CN114787579A - 用于为了激光加工材料的焦点控制而借助于oct测量间距的方法及所属的计算机程序产品 - Google Patents

用于为了激光加工材料的焦点控制而借助于oct测量间距的方法及所属的计算机程序产品 Download PDF

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Abstract

一种借助于光学相干断层扫描设备(4)测量间距的方法，所述光学相干断层扫描设备的测量光束(5，5')通过激光加工光学器件(7)、特别是通过扫描仪光学器件指向工件表面(11)，根据本发明，该方法包括以下方法步骤：(a)测量通过所述激光加工光学器件(7)指向所述参考表面(10)的加工激光束(3)的z焦点位置(F)与参考表面(10)之间的焦点间距(A)，并且借助于如同所述加工光束(3)那样指向所述参考表面(10)的相同的点(P1)的或者指向所述参考表面(10)的在所述加工光束(3)的入射点(P1)旁边的点(P2)的测量光束(5)来测量所述光学相干断层扫描设备(4)的参考臂镜(16)与所述参考表面(10)之间的参考间距(L0)；(b)借助于指向所述工件表面(11)的测量光束(5')来测量所述参考臂镜(16)与工件表面(11)之间的工件间距(L1)，和(c)根据测量出的参考间距和工件间距(L0，L1)以及测量出的焦点间距(A)来求取工件表面(11)与z焦点位置(F)之间的间距(X1)。

Description

用于为了激光加工材料的焦点控制而借助于OCT测量间距的 方法及所属的计算机程序产品
技术领域
本发明涉及一种用于通过光学相干断层扫描设备(英文为，optical coherencetomography，OCT)测量间距的方法，所述光学相干断层扫描设备的测量光束通过激光加工光学器件、特别是通过扫描仪光学器件指向工件表面。
背景技术
OCT测量技术是干涉相对间距测量，其中，将测量区段的光学路径长度与参考区段的路径长度进行比较。测量区段与参考区段之间的温度差导致测量值的热漂移。所述漂移对于相对测量、例如构件的高度差或部分熔透焊接深度测量是不重要的。在绝对测量的情况中，特别是对于激光加工光学器件与工件之间的绝对间距的调节，所述热漂移造成了问题，因为所述热漂移使实际间距值失真。通常对测量区段和参考区段中的温度进行测量，并且然后通过数学模型费事地补偿所述漂移。
目前为了确定激光加工光学器件与工件之间的绝对工作间距而使用结合监测相机的激光三角测量。然而这种解决方案的缺点是，在扫描仪光学器件的情况中局限于确定的加工位置(通常在扫描仪光学器件的未偏转状态中的位置)。
发明内容
与此相对地，本发明的任务在于，提出一种OCT测量方法，通过所述方法可以测量特别是在工件的激光加工中重要的间距。
根据本发明，该任务通过一种借助于OCT设备测量间距的方法来解决，所述OCT设备的测量光束通过激光加工光学器件、特别是通过扫描仪光学器件指向工件表面，该方法包括以下方法步骤：
(a)测量通过所述激光加工光学器件指向参考表面的加工激光束的z焦点位置与参考表面之间的焦点间距，并且借助于如同所述加工光束那样指向所述参考表面的相同的点或者指向所述参考表面的在所述加工光束的入射点旁边的点的测量光束来测量所述光学相干断层扫描设备的参考臂镜与所述参考表面之间的参考间距；
(b)借助于指向所述工件表面的测量光束来测量所述参考臂镜与工件表面之间的工件间距，以及
(c)根据测量出的参考间距和工件间距以及测量出的焦点间距来求取工件表面与z焦点位置之间的间距。
优选地，在步骤(a)中，将加工激光束和测量光束分别垂直地指向参考表面，并且在步骤(b)中，将测量光束垂直地或倾斜地指向工件表面。
根据本发明，激光加工光学器件首先朝向参考表面的固定的参考点定向。这可以通过以下方式进行：使整个激光加工光学器件垂直于在z方向上延伸的光轴、即在x、y方向上移动，或者在激光加工光学器件设计为扫描仪光学器件的情况中替换地使这个或这些扫描仪镜偏转。接着，一方面例如借助于由DE 10 2011 006 553 A1公知的方法来确定加工激光束相对于参考表面的z焦点位置，并且另一方面，在激光加工光学器件的相同设定中，借助于测量光束测量参考臂镜与参考表面之间的参考间距。通过这两个测量可以将焦点位置配置给OCT测量系统。然后通过在x、y方向上移动激光加工光学器件或者通过使这个或这些扫描仪镜偏转，将测量光束指向工件，并且借助于测量光束来测量参考臂镜与工件表面之间的工件间距。根据测量出的参考间距和工件间距以及测量出的焦点间距可以求取焦点位置与工件表面之间的间距。步骤(a)和步骤(b)中的测量尽可能迅速地进行，以使得可以忽略所述测量之间出现的热漂移。通过根据本发明的方法使得作为用于数学修正的输入参量的费事的调温措施和有误差的点式温度测量变得多余。
在最简单的情况中，即如果激光加工光学器件在步骤(b)中如同在步骤(a)中那样位于相同的z位置上，并且测量光束分别垂直地指向参考表面和工件表面，则焦点位置与工件表面之间的间距相应于测量出的工件间距减去测量出的参考间距与测量出的焦点间距之间的差。对于在步骤(b)中将测量光束倾斜地指向工件表面的情况，可以根据测量出的倾斜的工件间距和激光加工光学器件的已知的偏转角度来求取工件间距。最后，对于在步骤(a)与步骤(b)之间已发生激光加工光学器件在z方向上的运动的情况，这种情况在步骤(c)中在求取所述间距时同样被考虑。
优选地，根据已求取的间距来相对于工件表面调设指向工件表面的加工激光束的z焦点位置，例如其方式是，使激光加工光学器件或聚焦光学器件在z方向上如此程度地移动，直到调设为相对于工件表面的期望的焦点间距。
有利地，例如借助于相应的补偿值将被存储在机器控制装置中的、工件表面与z焦点位置之间的额定间距修正为已求取的间距。
优选地，在具有或没有步骤(a)的情况中可以根据当前测量出的参考间距和工件间距循环地求取当前的间距。在(例如由于热漂移)偏离先前求取并存储的值的情况中，将被存储在控制器中的、相对于工件表面的额定焦点间距修正为当前求取的间距。
根据本发明，前述任务还通过一种借助于OCT设备测量间距的方法来解决，所述OCT设备的测量光束通过激光加工光学器件、特别是通过扫描仪光学器件指向工件表面，该方法包括以下方法步骤：
-借助于从激光加工光学器件分别在不同的入射角度下指向所述工件表面的两个测量光束来测量所述光学相干断层扫描设备的参考臂镜与所述工件表面之间的工件间距；和
-根据所述两个入射角度以及两个测量出的工件间距之间的差来求取偏转光学器件与工件表面之间的间距。
有利地，在此将所述两个测量光束中的一个测量光束垂直地指向工件表面。
根据本发明，OCT测量光束例如未偏转地以及通过扫描仪光学器件偏转一定角度地被定位在平坦的工件表面上。两个OCT间距测量之间的路径长度差是扫描仪光学器件与工件表面之间的间距的函数，从而该间距可以根据偏转角度和两个测量出的工件间距之间的长度差来求取。因此，可以测量并且修正(例如由扫描仪光学器件的尺寸图引起的)该间距与已知的额定值的偏差。
优选地，在求取所述间距时，考虑所述两个测量光束的两个入射点之间在z方向上存在的表面偏移。在不平坦的工件表面的情况中，同样可以使用所述方法，然而必须已知两个测量位置之间即例如未偏转的测量位置与偏转的测量位置之间的、在z方向上存在的、工件的表面偏移。
特别有利地，将被存储在机器控制装置中的、偏转光学器件与工件表面之间的额定间距修正为已求取的间距。
最后，本发明还涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有代码模块，所述代码模块适用于当所述程序在激光加工机的控制激光加工光学器件的机器控制装置上运行时实施根据本发明的方法的所有步骤。
附图说明
本发明主题的其他优点和有利的设计方案可以从说明书、附图和权利要求中获知。前述的特征和还进一步列举的特征同样可以分别单独地或者多个任意组合地使用。示出的和被描述的实施例不理解为穷举，而是确切地说具有用于描述本发明的示例性的特征。
附图中：
图1a、图1b示意性地示出适用于实施根据本发明的第一OCT测量方法的激光加工机，所述激光加工机具有用于测量作为OCT间距测量的参考的、加工激光束的焦点位置的参考表面；和
图2a至图2c示出根据本发明的能够由图1的激光加工机实施的第二OCT测量方法，其中，OCT间距测量在平坦工件表面(图2a)、阶梯状的工件表面(图2b)和弯曲的工件表面(图2c)上实施。
具体实施方式
图1a，1b中示意性地示出的激光加工机1包括用于产生加工激光束3的激光束发生器2、用于产生测量光束5的光学相干断层扫描设备(OCT)4、以及能在x、y、z方向上运动的加工头6，所述加工头具有扫描仪光学器件7用于在x、y方向上一维或二维地偏转两个光束3，5。扫描仪光学器件7可以具有例如可围绕两条轴线偏转的一个扫描仪镜，或者具有各自可围绕一条轴线偏转的两个扫描仪镜。在加工头6中，两个光束3，5通过倾斜放置的镜8彼此共线地定向(所述镜透射测量光束5并且使加工激光束3转向)并且借助于转向镜9传送到共同的扫描仪光学器件7。通过扫描仪光学器件7和/或通过加工头6在x、y方向上的移动可以将两个光束3，5指向参考表面10或工件表面11。可选地，OCT扫描仪(未示出)可以在测量光束5的光学路径中布置在镜8之前，以便能够将测量光束5相对于加工激光束3偏转。
OCT4固定在加工头6上并且以已知的方式具有用于产生OCT光束13的OCT光源(例如超辐射发光二极管)12、用于将OCT光束13分成测量光束5和参考光束15的分束器14。测量光束射到参考表面10或工件表面11，测量光束5在所述参考表面或工件表面上至少部分地被反射并且被传导回到在这个方向上不可透射的或部分透射的分束器14。参考光束15由参考臂镜16反射并且同样被传导回到分束器14。两个被反射的光束5，15的叠加最后由探测器(OCT传感器)17探测，以便通过测量区段的光学路径长度与参考区段的光学路径长度比较来求取参考臂镜16与参考表面10或工件表面11之间(相对于参考区段)的间距。替代如图所示地将整个OCT设备4固定在可运动的加工头6上，替换地，OCT设备4的对于测量光束5和参考光束15的传播时间差不重要的各个部件、例如OCT光源12和OCT传感器17也可以特别是位置不动地固定在别处。
为了相对于加工激光束3的z焦点位置F测量工件表面11而如下地进行。
例如借助于由DE 10 2011 006 553 A1已知的测量方法，相对于参考表面10求取垂直于参考表面10定向的加工激光束3的焦点位置F。在此在参考表面10上布置测量传感器，所述测量传感器具有孔板及设置在孔板之后的功率探测器。孔板的孔直径大致相应于加工激光束3的焦点直径。加工激光束3(借助于加工头6的聚焦光学器件18或者通过加工头6在z方向上移动)而在z网格中运动，并且在每一个网格点上通过功率探测器测量激光功率。然后可以由测量值求取峰值、即加工激光束3的z焦点位置F作为相对于参考表面10的间距A。替代如图所示地在扫描仪光学器件7之后，也可以在扫描仪光学器件7之前布置聚焦光学器件18，确切地说，布置在测量光束输入耦合件(镜8)之前或之后。
然后借助于如同加工光束3那样在相同的角度下指向参考表面10的相同的点P1的测量光束5来测量参考臂镜16与参考表面10之间的参考间距L0。替换地，测量光束5也可以指向参考表面10的尽可能邻近于加工光束3的入射点P1旁边的点P2；这两个点P1，P2之间的间距越小，测量光束5关于焦点位置F的参考越准确。
最后，如同以虚线示出的那样，例如通过使加工头6在x-y方向上移动(图1a)或者通过使扫描仪光学器件7或扫描仪镜以偏转角度α(图1b)偏转，而将测量光束5'朝向工件表面11定向。借助于测量光束5'测量参考臂镜16与工件表面11之间的工件间距L1。根据测量出的参考间距和工件间距L0，L1以及测量出的间距A可以求取焦点位置F与工件表面11之间的间距X1。
在图1a中测量光束5'垂直地指向工件表面11的情况中，对于间距X1适用的是：
X1＝L0-L1-A-Δz，
其中，Δz表示在参考间距L0的测量与测量工件间距L1的测量之间进行的、焦点位置F的z位移。所述z位移Δz可以例如通过加工光学器件7的以图1a中以虚线示出的z运动或者通过聚焦光学器件18的z运动实现。
在图1b中测量光束5'在角度α(α≠0°)下指向工件表面11的情况中，对于间距X1适用的是：
X1＝L0-L1cos(α)-A-Δz，
其中，Δz表示在参考间距L0的测量与测量工件间距L1的测量之间进行的、焦点位置F的z位移。
参考间距和工件间距L0，L1以及焦点位置F的测量能够以任意的顺序进行，然而必须这样迅速地进行，以使得可以忽略所述测量之间的热漂移。
根据已求取的间距X1可以相对于工件表面11调设指向工件表面11的加工激光束3的焦点位置F，例如其方式是，使加工头6或聚焦光学器件18在z方向上如此程度地移动，直到调设为焦点位置F与工件表面11之间的期望的额定间距。
激光加工光学器件7的运动、特别是扫描仪光学器件的偏转、以及参考间距L0和工件间距L1的测量可以由机器控制装置19控制，所述机器控制装置也可以承担间距X1的求取。参考间距L0和工件间距L1的测量可以(在进行或不进行对加工激光束3的焦点位置F的重新测量的情况中)循环地实施。在(例如由于热漂移导致)偏离先前求取的并且存储在机器控制装置19中的间距X1的情况中，可以将被存储在机器控制装置19中的、参考表面10与工件表面11之间的额定间距修正为当前求取的间距X1。
图2a至图2c示出用于求取扫描仪光学器件7与工件表面11之间的绝对间距X2的第二OCT测量方法，该方法能够由激光加工机1实施，其中，OCT间距测量在平坦工件表面11(图2a)、在z方向上呈阶梯状的工件表面11(图2b)以及在z方向上任意弯曲的工件表面11(图2c)上实施。
参考臂镜16与工件表面11之间的(相对于参考区段的)工件间距L1，L2借助于两个测量光束5，5'来测量，所述两个测量光束分别在不同的入射角度α1(在此：α1＝0°)、α2下指向工件表面11。根据所述两个入射角度α1，α2以及两个测量出的工件间距L1，L2之间的长度差ΔL＝L1-L2，可以求取扫描仪光学器件7、更准确地说扫描仪镜的倾斜轴线与工件表面11之间的绝对间距X2：
Figure BDA0003676119300000071
其中，Δz表示两个测量点P1，P2之间的、工件表面11的z表面偏移。
在图2a的情况中，即在平坦工件表面11(Δz＝0)的情况中以及在测量光束5垂直地(α1＝0°)指向工件表面11的情况中，对于绝对间距X2适用的是：
Figure BDA0003676119300000072
在图2b和图2c的情况中，即在两个测量点P1，P2之间存在z表面偏移Δz(Δz≠0)的情况中以及在测量光束5垂直地(α1＝0°)指向工件表面11的情况中，对于绝对间距X2适用的是：
Figure BDA0003676119300000073
可以将被存储在机器控制装置19中的、偏转光学器件7与工件表面11之间的额定间距修正为已求取的绝对间距X2。

Claims (13)

1.一种借助于光学相干断层扫描设备(4)测量间距的方法，所述光学相干断层扫描设备的测量光束(5，5')通过激光加工光学器件(7)、特别是通过扫描仪光学器件而指向工件表面(11)，该方法包括以下方法步骤：
(a)测量通过所述激光加工光学器件(7)指向参考表面(10)的加工激光束(3)的z焦点位置(F)与参考表面(10)之间的焦点间距(A)，并且借助于如同所述加工光束(3)那样指向所述参考表面(10)的相同的点(P1)的或者指向所述参考表面(10)的在所述加工光束(3)的入射点(P1)旁边的点(P2)的测量光束(5)来测量所述光学相干断层扫描设备(4)的参考臂镜(16)与所述参考表面(10)之间的参考间距(L0)；
(b)借助于指向所述工件表面(11)的测量光束(5')来测量所述参考臂镜(16)与工件表面(11)之间的工件间距(L1)，和
(c)根据测量出的参考间距和工件间距(L0，L1)以及测量出的焦点间距(A)来求取工件表面(11)与z焦点位置(F)之间的间距(X1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，将所述加工激光束(3)和所述测量光束(5)分别垂直地指向所述参考表面(10)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，将所述测量光束(5')垂直地或倾斜地指向所述工件表面(11)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，在求取所述间距(X1)时考虑加工头(6)或所述加工头(6)的聚焦光学器件(18)在步骤(a)与步骤(b)之间在z方向上进行的运动(Δz)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，通过所述激光加工光学器件(7)或者通过激光加工光学器件(7)与工件之间的x-y相对运动，将所述测量光束(5')指向所述工件表面(11)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据已求取的间距(X1)来相对于所述工件表面(11)调设指向所述工件表面(11)的加工激光束(3)的z焦点位置(F)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将被存储在机器控制装置(19)中的、工件表面(11)与z焦点位置(F)之间的额定间距修正为已求取的间距(X1)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据当前测量出的参考间距和工件间距(L0，L1)循环地求取当前的间距(X1)。
9.一种借助于光学相干断层扫描设备(4)测量间距的方法，所述光学相干断层扫描设备的测量光束(5，5')通过激光加工光学器件(7)、特别是通过扫描仪光学器件指向工件表面(11)，该方法包括以下方法步骤：
-借助于从所述激光加工光学器件(7)分别在不同的入射角度(α1，α2)下指向所述工件表面(11)的两个测量光束(5，5')来测量所述光学相干断层扫描设备(4)的参考臂镜(16)与所述工件表面(11)之间的工件间距(L1，L2)；和
-根据所述两个入射角度(α1，α2)以及两个测量出的工件间距(L1，L2)之间的差(ΔL)来求取偏转光学器件(7)与工件表面(11)之间的间距(X2)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述两个测量光束(5，5')中的一个测量光束垂直地指向所述工件表面(11)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在求取所述间距(X2)时，考虑所述两个测量光束(5，5')的两个测量点(P1，P2)之间在z方向上存在的、所述工件表面(11)的表面偏移(Δz)。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，将被存储在机器控制装置(19)中的、偏转光学器件(7)与工件表面(11)之间的额定间距修正为已求取的间距(X2)。
13.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有代码模块，所述代码模块适用于当程序在激光加工机(1)的控制激光加工光学器件(7)的机器控制装置(19)上运行时实施根据前述权利要求中任一项所述的方法的所有步骤。
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