrichtung (300, 300‘) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die optische Referenzgeometrie (310, 500) vier zweite Referenzebenen (501) aufweist, die ge geneinander geneigt sind und sich in einem gemeinsamen Kalibriemullpunkt (502) schnei den.
8. Die Vorrichtung (300, 300‘) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei der zweiten Referenzebenen (501) so angeordnet sind, dass sich für eine Ab weichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung (250) in einer ersten Richtung eine Abstandsvergrößerung ergibt, und wobei wenigstens zwei weitere zweite Referenzebenen (501) so angeordnet sind, dass sich für eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung (250) in einer zweiten Richtung eine Abstandsminderung ergibt.
9. Die Vorrichtung (300, 300‘) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die optische Vorrichtung (250) manuell oder automatisch beweglich ist.
10. Kohärenztomograph (200), umfassend:
die Vorrichtung (300, 300‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 9; und
die optische Vorrichtung (250) zum Auslenken des optischen Messstrahls (13) des Kohärenztomographen (200).
11. Der Kohärenztomograph (200) nach Anspruch 10, wobei der Kohärenztomograph (200) eingerichtet ist, um eine Abweichung der Ausrichtung der optischen Vorrichtung (250) basierend auf dem bestimmten Abstand in einer oder mehreren Raumdimensionen zu kompensieren.
12. Der Kohärenztomograph (200) nach Ansprach 10 oder 11, wobei der Kohärenzto mograph (200) einen Messarm und einen Referenzarm (246) umfasst und die optische Vorrichtung (250) im Referenzami (246) angeordnet ist.
13. Laserbearbeitungssystem (100), umfassend:
eine Laservorrichtung (110) zum Bereitstellen eines Bearbeitungsstrahls (10), wobei die Laservorrichtung (110) eingerichtet ist, um den Bearbeitungsstrahl (10) auf einen Bear- beitungsbereich eines Werkstücks (1) zu lenken; und
den Kohärenztomographen (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 12.
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