CN113015595A - 用于oct测量射束调整的方法和计算机程序产品 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定能够围绕两个轴(C，D)倾斜的测量镜扫描仪(13)的测量坐标系(15)与能够围绕两个轴(A，B)倾斜的加工镜扫描仪(7)的加工坐标系(10)之间的平移偏差的方法，测量镜扫描仪使测量射束二维偏转，加工镜扫描仪将由测量镜扫描仪(13)偏转的测量射束(12)和加工射束二维偏转到工件(2)上，其中，在工件(2)处反射的测量射束(12‘)沿着入射的测量射束(12)的路径返回并由空间分辨测量传感器检测，以便求取工件(2)的空间分辨信息，其中，在测量镜扫描仪(13)的零位中，在测量传感器(17)的传感器图像(18)中，反射的测量射束(12‘)成像在先前已知的图像位置上，方法包括以下方法步骤：通过借助由加工镜扫描仪(7)偏转的加工射束(3)以xy栅格扫描孔光阑(22)，并通过分析处理在栅格点(24)中的每个中探测到的激光功率，求取加工射束(3)相对于布置在工件支承平面(8)上的孔光阑探测器(21)的孔光阑中心的xy焦点位置偏差，以及将加工镜扫描仪(7)固定在基于所求取的xy焦点位置偏差而校正的扫描位置中，在扫描位置中，加工射束(3)的焦点位置处于预先确定的位置中、尤其是处于孔光阑中心(20)中；在将加工镜扫描仪(7)固定在校正的扫描位置的情况下，通过借助由测量镜扫描仪(13)偏转的测量射束(12)扫描孔光阑(22)，借助测量传感器(17)来检测孔光阑(22)的空间分辨高度信息；基于存在于测量传感器(17)的传感器图像(18)中的、与加工射束的焦点位置相对应的先前已知的图像位置与从高度信息中检测到的孔光阑中心(20‘)之间的偏差，确定加工坐标系与测量坐标系(10，15)之间的平移偏差(Δx，Δy)。

Description

用于OCT测量射束调整的方法和计算机程序产品
技术领域
本发明涉及一种用于确定能够围绕两个轴倾斜的测量镜扫描仪的测量坐标系与能够围绕两个轴倾斜的加工镜扫描仪的加工坐标系之间的平移偏差和/或旋转偏差的方法，该测量镜扫描仪使例如由相干断层扫描仪产生的测量射束二维偏转，该加工镜扫描仪将由测量镜扫描仪偏转的测量射束和加工射束二维偏转到工件上，其中，在工件处反射的测量射束沿着入射测量射束的路径返回并由空间分辨的
Figure BDA0003055944050000011
测量传感器检测，以便求取工件的空间分辨的信息，其中，在测量镜扫描仪的零位中，在测量传感器的传感器图像中，所反射的测量射束成像在先前已知的图像位置上。
背景技术
这种方法已经例如通过DE 10 2015 012 565 B3已知。
例如，为了角焊缝(Kehlnaht)的焊接，必须调节激光焦斑(Brennfleck)与工件之间的相对位置。焊缝位置调节可以借助所谓的光学相干断层扫描(英：Optical CoherenceTomography，OCT)来进行。该方法基于光波干涉的基本原理，并且能够在微米范围内检测沿测量射束轴的高度差。为此，由相干断层扫描仪产生激光射束，并借助分束器将其分为测量射束和参考射束。测量射束进一步传递到测量臂处，并照射到待加工的工件的表面上。在该表面处，测量射束至少部分地反射并返回到分束器处。参考射束进一步传递到参考臂处，并在参考臂的末端处被反射。所反射的参考射束同样返回到分束器处。最后，探测两个所反射的射束的叠加，以便在考虑参考臂的长度的情况下求取关于表面的高度信息和/或加工射束到工件中的当前穿透深度(Eindringtiefe)。
在耦合输入到共同的加工扫描仪(通过该加工扫描仪，能够实现将测量射束和加工射束偏转到不同的加工位置上)之前，加工射束和测量射束都要通过加工射束光学器件和测量射束光学器件内的各种光学元件。通常，在初始校准过程中，用于测量射束和加工射束的相应光学器件的元件如此设置，使得在所述光学元件及其所配属的偏转设备在所述光学器件内的预给定的零位中，在工件上存在加工射束和测量射束的覆盖一致性(Deckungsgleichheit)。但是，然后在校准过程之后，如果在加工过程期间设置测量射束位置和加工位置的期望的额定偏移，则必须相应地调整分配给测量射束光学器件和加工射束光学器件的偏转设备，即用于共同偏转加工射束和测量射束的加工扫描仪以及用于偏转测量射束的、上游布置的测量扫描仪，其中，这些偏转设备离开原来的零位。这导致，在加工过程中，尽管有先前的校准过程，但是在离开零位之后仍然出现与额定射束走向的不期望的偏差，从而在加工射束与测量射束之间不再存在覆盖一致性。两个扫描仪之间的相对位置中的这些偏差的原因可能是由制造决定的不准确性、装配和各种影响，例如加工期间的温度波动。这些偏差必须被检测和校正。
在从开篇提及的DE 10 2015 012 565 B3中已知的方法中，在先前的校准过程中，在加工扫描仪和测量扫描仪占据零位时，通过长时间曝光来求取工件上的测量射束位置，其中，工件上的测量射束位置通过能够由测量传感器检测的、工件上的光学标记突出显示，并且确定和存储该光学标记在测量传感器的传感器图像中的图像位置。例如，在校准过程期间，测量射束位置能够精确地调整到图像中心上。替代地，在零位中求取的、测量射束位置相对于图像中心的偏移可以被存储起来，并在进一步的计算过程或调节过程中作为相应的误差值加以考虑。如果随后根据坐标检测工件上的加工射束位置，则与图像中心的偏差表示加工射束位置相对于测量射束位置的不期望的相对偏移，其中，该偏移能够借助已知的图像分析处理算法进行求取，并通过测量扫描仪的位置调节得到补偿。作为校准方法的替代方法，可以将所反射的测量射束偏转回到测量传感器的方向上，使得能够在检测到的传感器图像中识别实际的测量射束位置，并且在此也通过测量扫描仪的位置调节来补偿偏移。
发明内容
本发明提出以下任务：在开篇提及的方法中以不同的方式和方法确定加工扫描仪的加工坐标系与测量镜扫描仪的测量坐标系之间的平移偏差和/或旋转偏差。
在开篇提及的方法中，根据本发明，在平移偏差方面通过以下方法步骤(a)解决所述任务：
-根据在DE 10 2011 006 553 A1中描述的方法(该方法的全部内容因此通过引用包括在内)，通过借助由加工镜扫描仪偏转的加工射束以xy栅格来扫描孔光阑(Lochblende)，并通过分析处理在栅格点中的每个中探测到的激光功率，求取加工射束相对于布置在工件支承平面上的孔光阑探测器的孔光阑中心的xy焦点位置偏差，以及将加工镜扫描仪固定在基于所求取的xy焦点位置偏差而校正的扫描位置中，在该扫描位置中，加工射束的焦点位置处于预先确定的位置中、尤其是处于孔光阑中心中；
-在将加工镜扫描仪固定在校正的扫描位置的情况下，借助测量传感器、通过借助由测量镜扫描仪偏转的测量射束扫描孔光阑来检测孔光阑的空间分辨高度信息；和
-基于存在于测量传感器的传感器图像中的、与加工射束的焦点位置相对应的先前已知的图像位置与由高度信息检测到的孔光阑中心之间的偏差，确定加工坐标系与测量坐标系之间的平移偏差。
根据本发明，将加工射束精确地定向到孔光阑中心上，并且接着借助由测量镜扫描仪偏转的测量射束扫描孔光阑。在传感器图像中的、先前已知的图像位置与根据高度检测的孔光阑中心之间的相对偏移导致两个扫描仪坐标系的平移偏差，该平移偏差然后可以例如通过测量扫描仪的位置调节得到补偿。
在开篇提及的方法中，根据本发明，在旋转偏差方面通过以下方法步骤(b)解决所述任务：
-通过使加工镜扫描仪围绕其一个第一倾斜轴倾斜，使测量射束在工件支承平面中分别偏转正的和负的固定量值，并在将加工镜扫描仪分别固定在这些倾斜的扫描位置的情况下，通过使测量镜扫描仪围绕其一个第二倾斜轴偏转，分别通过测量射束的线扫描，借助测量传感器来检测布置在工件支承平面上的线性高度边缘
Figure BDA0003055944050000031
以及基于检测到的、两个线扫描与高度边缘的交点求取加工坐标系的轴；
-通过使测量镜扫描仪围绕其另一第一倾斜轴倾斜，使测量射束在工件支承平面中分别偏转正的和负的固定量值，并在将测量镜扫描仪分别固定在这些倾斜的扫描位置的情况下，通过使加工镜扫描仪围绕其第二倾斜轴偏转，分别通过测量射束的线扫描，借助测量传感器来检测高度边缘，以及基于检测到的、两个线扫描与高度边缘的交点求取测量坐标系的轴；和
-基于所求取的、加工坐标系和测量坐标系的轴确定加工坐标系与测量坐标系之间的旋转偏差。
根据本发明，通过设置在工件支承平面上的线性高度边缘(即三维表面特征)的线扫描以及测量镜扫描仪和加工镜扫描仪分别围绕倾斜轴的同时偏转确定两个扫描仪坐标系的旋转偏差，该旋转偏差然后例如可以通过测量扫描仪的位置调节得到补偿。
加工镜扫描仪和测量镜扫描仪可以分别具有一个能够围绕两个倾斜轴倾斜的、双轴的镜或两个能够分别围绕一个倾斜轴倾斜的、单轴的镜。
特别优选地，在方法步骤(a)中，孔光阑探测器布置在工件支承平面上的以下位置：在该位置中，加工射束尽可能地以直角的方式照射到工件支承平面上。
此外优选地，在方法步骤(a)中，先前已知的图像位置位于测量传感器的传感器图像的图像中心。为此，例如在先前的校准过程期间，先前已知的图像位置可能已经精确地调整到图像中心上。
有利地，在方法步骤(b)中，正的和负的固定量值分别是相同大小的。
非常特别优选地，在方法步骤(b)中，高度边缘是以下边缘：该边缘要么具有布置在工件支承平面上的构件，要么已经预先借助加工射束通过材料去除而在布置在工件支承平面上的工件处产生。
优选地，在工件处反射的测量射束在测量镜扫描仪与发射测量射束的激光射束发生器、尤其是相干断层扫描仪之间偏转到朝向测量传感器的方向上。
根据本发明确定的、加工坐标系与测量坐标系之间的平移偏差和/或旋转偏差可以通过例如由机器控制装置进行的、测量扫描仪的位置调节来得到相应地校正。
本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有代码单元，当该程序在激光加工机的控制装置上运行时，该代码单元匹配于执行上述方法的所有步骤。
附图说明
本发明的主题的其他优点和有利构型从说明书、权利要求书和附图中得出。上面提及的和下面列出的功能也可以单独使用或以任意组合使用。所示出的和所描述的实施方式不应理解为穷举列出，而是具有用于描述本发明的示例性特征。附图示出：
图1示意性地示出激光加工机，该激光加工机适合于执行根据本发明方法，该方法用于确定加工镜扫描仪的坐标系与测量镜扫描仪的坐标系之间的平移偏差和/或旋转偏差；
图2a、2b以立体图(图2a)和俯视图(图2b)示出布置在工件支承平面上的孔光阑探测器，该孔光阑探测器用于求取加工射束的xy焦点位置偏差；
图3示出用于确定加工坐标系与测量坐标系之间的平移偏差的空间分辨测量传感器的传感器图像；
图4a、4b示出布置在工件支承平面上的高度边缘，该高度边缘用于求取加工坐标系的y轴(图4a)并且用于求取测量坐标系的y轴(图4b)；以及
图5示出用于确定加工坐标系与测量坐标系之间的旋转偏差的空间分辨的测量传感器的传感器图像。
具体实施方式
在图1中所示出的激光加工机1用于借助(激光)加工射束3来加工工件2。
激光加工机1包括用于产生加工射束3的激光射束发生器4、使加工射束3偏转例如90°的第一偏转镜5、使加工射束3再次偏转例如90°的可选的第二偏转镜6以及用于使加工射束3在朝向布置在工件支承平面8上的工件2的方向上二维偏转的加工镜扫描仪7。在所示出的实施例中，加工镜扫描仪7实施为能够围绕两个倾斜轴A、B倾斜的、即双轴的镜9，但是替代地也可以由两个分别能够围绕仅一个倾斜轴A、B倾斜的、即单轴的镜形成。由两个倾斜轴A、B定义的加工坐标系标记为10。
激光加工机1还包括相干断层扫描仪作为测量射束发生器11以及包括测量镜扫描仪13，该测量射束发生器用于产生虚线示出的OCT(激光)测量射束12，该测量镜扫描仪用于将测量射束12二维偏转到第一偏转镜5上，该第一偏转镜对于测量射束12而言两侧都是可透过的。在所示出的实施例中，测量镜扫描仪13实施为能够围绕两个倾斜轴C、D倾斜的、即双轴的镜14，但是替代地也可以由两个分别能够围绕仅一个倾斜轴C、D倾斜的、即单轴的镜形成。由两个倾斜轴C、D定义的测量坐标系标记为15。倾斜轴A和C彼此平行地延伸，在所示出的实施例中为在X方向上，并且倾斜轴B和D彼此平行地延伸，在所示出的实施例中为在Y方向上。
在图1中示出加工镜扫描仪7和测量扫描仪13均处于其所谓的零位。这就是说，相应的扫描仪7、13的两个轴A、B和C、D分别占据在图1中所示出的中性的参考位置(零位)，在该参考位置中，所述扫描仪不引起任何有针对性的射束偏转。在测量扫描仪13的零位中，测量射束12在第一偏转镜5处共线地耦合输入到加工射束3中。然后，在加工镜扫描仪7处，加工射束3和测量射束12在朝向工件2的方向上二维偏转。
激光加工机1还包括布置在测量射束发生器11与测量镜扫描仪13之间的偏转镜16，该偏转镜对于来自测量射束发生器11的测量射束12是可透过的。在工件2处反射的测量射束12‘沿着入射测量射束12的路径返回，并且由在该方向上不可透过或部分可透过的偏转镜16偏转到空间分辨的测量传感器17上。在测量镜扫描仪13的零位中，在测量传感器17的传感器图像18(图3)中，反射的测量射束12‘成像在先前已知的图像位置19上，在图3中仅示例性地为图像中心。
为了确定加工坐标系与测量坐标系10、15之间的平移偏差，如下进行：
如在图2a、2b中所示，首先根据由DE 10 2011 006 553已知的方法求取加工射束3相对于布置在工件支承平面8上的孔光阑探测器21的孔光阑中心20的xy焦点位置偏差。这通过以下实现：借助由加工镜扫描仪7偏转的加工射束3以xy栅格扫描孔光阑22，并且分析处理在栅格点23的每个栅格点中由孔光阑20下游布置的探测器表面24探测到的激光功率。然后，将加工镜扫描仪7固定在基于所求取的xy焦点位置偏差而校正的扫描位置中，在该扫描位置中，加工射束3的焦点位置恰好处于孔光阑中心18中。
在如此固定的加工镜扫描仪7的情况下，通过借助由测量镜扫描仪13偏转的测量射束12来扫描孔光阑22，借助测量传感器17以空间分辨的方式检测孔光阑22的高度。如在图3中所示，基于存在于测量传感器17的传感器图像18中的、与加工射束3的焦点位置相对应的先前已知的图像位置19与根据高度检测的孔光阑22‘的孔光阑中心20‘之间的偏差，能够确定加工坐标系与测量坐标系10、15之间的平移偏差Δx、Δy。
优选地，工件支承平面8上的孔光阑探测器21布置在以下位置：在该位置中，加工射束3尽可能以直角的方式照射到工件支承平面8上。
为了确定加工坐标系与测量坐标系10、15之间围绕Z轴的旋转偏差，如下进行：
如在图4a中所示，首先将具有线性高度边缘26的构件25放置在工件支承平面8上，更准确地说在27处，在那里，在加工镜扫描仪和测量扫描仪的零位中，测量射束12照射到工件支承平面8上。高度边缘26也可以构造在孔光阑探测器21上，而不是构造在单独的构件25上。在第一步骤中，如在图4a中进一步所示，通过使加工镜扫描仪7围绕倾斜轴A倾斜，使测量射束12在工件支承平面8中分别偏转正的和负的固定量值+dy、-dy，并且在加工镜扫描仪7分别固定在这些倾斜的扫描位置中的情况下，通过使测量镜扫描仪13围绕倾斜轴D偏转，分别通过测量射束12的线扫描28a、28b，借助测量传感器17来检测高度边缘26。如在图5中所示，然后可以在测量传感器17的传感器图像18中基于两个线扫描28a、28b与高度边缘26的在那里成像的交点29a、29b求取加工坐标系10的yBKS轴。在第二步骤中，如在图4b中所示，通过使测量镜扫描仪13围绕倾斜轴C倾斜，使测量射束12在工件支承平面8中分别偏转正的和负的固定量值+dy、-dy，并且在测量镜扫描仪13分别固定在这些倾斜的扫描位置中的情况下，通过使加工镜扫描仪7围绕倾斜轴B偏转，分别通过测量射束12的线扫描30a、30b，借助测量传感器17来检测高度边缘26。同样如在图5中所示，然后可以在测量传感器17的传感器图像18中基于两个线扫描30a、30b与高度边缘26的在那里成像的交点31a、31b求取测量坐标系15的yMSK轴。在第三步骤中，如在图5中所示，基于加工坐标系和测量坐标系10、15的所求取的轴yBKS、yMKS的交角，确定加工坐标系与测量坐标系10、15之间的旋转偏差Δα。
例如可以通过测量镜扫描仪13的偏移和旋转，由激光加工机1的机器控制装置来校正如此确定的平移偏差和旋转偏差Δx、Δy、Δα。
代替在构件25上或在孔光阑探测器21上设置高度边缘26，线性高度边缘26也可以直接通过激光烧蚀工艺在处于工件支承平面8上的工件2上生成，例如平行于B、D轴。
加工镜扫描仪和测量镜扫描仪7、13也可以实施为3D扫描仪，而不是实施为如上所述的2D扫描仪，使得也能够沿着加工射束或测量射束3、12(即在Z方向上)调整相应的激光焦点。为此，在加工射束3的射束路径中，在激光射束发生器4与加工镜扫描仪7之间(在此仅示例性地，在激光射束发生器4与第一偏转镜5之间)布置有准直透镜32，该准直透镜能够借助受控制的轴33沿着加工射束3偏移。在测量射束12的射束路径中，在测量射束发生器11与测量镜扫描仪13之间(在此仅示例性地，在偏转镜16与测量镜扫描仪13之间)布置有准直透镜34，该准直透镜能够借助受控制的轴35沿着测量射束12偏移。

Claims (10)

1.一种用于确定能够围绕两个轴(C，D)倾斜的测量镜扫描仪(13)的测量坐标系(15)与能够围绕两个轴(A，B)倾斜的加工镜扫描仪(7)的加工坐标系(10)之间的平移偏差和/或旋转偏差的方法，所述测量镜扫描仪使测量射束(12)二维偏转，所述加工镜扫描仪将由所述测量镜扫描仪(13)偏转的所述测量射束(12)以及将加工射束(3)二维偏转到工件(2)上，其中，在所述工件(2)上反射的测量射束(12‘)沿着入射的所述测量射束(12)的路径返回并由空间分辨的测量传感器检测，以便求取所述工件(2)的空间分辨的信息，其中，在所述测量镜扫描仪(13)的零位中，在测量传感器(17)的传感器图像(18)中，所述反射的测量射束(12‘)成像在先前已知的图像位置(19)上，其特征在于以下方法步骤：
(a)通过借助由所述加工镜扫描仪(7)偏转的加工射束(3)以xy栅格扫描孔光阑(22)，并通过分析处理在栅格点(24)中的每个栅格点中探测到的激光功率，求取所述加工射束(3)相对于布置在所述工件支承平面(8)上的孔光阑探测器(21)的孔光阑中心(20)的xy焦点位置偏差，以及将所述加工镜扫描仪(7)固定在基于所求取的xy焦点位置偏差而校正的扫描位置，在所述扫描位置中，所述加工射束(3)的焦点位置处于预先确定的位置、尤其是处于所述孔光阑中心(20)；
在将所述加工镜扫描仪(7)固定在所述校正的扫描位置的情况下，通过借助由所述测量镜扫描仪(13)偏转的测量射束(12)扫描所述孔光阑(22)，借助所述测量传感器(17)来检测所述孔光阑(22)的空间分辨高度信息；和
基于存在于所述测量传感器(17)的传感器图像(18)中的、与所述加工射束(3)的焦点位置相对应的先前已知的图像位置(19)与由所述高度信息检测到的孔光阑中心(20‘)之间的偏差，确定所述加工坐标系与所述测量坐标系(10，15)之间的平移偏差(Δx，Δy)；和/或
(b)通过使所述加工镜扫描仪(7)围绕其一个第一倾斜轴(A)倾斜，使所述测量射束(12)在所述工件支承平面(8)中分别偏转正的和负的固定量值(+dy，-dy)，并在将所述加工镜扫描仪(7)分别固定在倾斜的扫描位置的情况下，通过使所述测量镜扫描仪(13)围绕其第二倾斜轴(D)偏转，分别通过所述测量射束(12)的线扫描(28a，28b)，借助所述测量传感器(17)来检测布置在所述工件支承平面(8)上的线性高度边缘(26)，以及基于检测到的、所述两个线扫描(28a，28b)与所述高度边缘(26)的交点(29a，29b)求取所述加工坐标系(10)的轴(yBKS)；
通过使所述测量镜扫描仪(13)围绕其另一第一倾斜轴(C)倾斜，使所述测量射束(12)在所述工件支承平面(8)中分别偏转正的和负的固定量值(+dy，-dy)，并在将所述测量镜扫描仪(13)分别固定在倾斜的扫描位置的情况下，通过使所述加工镜扫描仪(7)围绕其第二倾斜轴(B)偏转，分别通过所述测量射束(12)的线扫描(30a，30b)，借助所述测量传感器(17)来检测所述高度边缘(26)，以及基于检测到的、所述两个线扫描(30a，30b)与所述高度边缘(26)的交点(31a，31b)求取所述测量坐标系(15)的轴(yMKS)；和
基于所求取的、所述加工坐标系和所述测量坐标系(10，15)的轴(yBKS，yMKS)确定所述加工坐标系与所述测量坐标系(10，15)之间的旋转偏差(Δα)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工镜扫描仪(7)和所述测量镜扫描仪(13)分别具有一个能够围绕两个倾斜轴(A，B；C，D)倾斜的镜(9；14)或两个能够分别围绕一个倾斜轴倾斜的镜。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤(a)中，将所述孔光阑探测器(21)布置在所述工件支承平面(8)上的以下位置：在那里，所述加工射束(3)以直角的方式照射到所述工件支承平面(8)上。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤(a)中，所述先前已知的图像位置(19)位于所述传感器图像(18)的图像中心。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤(b)中，所述正的和负的固定量值分别是相同大小的。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤(b)之前，将具有所述高度边缘(26)的构件(25)布置在所述工件支承平面(8)上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤(b)之前，所述高度边缘(26)借助所述加工射束(3)通过材料去除在布置在所述工件支承平面(8)上的工件(2)处产生。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤(b)中，在所述测量镜扫描仪(13)与发射所述测量射束(12)的激光射束发生器(11)、尤其是相干断层扫描仪之间，将在所述工件(2)处反射的测量射束(12‘)偏转到朝向所述测量传感器(17)的方向上。
9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所确定的平移偏差和/或旋转偏差(Δx，Δy，Δα)通过所述加工镜扫描仪(7)和/或所述测量镜扫描仪(13)的位置调节得到补偿。
10.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有代码单元，当所述程序在激光加工机(1)的控制装置上运行时，所述代码单元匹配用于执行根据以上权利要求中任一项所述的方法的所有步骤。
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