DE102008060384B3

DE102008060384B3 - Sensor system for monitoring laser machining process carried out on workpiece, comprises holding device, in which imaging optics is arranged, receiving device adjustable relative to imaging optics, light source module, and sensor module

Info

Publication number: DE102008060384B3
Application number: DE102008060384A
Authority: DE
Inventors: Georg Spörl; Ludwig Weber
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2028-12-04

Abstract

The sensor system (12) comprises a holding device (30), in which imaging optics (32) is arranged, a receiving device adjustable relative to the imaging optics, and a light source module, which is insertable in the receiving device at a predetermined position relative to the receiving device and comprises a light source with a first spatial-filter aperture that is represented through the imaging optics at a region in an area of an interaction zone between a laser beam (16) and a workpiece (14) to select a determined observation field in the interaction zone by adjusting the receiving device. The sensor system (12) comprises a holding device (30), in which imaging optics (32) is arranged, a receiving device, which is adjustable relative to the imaging optics, a light source module, which is insertable in the receiving device at a predetermined position relative to the receiving device and comprises a light source with a first spatial-filter aperture that is represented through the imaging optics at a region in an area of an interaction zone between a laser beam (16) and a workpiece (14) to select a determined observation field in the interaction zone by adjusting the receiving device, and a sensor module, which is insertable in the receiving device at a predetermined position relative to the receiving device and comprises a radiation-sensitive receiver with a second spatial-filter aperture, at which the selected determined observation field of the interaction zone between the laser beam and workpiece is represented through the imaging optics after insertion of the sensor module into the receiving device. The second spatial-filter aperture is fixedly arranged in the sensor module, so that the second spatial-filter aperture is arranged to the receiving device at a predetermined position after the insertion of the sensor module into the receiving device. The first spatial-filter aperture is fixedly arranged in the light module, so that a focal plane offset of the imaging optics is compensated based on the wavelength difference between the emitted light of the light source and the detected radiation by the radiation-sensitive receiver using a correspondingly different arrangement of the first spatial-filter aperture and the second spatial-filter aperture in an inserted state of the associated module. The first spatial-filter aperture of the light source module and the second spatial-filter aperture of the sensor module are a pinhole aperture or an inverse aperture for covering a central area. The radiation-sensitive receiver is a sensitive temperature sensor for infra-red radiation, and is a sensitive receiver for plasma radiation and for processing laser radiation. The sensor module has a further radiation-sensitive sensor, which is provided for the detection of radiation from the area of the interaction zone between the laser beam and the workpiece that lies in another wavelength region as the radiation detected by the radiation-sensitive receiver. The sensor module has a beam splitter in the observation beam path in direction to a further associated radiation sensor for coupling the radiation. An additional radiation sensor is a temperature sensor, or a sensitive sensor for plasma radiation and for processing laser radiation. The light source of the light source module is a laser light source, a light emitting diode, and cold light source with a fiber bundle. The receiving device and the imaging optics are adjustable to each other in direction to the optical axis to adjust an optical distance between the imaging optics and corresponding spatial-filter apertures of the light source module or the sensor module. The receiving device is relocatable vertical to the optical axis of the imaging optics in two directions linearly independent of each other to select the determined observation field in the interaction zone. The receiving device is designed, so that the sensor module and the light source module are clipped in the receiving device, where the sensor module and the light source module have a determined position relative to the receiving device in an engaged state. Independent claims are included for: (1) a sensor module; and (2) a method for selecting a determined observation field in an area of an interaction zone between a laser beam and a workpiece during a laser machining process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs.The The invention relates to a sensor system for monitoring a workpiece to be performed on a workpiece Laser processing operation.

Um einen Laserbearbeitungsvorgang, insbesondere einen Schweiß- oder Schneidprozess überwachen zu können, werden je nach Aufgabenstellung verschiedene Sensoren zur Erfassung der aus einer durch den Arbeitsfokus bestimmten Arbeits- oder Wechselwirkungszone kommenden Strahlung eingesetzt. So sind standardmäßig UV-Sensoren zur Überwachung eines sich über der Wechselwirkungszone bildenden Plasmas und ein Rückreflexsensor vorgesehen, der die Rückstrahlung des Lasers aus der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und einem zu bearbeitenden Werkstück erfasst. Ferner werden zur Überwachung des Laserbearbeitungsvorgangs Temperaturfühler oder Infrarotsensoren eingesetzt, durch die eine Randaufschmelzung und das Temperaturprofil bei der Bearbeitung überwacht werden können.Around a laser processing operation, in particular a welding or Monitor cutting process to be able to Depending on the task, different sensors for recording that of a working or interaction zone determined by the working focus coming radiation used. So are standard UV sensors for monitoring one over the interaction zone forming plasma and a back-reflection sensor provided the reversion of the laser from the interaction zone between the laser beam and a to be machined workpiece detected. Further, for monitoring the laser processing process temperature sensor or infrared sensors used, by the one edge melting and the temperature profile at the Processing be monitored can.

Um sehr kleine Störungen beim Laserbearbeitungsvorgang erfassen zu können, wird üblicher Weise vor dem strahlungsempfindlichen Empfänger zur Erfassung der Infrarotstrahlung eine Ortsfilterblende angeordnet, auf welche die Wechselwirkungszone zwischen Werkstück und Laser abgebildet wird, wodurch ein bestimmtes Beobachtungsfeld der Wechselwirkungszone ausgewählt werden kann. Durch die Ortsfilterblende kann ein definiertes, beliebig gestaltbares Beobachtungsfeld festgelegt werden, das beispielsweise Punkt- oder linienförmig ist. Ferner kann die Ortsfilterblende eine Lochblende sein, wodurch beispielsweise die aus dem Bereich des Arbeitsfokus kommende Strahlung detektiert werden kann. Es ist jedoch auch vorstellbar, die Ortsfilterblende als inverse Blende zum Abdecken eines zentralen Bereichs auszugestalten, wodurch gerade der Bereich des Arbeitsfokus ausgeblendet und lediglich der den Arbeitsbrennpunkt umgebende Bereich überwacht wird.Around very small disturbances in the laser processing operation, is usually before the radiation sensitive Receiver to Detecting the infrared radiation a spatial filter aperture arranged on which the interaction zone between workpiece and laser is imaged, creating a specific field of observation of the interaction zone selected can be. Through the spatial filter aperture can be a defined, arbitrary formable observation field are set, for example Is point or line shaped. Further For example, the spatial filter aperture may be a pinhole the radiation coming from the area of the working focus is detected can. However, it is also conceivable that the spatial filter aperture as inverse Aperture to cover a central area to design, which just the area of the working focus hidden and only the the area surrounding the working focal point is monitored.

Aus der DE 101 20 251 A1 ist eine Sensorvorrichtung bekannt, welche eine solche Ortsfilterblende einsetzt. Bei dieser Vorrichtung wird das auszuwählende Beobachtungsfeld relativ zur Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück durch ein Verschieben der Ortsfilterblende in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse eines Beobachtungsstrahlengangs vor einem entsprechenden strahlungsempfindlichen Empfänger festgelegt.From the DE 101 20 251 A1 a sensor device is known, which uses such a spatial filter aperture. In this apparatus, the observation field to be selected is set relative to the interaction zone between the laser beam and the workpiece by displacing the spatial filter aperture in a direction perpendicular to the optical axis of an observation beam path in front of a corresponding radiation-sensitive receiver.

Um das bestimmte Beobachtungsfeld auszuwählen, wird eine Lichtquelle gegen den strahlungsempfindlichen Empfänger ausgetauscht, wodurch die von der Empfängerseite her beleuchtete Ortsfilterblende auf das Werkstück abgebildet wird, wodurch das Beobachtungsfeld durch Justieren der Ortsfilterblende bestimmt werden kann.Around Selecting the particular field of view becomes a light source replaced by the radiation-sensitive receiver, thereby from the receiver side illuminated lit filter aperture is mapped onto the workpiece, whereby the Observation field can be determined by adjusting the spatial filter aperture can.

Der Austausch der Empfängeranordnung gegen eine Lichtquelle ist jedoch aufgrund der geringen Bauteilgröße aufwendig, wobei der in der Regel empfindliche Empfänger durch den Austauschvorgang beschädigt werden kann. Darüber hinaus kann durch den Austauschvorgang aufgrund des Öffnens des Sensormoduls Schmutz in das Modul eindringen, wodurch weitere Sensoren oder optische Bauteile in der Sensorvorrichtung in Mitleidenschaft gezogen werden.Of the Replacement of the receiver assembly against However, a light source is expensive due to the small component size, the usually sensitive receiver through the replacement process damaged can be. About that In addition, by the exchange process due to the opening of the Sensor module dirt penetrate into the module, creating more sensors or optical components in the sensor device to be pulled.

Die DE 100 60 176 A1 beschreibt einen Laserbearbeitungskopf. Für eine Anpassung von Sensoren an eine jeweilige Bearbeitungsaufgabe ist bei diesem Laserbearbeitungskopf eine Sensoranordnung vorgesehen, die ein in einer Seitenwand eines Gehäuses des Laserbearbeitungskopfes neben dem Laserstrahl-Durchgang angeordnetes Sensormodul umfasst. Mittels einer Strahlumlenkvorrichtung wird eine aus einer durch einen Arbeitsfokus bestimmten Wechselwirkungszone kommende Strahlung auf die Sensoren der Sensorordnung gelenkt, sodass zumindest ein Teil der Strahlung zur Überwachung der Bearbeitung eines Werkstücks durch die Sensoren erfasst werden kann.The DE 100 60 176 A1 describes a laser processing head. For adapting sensors to a respective machining task, a sensor arrangement is provided in this laser processing head, which comprises a sensor module arranged in a side wall of a housing of the laser processing head next to the laser beam passage. By means of a beam deflection device, a radiation coming from an interaction zone determined by a working focus is directed onto the sensors of the sensor arrangement so that at least part of the radiation can be detected by the sensors for monitoring the machining of a workpiece.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs und ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, durch welche in einfacher Weise ein bestimmtes Beobachtungsfeld einer Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück ausgewählt werden kann.From that Based on the object of the invention, a sensor system for monitoring one on a workpiece to be performed laser processing operation and to provide a corresponding method by which in a simple manner a particular field of observation of an interaction zone between Laser beam and workpiece selected can be.

Diese Aufgabe wird durch das Sensorsystem nach Anspruch 1, das Sensormodul nach Anspruch 19, den Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 20 und durch das Verfahren nach Anspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargelegt.These The object is achieved by the sensor system according to claim 1, the sensor module according to claim 19, the laser processing head according to claim 20 and solved by the method according to claim 21. Advantageous embodiments and further developments of the invention are set forth in the subclaims.

Erfindungsgemäß ist ein Sensorsystem zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs vorgesehen, das eine Haltevorrichtung aufweist, in der eine Abbildungsoptik angeordnet ist, wobei die Halte vorrichtung eine in Beobachtungsrichtung hinter der Abbildungsoptik angeordnete Aufnahmevorrichtung umfasst, welche relativ zur Abbildungsoptik verstellbar ist. Das Sensorsystem umfasst weiter ein Lichtquellenmodul, das in einer vorbestimmten Lage relativ zur Aufnahmevorrichtung in diese einsetzbar ist, und welches eine Lichtquelle mit einer ersten Ortsfilterblende umfasst, wobei die erste Ortsfilterblende durch die Abbildungsoptik auf ein Gebiet im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück abbildbar ist, um durch Verstellung der Aufnahme vorrichtung ein bestimmtes Beobachtungsfeld in der Wechselwirkungszone auszuwählen. Weiter ist in dem Sensorsystem gemäß der Erfindung ein Sensormodul vorgesehen, das in einer vorbestimmten Lage relativ zur Aufnahmevorrichtung in diese einsetzbar ist, und welches einen strahlungsempfindlichen Empfänger mit einer zweiten Ortsfilterblende umfasst, auf welche das ausgewählte bestimmte Beobachtungsfeld im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück durch die Abbildungsoptik nach einem Einsetzen des Sensormoduls in die Aufnahmevorrichtung abbildbar ist.According to the invention, a sensor system for monitoring a workpiece to be performed laser processing operation is provided, which has a holding device in which an imaging optics is arranged, wherein the holding device comprises a viewing direction behind the imaging optics arranged recording device, which is adjustable relative to the imaging optics. The sensor system further comprises a light source module, which can be inserted in a predetermined position relative to the recording device in this, and which comprises a light source with a first spatial filter aperture, wherein the first spatial filter aperture by the imaging optics on a region in the range the interaction zone between the laser beam and the workpiece is imaged to device by adjusting the recording to select a particular field of observation in the interaction zone. Furthermore, in the sensor system according to the invention, a sensor module is provided, which can be inserted in a predetermined position relative to the recording device, and which comprises a radiation-sensitive receiver with a second spatial filter aperture on which the selected particular field of observation in the region of interaction zone between laser beam and workpiece can be imaged by the imaging optics after insertion of the sensor module in the receiving device.

Es ist also ein Sensorsystem zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs vorgesehen, das eine Haltevorrichtung mit einer justierbaren Aufnahme und zwei auswechselbare Module umfasst, welche in die Aufnahme eingesetzt werden können. Das erste Modul ist ein Lichtquellenmodul, welches eine Lichtquelle und eine erste Ortsfilterblende umfasst, die durch Verstellung der Aufnahmevorrichtung auf ein zu bearbeitendes Werkstück abgebildet wird, um ein bestimmtes Beobachtungsfeld innerhalb einer Wechselwirkungszone zwischen Laser und Werkstück auszuwählen. Das zweite Modul ist ein Sensormodul, welches nach der Auswahl des Beobachtungsfeldes mittels des Lichtquellenmoduls gegen das Lichtquellenmodul ausgetauscht wird. Das Sensormodul umfasst zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger und eine zweite Ortsfilterblende, die vor einem strahlungsempfindlichen Empfänger angeordnet ist, wobei die zweite Ortsfilterblende und die erste Ortsfilterblende so aufeinander abgestimmt sind, dass das ausgewählte Beobachtungsfeld auf die zweite Ortsfilterblende in dem Sensormodul nach einem Einsetzen des Sensormoduls in die Aufnahme abgebildet wird. Die beiden Module können somit als abgeschlossene Systeme ausgebildet werden, wodurch ein Eindringen von Schmutz oder eine Beschädigung von empfindlichen Bauteilen der entsprechenden Module verhindert wird.It So it is a sensor system for monitoring one on a workpiece to be performed laser processing operation provided that a holding device with an adjustable receptacle and includes two interchangeable modules which are inserted into the receptacle can be. The first module is a light source module which is a light source and a first spatial filter aperture obtained by adjusting the Recording device imaged on a workpiece to be machined becomes a particular field of observation within an interaction zone between laser and workpiece. The second module is a sensor module, which after selecting the field by means of of the light source module exchanged with the light source module becomes. The sensor module comprises at least one radiation-sensitive receiver and a second spatial filter aperture preceding a radiation sensitive one receiver is arranged, wherein the second spatial filter aperture and the first Spatial filter aperture are coordinated so that the selected field of view to the second spatial filter aperture in the sensor module after insertion of the sensor module is imaged in the recording. The two modules can thus be formed as a closed systems, creating a Ingress of dirt or damage to sensitive components the corresponding modules is prevented.

Aufgrund der Justierbarkeit des Sensormoduls durch die Aufnahmevorrichtung der Haltevorrichtung des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist es zweckmäßig, wenn die zweite Ortsfilterblende fest in dem Sensormodul angeordnet ist, so dass die zweite Ortsfilterblende nach einem Einsetzen des Sensormoduls in die Aufnahmevorrichtung in einer vorbestimmten Lage zu dieser angeordnet ist. Hierdurch sind in dem Sensormodul keine beweglichen Teile vorgesehen, wodurch das Sensormodul kompakt und einfach ausgebildet werden kann.by virtue of the adjustability of the sensor module by the receiving device the holding device of the sensor system according to the invention, it is expedient if the second spatial filter aperture is fixedly arranged in the sensor module, such that the second spatial filter aperture after insertion of the sensor module in the receiving device in a predetermined position to this is arranged. As a result, there are no moving parts in the sensor module provided, whereby the sensor module made compact and simple can be.

In gleicher Weise wie für das Sensormodul ist es für das Lichtquellenmodul von Vorteil, wenn die erste Ortsfilterblende fest im Lichtquellenmodul derart angeordnet ist, dass ein Fokusebenenversatz der Abbildungsoptik aufgrund des Wellenlängenunterschieds zwischen dem emittierten Licht der Lichtquelle und der detektierten Strahlung durch den strahlungsempfindlichen Empfänger mittels einer entsprechend unterschiedlichen Anordnung der ersten Ortsfilterblende und der zweiten Ortsfilterblende im eingesetzten Zustand des jeweiligen zugehörigen Moduls kompensiert wird. So kann das Lichtquellenmodul ebenfalls kompakt und einfach ausgebildet sein, wobei zusätzlich ein Fokusebenenversatz aufgrund der unterschiedlich verwendeten Wellenlängen kompensiert und das Beobachtungsfeld scharf auf die zweite Ortsfilterblende nach einer Justierung mittels des Lichtquellenmoduls abgebildet werden kann.In same way as for the sensor module is there for the light source module advantageous if the first spatial filter aperture is fixedly arranged in the light source module such that a focal plane offset the imaging optics due to the wavelength difference between the emitted light of the light source and the detected radiation by the radiation-sensitive receiver by means of a corresponding different arrangement of the first spatial filter aperture and the second spatial filter aperture in the inserted state of the respective associated module is compensated. So the light source module can also be compact and be easily formed, with additionally a focal plane offset compensated due to the different wavelengths used and the field of observation sharp on the second spatial filter aperture after an adjustment by means of the light source module can be imaged.

Bei der Erfassung der aus dem Bereich des Arbeitsfokus oder aus einem den Arbeitsfokus umgebenden Bereich kommenden Strahlung ist es für eine Justierung des Lichtquellenmoduls zweckmäßig, wenn die erste Ortsfilterblende des Lichtquellenmoduls eine Lochblende oder eine inverse Blende zum Abdecken eines zentralen Bereichs ist. Entsprechend ist es nach Auswahl des bestimmten Beobachtungsfeldes zweckmäßig, wenn die zweite Ortsfilterblende des Sensormoduls entsprechend der ersten Ortsfilterblende des Lichtquellenmoduls eine Lochblende oder eine inverse Blende zum Abdecken eines zentralen Bereichs ist.at the capture of the field of work focus or of a the area surrounding the working focus area is for an adjustment the light source module expedient, if the first spatial filter aperture of the light source module a pinhole or an inverse aperture for covering a central area. Accordingly, it is after selecting the particular field of observation appropriate if the second spatial filter aperture of the sensor module corresponding to the first spatial filter aperture the light source module a pinhole or an inverse aperture for covering a central area.

Im Falle einer Überwachung eines zentralen Bereichs, der durch den Arbeitsfokus bestimmt wird, oder eines den Arbeitsfokus umgebenden Bereichs ist es für die Überwachung einer Randaufschmelzung und eines Temperaturprofils von Vorteil, wenn der strahlungsempfindliche Empfänger ein Temperatursensor, insbesondere ein für Infrarotstrahlung empfindlicher Temperatursensor ist.in the Case of surveillance a central area determined by the working focus, or of an area surrounding the working focus is for monitoring an edge reflow and a temperature profile of advantage, if the radiation-sensitive receiver is a temperature sensor, in particular a for Infrared radiation is sensitive temperature sensor.

Für die Überwachung des zentralen Bereichs ist es weiter zweckmäßig, wenn der strahlungsempfindliche Empfänger ein für Plasmastrahlung empfindli cher Empfänger oder ein für die Bearbeitungslaserstrahlung empfindlicher Empfänger ist.For monitoring of the central area, it is further useful if the radiation-sensitive receiver one for Plasma radiation sensitive receiver or one for the processing laser radiation sensitive receiver is.

Hinsichtlich einer umfassenden Überwachung des Laserbearbeitungsvorgangs ist es dabei von Vorteil, wenn das Sensormodul zumindest einen weiteren strahlungsempfindlichen Sensor aufweist, welcher zur Detektion von Strahlung aus dem Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück vorgesehen ist, die in einem anderen Wellenlängenbereich liegt wie die durch den strahlungsempfindlichen Empfänger detektierte Strahlung, wobei das Sensormodul zumindest einen Strahlteiler zur Auskopplung der Strahlung im Beobachtungsstrahlengang in Richtung des zumindest einen weiteren zugehörigen Strahlungssensors aufweist.With regard to a comprehensive monitoring of the laser processing operation, it is advantageous if the sensor module has at least one further radiation-sensitive sensor which is provided for the detection of radiation from the region of the interaction zone between the laser beam and the workpiece, which lies in a different wavelength range as that through the radiation-sensitive Receiver detected radiation, wherein the sensor module at least one beam splitter for coupling the radiation in the observation beam path in the direction of the at least one further associated radiation sensor has.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine zusätzliche Strahlungssensor ein Temperatursensor, ein für Plasmastrahlung empfindlicher Sensor oder ein für Bearbeitungsstrahlung empfindlicher Sensor ist.in this connection it is advantageous if the at least one additional radiation sensor Temperature sensor, one for Plasma radiation sensitive sensor or a sensor sensitive to processing radiation is.

Aufgrund der hohen Intensität von Laserlicht ist es zweckmäßig, wenn die Lichtquelle des Lichtquellenmoduls eine Laserlichtquelle ist.by virtue of high intensity Of laser light, it is useful if the light source of the light source module is a laser light source.

Für eine einfache Ausgestaltung des Lichtquellenmoduls ist es jedoch auch zweckmäßig, wenn die Lichtquelle des Lichtquellenmoduls eine Leuchtdiode ist.For a simple However, embodiment of the light source module, it is also expedient if the Light source of the light source module is a light emitting diode.

Ferner ist es von Vorteil, wenn die Lichtquelle des Lichtquellenmoduls eine Kaltlichtquelle mit Faserbündel ist.Further it is beneficial if the light source of the light source module a cold light source with fiber bundles is.

Um eine scharfe Abbildung der ersten Ortsfilterblende auf das Werkstück und entsprechend des Werkstücks auf die zweite Ortsfilterblende zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, dass die Aufnahmevorrichtung (34) und die Abbildungsoptik (32) zueinander in Richtung der optischen Achse (L') verstellbar sind, um einen optischen Abstand zwischen der Abbildungsoptik (32) und einer entsprechenden Ortsfilterblende (40, 44) des Lichtquellenmoduls (36) oder des Sensormoduls (38) einzustellen.In order to allow a sharp mapping of the first spatial filter aperture on the workpiece and corresponding to the workpiece on the second spatial filter aperture, it is expedient that the receiving device ( 34 ) and the imaging optics ( 32 ) are adjustable relative to one another in the direction of the optical axis (L ') in order to achieve an optical distance between the imaging optics ( 32 ) and a corresponding spatial filter aperture ( 40 . 44 ) of the light source module ( 36 ) or the sensor module ( 38 ).

Für die Auswahl des bestimmten Beobachtungsfeldes ist es zweckmäßig, wenn die Aufnahmevorrichtung zumindest in einer Richtung, vorzugsweise jedoch in zwei voneinander linear unabhängigen Richtungen senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik verschiebbar ist, um das bestimmte Beobachtungsfeld in der Wechselwirkungszone auszuwählen.For the selection the particular field of observation, it is advantageous if the recording device at least in one direction, but preferably in two from each other linearly independent directions is displaceable perpendicular to the optical axis of the imaging optics, to select the particular observation field in the interaction zone.

Um eine definierte und exakte Lage nach einem Auswechseln der Module zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn die Aufnahmevorrichtung so ausgestaltet ist, dass das Sensormodul und das Lichtquellenmodul in die Aufnahmevorrichtung einrastbar sind, wobei das Sensormodul und das Lichtmodul im eingerasteten Zustand eine vorbestimmte Lage relativ zur Aufnahmevorrichtung aufweisen.Around a defined and exact position after a replacement of the modules to ensure, it is advantageous if the receiving device designed in this way is that the sensor module and the light source module in the receiving device latched, wherein the sensor module and the light module in the locked Condition have a predetermined position relative to the receiving device.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Sensormodul vorgesehen, welches ein Gehäuse aufweist, das in die Aufnahmevorrichtung der Haltevorrichtung des erfindungsgemäßen Sensorsystems einsetzbar ist, wobei das Sensormodul einen strahlungsempfindlichen Empfänger und eine Ortsfilterblende aufweist, welche relativ zu dem Gehäuse und dem strahlungsempfindlichen Empfänger fest angeordnet ist.The invention is further a sensor module is provided, which has a housing which in the receiving device the holding device of the sensor system according to the invention can be used is, wherein the sensor module, a radiation-sensitive receiver and a spatial filter aperture, which relative to the housing and the radiation-sensitive receiver is fixed.

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Laserbearbeitungskopf vorgesehen, der das erfindungsgemäße Sensorsystem umfasst, wobei ein Beobachtungsstrahlengang des Sensorsystems über einen Strahlteilerspiegel so in den Laserbearbeitungsstrahlengang eingekoppelt ist, dass eine Fokussieroptik für einen Arbeitslaserstrahl zusammen mit der Abbildungsoptik des Sensorsystems das ausgewählte Beobachtungsfeld auf die zweite Ortsfilterblende abbildet.Furthermore is a laser processing head according to the invention provided, which comprises the sensor system according to the invention, wherein an observation beam path of the sensor system via a beam splitter mirror so coupled into the laser processing beam path is that one Focusing optics for a working laser beam together with the imaging optics of the sensor system the selected one Observation field on the second spatial filter aperture maps.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zum Auswählen eines bestimmten Beobachtungsfeldes im Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen einem Laserstrahl und einem Werkstück bei einem Laserbearbeitungsvorgang vorgesehen, das die folgenden Schritte aufweist: Einsetzen eines Lichtquellenmoduls in eine Haltevorrichtung, welche eine Abbildungsoptik und eine in Beobachtungsrichtung hinter der Abbildungsoptik angeordnete Aufnahmevorrichtung, welche relativ zur Abbildungsoptik verstellbar ist, aufweist, wobei das Lichtquellenmodul in einer vorbestimmten Lage relativ zur Aufnahmeeinrichtung in diese eingesetzt wird.The invention is further a method of selection a certain field of observation in the area of an interaction zone between a laser beam and a workpiece in a laser processing operation comprising the steps of: inserting a light source module in a holding device, which has an imaging optics and an in Observation direction behind the imaging optics arranged recording device, which is adjustable relative to the imaging optics, wherein the light source module in a predetermined position relative to the receiving device is used in this.

Auswählen eines bestimmten Beobachtungsfeldes in der Wechselwirkungszone durch Verstellen der Aufnahmevorrichtung, wobei eine durch eine Lichtquelle des Lichtquellenmoduls beleuchtete Lichtquellenblende im Lichtquellenmodul durch die Abbildungsoptik auf ein Gebiet im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück abgebildet wird, und Einsetzen eines Sensormoduls in einer vorbestimmten Lage in die Aufnahmevorrichtung nach Entnahme des Lichtquellenmoduls, wobei aufgrund der im Auswählschritt erfolgten Verstellung der Aufnahmevorrichtung nach dem Einsetzen des Sensormoduls das ausgewählte bestimmte Beobachtungsfeld im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück durch die Abbildungsoptik auf eine zweite Ortsfilterblende vor einem strahlungsempfindlichen Empfänger des Sensormoduls abgebildet wird.Select one certain observation field in the interaction zone by adjusting the recording device, wherein a light source shutter illuminated by a light source of the light source module in the light source module through the imaging optics to an area in the Area of the interaction zone between laser beam and workpiece shown and inserting a sensor module in a predetermined position in the receiving device after removal of the light source module, due to the selection step followed adjustment of the recording device after insertion of the sensor module the selected one certain field of observation in the area of the interaction zone between Laser beam and workpiece through the imaging optics on a second spatial filter aperture in front of a radiation-sensitive receiver of the sensor module is mapped.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below, for example, with reference to the drawing explained in more detail. It demonstrate:

1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes mit einem Sensorsystem gemäß der Erfindung, wobei ein Lichtquellenmodul in einer Haltevorrichtung aufgenommen ist, 1 a greatly simplified schematic view of a laser processing head with a sensor system according to the invention, wherein a light source module is accommodated in a holding device,

2 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes mit dem Sensorsystem gemäß der Erfindung, wobei ein Sensormodul in der Haltevorrichtung des Sensorsystem aufgenommen ist, 2 a greatly simplified schematic view of a laser processing head with the sensor system according to the invention, wherein a sensor module is incorporated in the holding device of the sensor system,

3 eine schematische Schnittansicht entlang der optischen Achse einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung mit einem Lichtquellenmodul, 3 a schematic sectional view ent long the optical axis of a holding device according to the invention with a light source module,

4 eine schematische Schnittansicht eines Lichtquellenmoduls gemäß der Erfindung, 4 a schematic sectional view of a light source module according to the invention,

5A eine schematische Schnittansicht entlang der optischen Achse der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Sensormodul, 5A a schematic sectional view along the optical axis of the holding device according to the invention with a sensor module according to the invention,

5B eine Auswahl von optischen Bauelementen aus der schematischen Schnittansicht in 5A, 5B a selection of optical components from the schematic sectional view in 5A .

6A eine schematische Schnittansicht entlang der optischen Achse in einer Ebene, welche senkrecht zur Schnittebene der 5A liegt, der erfin dungsgemäßen Aufnahmevorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Sensormodul, und 6A a schematic sectional view along the optical axis in a plane which is perpendicular to the sectional plane of 5A is, the inventions to the invention recording device with the sensor module according to the invention, and

6B eine Auswahl von optischen Bauelementen aus der schematischen Schnittansicht in 6A. 6B a selection of optical components from the schematic sectional view in 6A ,

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In The various figures of the drawing are corresponding to each other Components provided with the same reference numerals.

In den 1 und 2 ist eine stark vereinfachte Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes 10 mit einem Sensorsystem 12 zur Überwachung eines an einem Werkstück 14 durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, wie er mit Laserbearbeitungsmaschinen oder -anlagen verwendet wird. Hierbei wird ein von der Laserbearbeitungsmaschine kommender Arbeitslaserstrahl 16 durch ein Gehäuse 18 des Laserbearbeitungskopfes 10 hindurch auf das Werkstück 14 gelenkt und mittels einer Fokussieroptik 20 auf das Werkstück 14 fokussiert, wie durch die optische Achse L angedeutet wird. Der Arbeitslaserstrahl 16 kann bei einer Zuführung zu dem Laserbearbeitungskopf 10 mittels einer Lichtleitfaser 22 aufgrund der Auskopplung des Laserstrahls 16 aus der Lichtleitfaser 22 durch eine Kollimatoroptik 24 aufgeweitet sein. In dem Gehäuse 18 des Laserbearbeitungskopfes 10 ist im Durchgangsbereich des Arbeitslaserstrahls 16 ein Strahlteilerspiegel 26 so angeordnet, dass ein Beobachtungsstrahlengang 28 des Sensorsystems 12 koaxial in den Strahlengang des Arbeitslaserstrahls 16 eingekoppelt wird.In the 1 and 2 is a highly simplified view of a laser processing head 10 with a sensor system 12 for monitoring one on a workpiece 14 to be performed laser processing operation according to the present invention, as used with laser processing machines or equipment. This is a coming from the laser processing machine working laser beam 16 through a housing 18 of the laser processing head 10 through to the workpiece 14 steered and by means of a focusing optics 20 on the workpiece 14 focused, as indicated by the optical axis L. The working laser beam 16 may be at a feed to the laser processing head 10 by means of an optical fiber 22 due to the decoupling of the laser beam 16 from the optical fiber 22 through a collimator optics 24 be widened. In the case 18 of the laser processing head 10 is in the passage area of the working laser beam 16 a beam splitter mirror 26 arranged so that an observation beam path 28 of the sensor system 12 coaxial with the beam path of the working laser beam 16 is coupled.

Das Sensorsystem 12 umfasst eine Haltevorrichtung 30, welche fest mit dem Gehäuse 18 des Laserbearbeitungskopfes 10 verbunden ist, und in welcher eine Abbildungsoptik 32 angeordnet ist, durch welche der Beobachtungsstrahlengang 28 auf der dem Strahlteilerspiegel 26 abgewandten Seite fokussiert wird. Die Abbildungsoptik 32, die in den 1 und 2 als dünne Einzellinse dargestellt ist, kann auch aus mehreren Linsen zusammengesetzt sein. Ferner ist es denkbar, als Abbildungsoptik 32 einen Abbildungsspiegel einzusetzen, wodurch insbesondere Intensitätsverluste bei Beobachtungen im UV-Spektralbereich vermeidbar sind. In der Haltevorrichtung 30 ist in Beobachtungsrichtung hinter der Abbildungsoptik 32 eine Aufnahmevorrichtung 34 angeordnet, welche relativ zur Abbildungsoptik 32 verstellbar ist. Die Auf nahmevorrichtung 34 ist dabei so ausgestaltet, dass es unterschiedliche Module aufnehmen kann, wobei ein entsprechendes Modul nach dem Einsetzen in die Aufnahmevorrichtung 34 in einer vorbestimmten Lage relativ zur Aufnahmevorrichtung 34 angeordnet ist.The sensor system 12 includes a holding device 30 , which firmly with the housing 18 of the laser processing head 10 is connected, and in which an imaging optics 32 is arranged, through which the observation beam path 28 on the beam splitter mirror 26 focussed on the opposite side. The imaging optics 32 that in the 1 and 2 is shown as a thin single lens, can also be composed of several lenses. Furthermore, it is conceivable as imaging optics 32 use an imaging mirror, which in particular intensity losses during observations in the UV spectral range are avoidable. In the holding device 30 is in the direction of observation behind the imaging optics 32 a recording device 34 arranged, which relative to the imaging optics 32 is adjustable. The on-take device 34 is designed so that it can accommodate different modules, with a corresponding module after insertion into the receiving device 34 in a predetermined position relative to the receiving device 34 is arranged.

In 1 ist als auswechselbares Modul ein Lichtquellenmodul 36 und in 2 als auswechselbares Modul ein Sensormodul 38 dargestellt. Das Lichtquellenmodul 36 umfasst eine erste Ortsfilterblende 40 sowie eine Lichtquelle 42, die in Beobachtungsrichtung hinter der ersten Ortsfilterblende 40 angeordnet ist. Die erste Ortsfilterblende 40 ist in 1 als Lochblende dargestellt, es ist jedoch auch möglich, die erste Ortsfilterblende 40 als inverse Blende auszugestalten. Als Lichtquelle 42 eignen sich sämtliche Lichtquellen, welche eine ausreichend starke Intensität besitzen, um durch eine Beleuchtung der ersten Ortsfilterblende 40 von der in Beobachtungsrichtung liegenden Rückseite der Ortsfilterblende 40 diese über die Abbildungsoptik 32, den Strahlteilerspiegel 26 und die Fokussieroptik 20 auf die Oberfläche des Werkstücks 14 abbilden zu können. Als geeignete Lichtquelle kann beispielsweise eine Laserlichtquelle, eine Leuchtdiode oder eine Kaltlichtquelle mit Faserbündel verwendet werden.In 1 is a replaceable module a light source module 36 and in 2 as a replaceable module, a sensor module 38 shown. The light source module 36 includes a first spatial filter aperture 40 as well as a light source 42 , in the direction of observation behind the first spatial filter aperture 40 is arranged. The first spatial filter aperture 40 is in 1 shown as a pinhole, but it is also possible, the first spatial filter aperture 40 to design as an inverse aperture. As a light source 42 All light sources which have a sufficiently strong intensity are suitable for illuminating the first spatial filter aperture 40 from the rear in the direction of observation of the spatial filter aperture 40 this about the imaging optics 32 , the beam splitter mirror 26 and the focusing optics 20 on the surface of the workpiece 14 to be able to depict. As a suitable light source, for example, a laser light source, a light emitting diode or a cold light source with fiber bundles can be used.

Das in 2 gezeigte Sensormodul 38 umfasst eine zweite Ortsfilterblende 44 und einen strahlungsempfindlichen Empfänger 46. Die zweite Ortsfilterblende 44 kann hierbei, wie in 2 dargestellt, eine Lochblende sein, es ist jedoch auch möglich, die zweite Ortsfilterblende 44 als inverse Blende zum Abdecken einen zentralen Bereichs auszubilden. Die Ausgestaltung der ersten Ortsfilterblende 40 und der zweiten Ortsfilterblende 44 ist abhängig von dem zu überwachenden Beobachtungsfeld im Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl 16 und Werkstück 14 und kann somit frei gewählt werden. Es sollte jedoch die Form und Lage der ersten Ortsfilterblende 40 innerhalb des Lichtquellenmoduls 36 auf die Form und Lage der zweiten Ortsfilterblende 44 in dem Sensormodul 38 abgestimmt sein. Der strahlungsempfindliche Empfänger 46 ist vorzugsweise ein für Infrarotstrahlung empfindlicher Temperatursensor, welcher in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 1300 und 1900 nm empfindlich ist.This in 2 shown sensor module 38 includes a second spatial filter aperture 44 and a radiation-sensitive receiver 46 , The second spatial filter aperture 44 can do this, as in 2 shown, a pinhole, but it is also possible, the second spatial filter aperture 44 as an inverse aperture for covering a central area form. The embodiment of the first spatial filter aperture 40 and the second spatial filter aperture 44 depends on the observation field to be monitored in the area of an interaction zone between the laser beam 16 and workpiece 14 and thus can be chosen freely. However, it should be the shape and location of the first spatial filter aperture 40 within the light source module 36 on the shape and location of the second spatial filter aperture 44 in the sensor module 38 be coordinated. The radiation-sensitive receiver 46 is preferably an infrared radiation sensitive temperature sensor which is sensitive in a wavelength range between about 1300 and 1900 nm.

Das Sensormodul 38 kann, wie in 2 gezeigt, darüber hinaus noch weitere strahlungsempfindliche Sensoren 48 und 50 aufweisen, wobei der Beobach tungsstrahlengang 28 jeweils in Richtung der strahlungsempfindlichen Sensoren 48 und 50 durch entsprechende Strahlteiler 52 und 54 ausgekoppelt wird. Der erste weitere strahlungsempfindliche Sensor 48 kann hierbei ein für die Bearbeitungslaserstrahlung empfindlicher Sensor sein, welcher im Wellenlängenbereich zwischen etwa 900 und 1100 nm empfindlich ist. Der zweite weitere strahlungsempfindliche Sensor 50 kann ein für Plasmastrahlung empfindlicher Empfänger sein, deren spektraler Schwerpunkt unterhalb von 400 nm liegt, oder ein für sichtbare Strahlung empfindlicher Empfänger sein. Obwohl der strahlungsempfindliche Empfänger 46 bevorzugter Weise ein Infrarotdetektor ist, ist es jedoch auch möglich, einen Empfänger zu wählen, der in einem anderen Wellenlängenbereich empfindlich ist, wobei die jeweils anderen strahlungsempfindlichen Sensoren 48 und 50 dementsprechend angepasst werden, so dass ein möglichst breiter Wellenlängenbereich durch die entsprechenden Sensoren abgedeckt wird.The sensor module 38 can, as in 2 shown, in addition, even more radiation sensitive sensors 48 and 50 have, wherein the observation beam path 28 each in the direction of the radiation-sensitive sensors 48 and 50 through appropriate beam splitters 52 and 54 is decoupled. The first additional radiation-sensitive sensor 48 In this case, it may be a sensor which is sensitive to the processing laser radiation and which is sensitive in the wavelength range between approximately 900 and 1100 nm. The second additional radiation-sensitive sensor 50 may be a plasma-sensitive receiver whose spectral center of gravity is below 400 nm, or a receiver sensitive to visible radiation. Although the radiation-sensitive receiver 46 However, if it is preferably an infrared detector, it is also possible to choose a receiver which is sensitive in a different wavelength range, the respective other radiation-sensitive sensors 48 and 50 be adjusted accordingly, so that as broad a wavelength range is covered by the corresponding sensors.

Im Folgenden wird die Funktionalität des erfindungsgemäßen Sensorsystems 12 zur Überwachung des an dem Werkstück 14 durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs beschrieben. Wie in 1 gezeigt, wird zunächst das Lichtquellenmodul 36 in die Aufnahmevorrichtung 34 eingesetzt. Durch Verstellen der Aufnahmevorrichtung 34 in zumindest einer Richtung, vorzugsweise jedoch in zwei voneinander linear unabhängigen Richtungen senkrecht zur optischen Achse L' wird das Lichtquellenmodul 36 mit der fest in dem Lichtquellenmodul 36 angeordneten ersten Ortsfilterblende 40 und der Lichtquelle 42 relativ zur Abbildungsoptik 32 bewegt, wobei die durch die Lichtquelle 43 beleuchtete erste Ortsfilterblende 40 durch die Abbildungsoptik 32 und die Fokussieroptik 20 auf die Oberfläche des Werkstücks 14 nach einer Verschiebung der Aufnahmevorrichtung 34 in Richtung der optischen Achse L' der Abbildungsoptik 32 scharf abgebildet wird. Durch eine Verstellung der Aufnahmevorrichtung 34 kann also ein bestimmtes Beobachtungsfeld in der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl 16 und Werkstück 14 entsprechend der Geometrie der ersten Ortsfilterblende 40 ausgewählt werden.The following is the functionality of the sensor system according to the invention 12 for monitoring the on the workpiece 14 described to be performed laser processing operation. As in 1 First shown is the light source module 36 in the cradle 34 used. By adjusting the recording device 34 in at least one direction, but preferably in two mutually linearly independent directions perpendicular to the optical axis L 'is the light source module 36 with the fixed in the light source module 36 arranged first spatial filter aperture 40 and the light source 42 relative to the imaging optics 32 moved, passing through the light source 43 illuminated first spatial filter aperture 40 through the imaging optics 32 and the focusing optics 20 on the surface of the workpiece 14 after a displacement of the receiving device 34 in the direction of the optical axis L 'of the imaging optics 32 is shown sharply. By an adjustment of the recording device 34 So can a specific field of observation in the interaction zone between the laser beam 16 and workpiece 14 according to the geometry of the first spatial filter aperture 40 to be selected.

Nach der Auswahl des bestimmten Beobachtungsfeldes in der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl 16 und Werkstück 14 wird das Lichtquellenmodul 36 aus der Aufnahmevorrichtung 34 der Haltevorrichtung 30 herausgenommen, wobei die Aufnahmevorrichtung 34 nach der Herausnahme des Lichtquellenmoduls 36 nicht verstellt wird. In die Aufnahmevorrichtung 34 wird dann, wie in 2 gezeigt, das Sensormodul 38 eingesetzt, wobei die zweite Ortsfilterblende 44 so fest in dem Sensormodul 38 angeordnet ist, dass das bestimmte Beobachtungsfeld in der Wechselwirkungszone scharf auf die zweite Ortsfilterblende 44 abgebildet wird. Die Lage der zweiten Ortsfilterblende 44 in dem Sensormodul 38 kann hinsichtlich der Lage der ersten Ortsfilterblende 40 in dem Lichtquellenmodul 36 so angepasst sein, dass ein Fokusebenenversatz aufgrund einer chromatischen Aberration, insbesondere eines Farblängsfehlers der Abbildungsoptik 32 bei unterschiedlichen Wellenlängen des emittierten Lichts der Lichtquelle 42 und der zu detektierenden Strahlung durch den strahlungsempfindliche Empfänger 46 mittels einer entsprechend unterschiedlichen Anordnung der ersten Ortsfilterblende 40 und der zweiten Ortsfilterblende 46 im jeweils eingesetzten Zustand in den jeweiligen Modulen 36 und 38 kompensiert wird. Für die Kompensation des Fokusebenenversatzes der Abbildungsoptik 32 wird die zweite Ortsfilterblende 44 in Richtung der optischen Achse L' der Abbildungsoptik 32 versetzt zu der Lage der ersten Ortsfilterblende 40 in dem Lichtquellenmodul 36 angeordnet.After selecting the particular field of observation in the interaction zone between the laser beam 16 and workpiece 14 becomes the light source module 36 from the recording device 34 the holding device 30 taken out, the receiving device 34 after removing the light source module 36 not adjusted. Into the cradle 34 will then, as in 2 shown the sensor module 38 used, with the second spatial filter aperture 44 so tight in the sensor module 38 is arranged that the particular observation field in the interaction zone focused on the second spatial filter aperture 44 is shown. The location of the second spatial filter aperture 44 in the sensor module 38 can with regard to the location of the first spatial filter aperture 40 in the light source module 36 be adjusted so that a focal plane offset due to a chromatic aberration, in particular a longitudinal chromatic aberration of the imaging optics 32 at different wavelengths of the emitted light of the light source 42 and the radiation to be detected by the radiation-sensitive receiver 46 by means of a correspondingly different arrangement of the first spatial filter aperture 40 and the second spatial filter aperture 46 in each case inserted state in the respective modules 36 and 38 is compensated. For the compensation of the focal plane offset of the imaging optics 32 becomes the second spatial filter aperture 44 in the direction of the optical axis L 'of the imaging optics 32 offset to the location of the first spatial filter aperture 40 in the light source module 36 arranged.

Um zu gewährleisten, dass das Lichtquellenmodul 36 und das Sensormodul 38 in einer vorbestimmten Lage in die Aufnahmevorrichtung 34 eingesetzt werden, können die Teile des Gehäuses der Lichtquellenvorrichtung 36 und des Sensormoduls 38, welche in die Aufnahmevorrichtung 34 eingesetzt werden, gleich ausgebildet sein. Beispielsweise können durch in der Aufnahme der Aufnahmevorrichtung 34 vorhandene Führungsnuten oder sonstige Asymmetrien die jeweiligen Module 36 und 38 drehfest in die Aufnahmevorrichtung 34, bis zu einem bestimmten Anschlagpunkt einsteckbar und an diesem Punkt einrastbar sein. Somit kann auch bei Beobachtungsfeldern, welche nicht drehsymmetrisch um die optische Achse L sind, eine eindeutige Auswahl des Beobachtungsfeldes erreicht werden.To ensure that the light source module 36 and the sensor module 38 in a predetermined position in the receiving device 34 can be used, the parts of the housing of the light source device 36 and the sensor module 38 which are in the receiving device 34 be used, be the same. For example, by in the recording of the recording device 34 existing guide grooves or other asymmetries the respective modules 36 and 38 rotatably in the receiving device 34 , be plugged in to a certain stop point and be latched at this point. Thus, an unambiguous selection of the observation field can be achieved even in observation fields which are not rotationally symmetrical about the optical axis L.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorsystems 12 anhand der 3 bis 6B beschrieben, wobei die 3 und 4 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung 30 des Sensorsystems 12 mit einem Lichtquellenmodul 36 und die 5A bis 6B die erfindungsgemäße Haltevorrichtung 30 mit einem Sensormodul 38 darstellen.The following is an embodiment of the sensor system according to the invention 12 based on 3 to 6B described, wherein the 3 and 4 a sectional view of the holding device according to the invention 30 of the sensor system 12 with a light source module 36 and the 5A to 6B the holding device according to the invention 30 with a sensor module 38 represent.

Die Haltevorrichtung 30 ist, wie in 1 schematisch dargestellt, dazu vorgesehen, seitlich an dem Gehäuse 18 des Laserbearbeitungskopfes 10 befestigt zu werden, wobei die Abbildungsoptik 32 der Haltevorrichtung 30 in 3 nicht gezeigt ist. Die Haltevorrichtung 30 weist an seiner der Abbildungsoptik 30 zugewandten Seite ein Schutzfenster 54 auf, welches durch einen Haltering 56 in einem Gewinde 58 befestigt ist. In Beobachtungsrichtung hinter dem Schutzfenster 54 befindet sich in einem Gehäuse 60 der Haltevorrichtung 30 eine Ausnehmung 62, welche dazu vorgesehen ist, den Beobachtungsstrahlengang über eine Ausnehmung 64 in einem Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 und eine zylinderförmige Ausnehmung 68 in einem Gehäuse 70 der Lichtquellenvorrichtung 36 zu der ersten Ortsfilterblende 40 des Lichtquellenmoduls 36 durchzulassen.The holding device 30 is how in 1 shown schematically, provided, laterally on the housing 18 of the laser processing head 10 to be attached, the imaging optics 32 the holding device 30 in 3 not shown. The holding device 30 indicates at its the imaging optics 30 facing side a protective window 54 on which by a retaining ring 56 in a thread 58 is attached. In observation direction behind the protection window 54 is located in a housing 60 the holding device 30 a recess 62 , which is intended to the observation beam via a recess 64 in a housecoat se 66 the cradle 34 and a cylindrical recess 68 in a housing 70 the light source device 36 to the first spatial filter aperture 40 of the light source module 36 pass.

Das Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 ist innerhalb des Gehäuses 60 der Haltevorrichtung 30 so angeordnet, dass die Öffnungen der Ausnehmung 62 im Gehäuse 60 der Haltevorrichtung 30 und der Ausnehmung 64 im Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 sich gegenüberliegen. Das Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 ist im Wesentlichen als Buchse mit zwei in Beobachtungsrichtung hintereinander liegenden zylinderförmigen Teilen mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet, wobei der in Beobachtungsrichtung erste Teil einen geringeren Durchmesser als der in Beobachtungsrichtung dahinter liegende Teil hat. Die Lage des Gehäuses 66 der Aufnahmevorrichtung 34 kann mittels Stellschrauben 71, welche in Gewindebohrungen 72 im Gehäuse 60 der Haltevorrichtung 30 eingesetzt sind, verstellt und fixiert werden, wobei die Stellschrauben 71 bei einer Fixierung der Aufnahmevorrichtung 34 in Kontakt mit der Umfangswandung 74 des ersten Teils des Gehäuses 66 der Aufnahmevorrichtung 34 stehen.The housing 66 the cradle 34 is inside the case 60 the holding device 30 arranged so that the openings of the recess 62 in the case 60 the holding device 30 and the recess 64 in the case 66 the cradle 34 face each other. The housing 66 the cradle 34 is essentially designed as a bushing with two in the direction of observation successive cylindrical parts of different diameters, wherein the first part in the observation direction has a smaller diameter than the part lying behind in the direction of observation. The location of the housing 66 the cradle 34 can by means of screws 71 , which in tapped holes 72 in the case 60 the holding device 30 are used, adjusted and fixed, with the screws 71 at a fixation of the receiving device 34 in contact with the peripheral wall 74 of the first part of the housing 66 the cradle 34 stand.

Das Lichtquellenmodul 36 ist mit seinem Gehäuse 70 in das Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 eingesetzt, wobei die Außengeometrie des Gehäuses 70 des Lichtquellenmoduls 36 komplementär zu der Innengeometrie des Gehäuses 66 der Aufnahmevorrichtung 34 ausgebildet ist. In dem in 3 und 4 gezeigten Lichtquellenmodul 36 besteht das Gehäuse 70 aus zwei zylinderförmigen Abschnitten mit unterschiedlichen Durchmessern, wobei an dem Übergang zwischen den beiden Abschnitten ein Schulterabschnitt 76 ausgebildet ist, welcher im eingesetzten Zustand des Lichtquellenmoduls 36 an einem Übergangsbereich 78 zwischen erstem und zweitem Teil des Gehäu ses 66 der Aufnahmevorrichtung 34 anliegt. Das Lichtquellenmodul 36 weist, wie in 4 gezeigt, am Ende der zentralen Ausnehmung 68 die erste Ortsfilterblende 40 auf, welche in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als kleines Loch ausgebildet ist. In Beobachtungsrichtung hinter der ersten Ortsfilterblende 40 ist die Lichtquelle 42 angeordnet, welche in einer sich an die Ausnehmung 68 anschließenden, hinter dem zentralen Loch der ersten Ortsfilterblende 40 gebildeten Ausnehmung 80 eingesetzt und mittels eines Buchsenelements 82 darin befestigt. Hierbei weist das Buchsenelement 82 an seiner der Lichtquelle 42 gegenüberliegenden Seite einen Flansch 84 auf, der mit einer Überwurfmutter 86, die in einem Innengewinde 88 des Gehäuses 70 eingeschraubt ist, in Eingriff steht.The light source module 36 is with his case 70 in the case 66 the cradle 34 used, the external geometry of the housing 70 of the light source module 36 complementary to the internal geometry of the housing 66 the cradle 34 is trained. In the in 3 and 4 shown light source module 36 is the housing 70 of two cylindrical sections of different diameters, at the junction between the two sections a shoulder section 76 is formed, which in the inserted state of the light source module 36 at a transition area 78 between the first and second part of the housing 66 the cradle 34 is applied. The light source module 36 points as in 4 shown at the end of the central recess 68 the first spatial filter aperture 40 on, which is formed in the present embodiment as a small hole. In observation direction behind the first spatial filter aperture 40 is the light source 42 arranged, which in a to the recess 68 following, behind the central hole of the first spatial filter aperture 40 formed recess 80 used and by means of a socket element 82 fixed in it. Here, the socket element 82 at its the source of light 42 opposite side a flange 84 on that with a union nut 86 in an internal thread 88 of the housing 70 is screwed in, is engaged.

Das Lichtquellenmodul 36 wird durch einen Befestigungsring 90, welcher mit einem Außengewinde 92 in ein Innengewinde 94 im Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 eingeschraubt wird, in der Aufnahmevorrichtung 34 befestigt. An der in Beobachtungsrichtung hinter dem Lichtquellenmodul 36 liegenden Seite des Gehäuses 60 der Haltevorrichtung 30 ist ein Deckelelement 96 befestigt.The light source module 36 is through a fastening ring 90 , which with an external thread 92 in an internal thread 94 in the case 66 the cradle 34 is screwed in the cradle 34 attached. At the observation direction behind the light source module 36 lying side of the housing 60 the holding device 30 is a lid element 96 attached.

Im Folgenden soll anhand der 5A bis 6B ein Ausführungsbeispiel des Sensormoduls 38, das in die Haltevorrichtung 30 eingesetzt ist, erläutert werden. Die Merkmale der Haltevorrichtung 30 und der Aufnahmevorrichtung 34 sind die gleichen wie bereits anhand der 3 erläutert, daher wird die nachfolgende Beschreibung auf das eingesetzte Sensormodul 38 beschränkt.The following is based on the 5A to 6B an embodiment of the sensor module 38 in the holding device 30 is used to be explained. The features of the holding device 30 and the cradle 34 are the same as already based on the 3 Therefore, the following description will be based on the sensor module used 38 limited.

Das Sensormodul 38 weist, wie in den 5A und 6A gezeigt, ein Gehäuse 98 auf, in das der strahlungsempfindliche Empfänger 46 hinter der zweiten Ortsfilterblende 44 und die weiteren strahlungsempfindlichen Sensoren 48 (5A) und 50 (6A und 6B) eingesetzt sind. Das Gehäuse 98 ist hinsichtlich seiner Außengeometrie so ausgebildet, dass es in das Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 in einer vorbestimmten Lage einsetzbar ist. Das Gehäuse 98 des Sensormoduls 38 weist eine zentrale Ausnehmung 100 auf, die sich im eingesetzten Zustand des Sensormoduls 38 von der Ausnehmung 64 der Aufnahmevorrichtung 34 bis zu dem strahlungsempfindlichen Empfänger 46 durch das Gehäuse 98 hindurcherstreckt. In der Ausnehmung 100 sind die Strahlteiler 52 und 54 angeordnet, wobei die Strahlteiler 52 und 54 die von dem Werkstück emittierte Strahlung im Beobachtungsstrahlengang, der durch die Ausnehmung 100 geführt wird, in Richtung der weiteren strahlungsempfindlichen Sensoren 48 und 50 leiten. Wie in den zueinander senkrecht stehenden Schnittansichten in 5A und 6A deutlich wird, koppeln die Strahlteiler 52 und 54 die eintreffende Strahlung in zwei Richtungen aus, die jeweils senkrecht zur optischen Achse L' des Beobachtungsstrahlengangs liegen und ferner zueinander senkrecht sind. Somit kann eine kompakte Bauweise aufgrund eines gewissen Überlapps in Richtung der optischen Achse L' der beiden Strahlteiler 52 und 54 erreicht werden.The sensor module 38 points, as in the 5A and 6A shown a case 98 into which the radiation-sensitive receiver 46 behind the second spatial filter aperture 44 and the other radiation-sensitive sensors 48 ( 5A ) and 50 ( 6A and 6B ) are used. The housing 98 is designed with respect to its outer geometry, that it is in the housing 66 the cradle 34 can be used in a predetermined position. The housing 98 of the sensor module 38 has a central recess 100 on, which is in the inserted state of the sensor module 38 from the recess 64 the cradle 34 up to the radiation-sensitive receiver 46 through the housing 98 extends. In the recess 100 are the beam splitters 52 and 54 arranged, wherein the beam splitter 52 and 54 the radiation emitted by the workpiece in the observation beam path through the recess 100 is guided, in the direction of the other radiation-sensitive sensors 48 and 50 conduct. As in the mutually perpendicular sectional views in 5A and 6A becomes clear, couple the beam splitter 52 and 54 the incident radiation in two directions, each of which is perpendicular to the optical axis L 'of the observation beam path and are also mutually perpendicular. Thus, a compact design due to a certain overlap in the direction of the optical axis L 'of the two beam splitters 52 and 54 be achieved.

Die zweite Ortsfilterblende 44, welche sich in Beobachtungsrichtung am Ende der Ausnehmung 100 des Gehäuses 98 des Sensormoduls 36 befindet, ist mittels einer Befestigungsschraube 102 (5A) im Beobachtungsstrahlengang vor dem strahlungsempfindlichen Empfänger 46 fixiert. Wie in 6A gezeigt, sind in Beobachtungsrichtung vor der zweiten Ortsfilterblende 44 mittels eines Schraubenelements 104 noch Filterelemente 106 und 108 in der Ausnehmung 100 des Gehäuses 98 des Sensormoduls 36 fixiert. Ferner ist im Beobachtungsstrahlengang zwischen den Strahlteilern 52 und 54 ein weiteres Filterelement 110 in der Ausnehmung 100 mittels eines Federelements 112 befestigt. Diese Filterelemente sind dazu vorgesehen, die eintreffende Strahlung abhängig von der Wellenlänge zu filtern, um die eintreffende Strahlung nach ihrer Strahlungsart trennen zu können.The second spatial filter aperture 44 which extend in the direction of observation at the end of the recess 100 of the housing 98 of the sensor module 36 is by means of a fastening screw 102 ( 5A ) in the observation beam path in front of the radiation-sensitive receiver 46 fixed. As in 6A are shown in the direction of observation before the second spatial filter aperture 44 by means of a screw element 104 still filter elements 106 and 108 in the recess 100 of the housing 98 of the sensor module 36 fixed. Further, in the observation beam path between the beam splitters 52 and 54 another filter element 110 in the recess 100 by means of a spring element 112 attached. This fil terelemente are intended to filter the incoming radiation depending on the wavelength in order to separate the incoming radiation according to their radiation.

In den 5B und 6B sind die wichtigsten optischen Bauelemente im Beobachtungsstrahlengang innerhalb der Ausnehmung 100 des Gehäuses 98 der Sensorvorrichtung 36 nochmals hinsichtlich ihrer geometrischen Anordnung separat gezeigt.In the 5B and 6B are the most important optical components in the observation beam within the recess 100 of the housing 98 the sensor device 36 shown separately again with respect to their geometric arrangement.

In den in 4, 5A und 6A gezeigten Ausführungsbeispielen des Lichtquellenmoduls 36 und des Sensormoduls 38 ist die Außengeometrie des Gehäuses 70 des Lichtquellenmoduls 36 und des Gehäuses 98 des Sensormoduls 38 hinsichtlich der optischen Achse L' des Beobachtungsstrahlengangs drehsymmetrisch ausgebildet, da im Fall des beispielhaften Ausführungsbeispiels die erste Ortsfilterblende 40 des Lichtquellenmoduls 36 als Lochblende und die zweite Ortsfilterblende 44 als inverse Blende, die den zentralen Bereich um die optische Achse L' herum abdeckt, ausgebildet sind. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass bei einer anderen Geometrie der ersten Ortsfilterblende 40 und der zweiten Ortsfilterblende 44 die Außengeometrie der entsprechenden Gehäuse des Lichtquellenmoduls 36 und des Sensormoduls 38 hinsichtlich der optischen Achse L' asymmetrisch ausgebildet sind, wobei das Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 entsprechend komplementär ausgebildet sein muss. Hierfür können beispielsweise Führungsvorsprünge am Gehäuse 70, 98 und entsprechend komplementäre Führungsnuten entlang einer Einschubrichtung in der Aufnahmevorrichtung 34 ausgebildet sein.In the in 4 . 5A and 6A shown embodiments of the light source module 36 and the sensor module 38 is the outer geometry of the housing 70 of the light source module 36 and the housing 98 of the sensor module 38 with respect to the optical axis L 'of the observation beam path is rotationally symmetrical, as in the case of the exemplary embodiment, the first spatial filter aperture 40 of the light source module 36 as a pinhole and the second spatial filter aperture 44 as inverse aperture covering the central area around the optical axis L 'are formed. However, it is also conceivable that in another geometry of the first spatial filter aperture 40 and the second spatial filter aperture 44 the outer geometry of the corresponding housing of the light source module 36 and the sensor module 38 are formed asymmetrically with respect to the optical axis L ', wherein the housing 66 the cradle 34 must be designed according to complementary. For this example, guide projections on the housing 70 . 98 and corresponding complementary guide grooves along a direction of insertion in the receiving device 34 be educated.

Durch die Erfindung wird also ein Sensorsystem geschaffen, bei dem ein Lichtquellenmodul zunächst eingesetzt wird, um einen bestimmten Beobachtungsbereich in einer Wechselwirkungszone zwischen Laser und Werkstück aufgrund des über die Abbildungsoptik und die Fokussieroptik projizierten Lichts auszuwählen, wobei das Lichtquellenmodul selbst keine beweglichen Teile aufweist, sondern die Justierung über eine zu einer Abbildungsoptik beweglichen Aufnahmevorrichtung erfolgt. Hierbei besteht der Vorteil der Erfindung darin, das nach der Justierung des Lichtquellenmoduls ein Sensormodul, welches ebenfalls keine beweglichen Teile aufweist, in die Aufnahmevorrichtung eingesetzt werden kann und bereits nach dem Einsetzen des Sensormoduls der ausgewählte Beobachtungsbereich ohne eine Nachjustierung festgelegt ist.By The invention thus provides a sensor system is provided in which a Light source module first is used to a specific observation area in one Interaction zone between laser and workpiece due to the over the imaging optics and select the focusing optics of projected light, wherein the light source module itself has no moving parts, but the adjustment over a recording device movable to a recording device takes place. Here, the advantage of the invention is that after the adjustment of the light source module, a sensor module, which also no having movable parts, inserted into the receiving device can be and already after the onset of the sensor module of selected Observation area is set without a readjustment.

Claims

Sensor system ( 12 ) for monitoring a workpiece ( 14 ) to be performed laser processing operation, with - a holding device ( 30 ), in which an imaging optics ( 32 ) is arranged, with an observation direction behind the imaging optics ( 32 ) receiving device ( 34 ), which relative to the imaging optics ( 32 ), - a light source module ( 36 ), which in a predetermined position relative to the receiving device ( 34 ) can be used in this, and which is a light source ( 42 ) with a first spatial filter aperture ( 40 ), wherein the first spatial filter aperture ( 40 ) through the imaging optics ( 32 ) to a region in the region of an interaction zone between the laser beam ( 16 ) and workpiece ( 14 ) is imaged to by adjustment of the receiving device ( 34 ) to select a particular field of observation in the interaction zone, and - a sensor module ( 38 ), which in a predetermined position relative to the receiving device ( 34 ), and which is a radiation-sensitive receiver ( 46 ) with a second spatial filter aperture ( 44 ) to which the selected particular field of observation in the region of the interaction zone between the laser beam ( 16 ) and workpiece ( 14 ) through the imaging optics ( 32 ) after insertion of the sensor module ( 38 ) in the receiving device ( 34 ) is mapped.

Sensor system ( 12 ) according to claim 1, characterized in that the second spatial filter aperture ( 44 ) fixed in the sensor module ( 38 ) is arranged so that the second spatial filter aperture ( 44 ) after insertion of the sensor module ( 38 ) in the receiving device ( 34 ) is arranged in a predetermined position to this.

Sensor system ( 12 ) according to claim 2, characterized in that the first spatial filter aperture ( 40 ) fixed in the light module ( 36 ) is arranged such that a focal plane offset of the imaging optics ( 32 ) due to the difference in wavelength between the emitted light of the light source ( 42 ) and the detected radiation by the radiation-sensitive receiver ( 46 ) by means of a correspondingly different arrangement of the first Ortsfil terblende ( 40 ) and the second spatial filter aperture ( 44 ) in the inserted state of the respective associated module ( 36 . 38 ) is compensated.

Sensor system ( 12 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the first spatial filter aperture ( 40 ) of the light source module ( 36 ) is a pinhole or inverse aperture for covering a central area.

Sensor system ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second spatial filter aperture ( 44 ) of the sensor module ( 38 ) is a pinhole.

Sensor system ( 12 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the second Spatial filter aperture ( 44 ) of the sensor module ( 38 ) is an inverse aperture for covering a central area.

Sensor system ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation-sensitive receiver ( 46 ) is a temperature sensor, in particular a temperature sensor sensitive to infrared radiation.

Sensor system ( 12 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the radiation-sensitive receiver ( 46 ) is a receiver sensitive to plasma radiation.

Sensor system ( 12 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the radiation-sensitive receiver ( 46 ) is a sensitive for the processing laser radiation receiver.

Sensor system ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module ( 38 ) at least one further radiation-sensitive sensor ( 48 . 50 ), which is used to detect radiation from the region of the interaction zone between the laser beam ( 16 ) and workpiece ( 14 ), which lies in a different wavelength range as that through the radiation-sensitive receiver ( 46 ) detected radiation.

Sensor system ( 12 ) according to claim 10, characterized in that the sensor module ( 38 ) at least one beam splitter ( 52 . 54 ) for decoupling the radiation in the observation beam path in the direction of the at least one further associated radiation sensor ( 48 . 50 ) having.

Sensor system ( 12 ) according to claim 10 or 11, characterized in that the at least one additional radiation sensor ( 48 . 50 ) is a temperature sensor, a sensor sensitive to plasma radiation, or a sensor sensitive to processing laser radiation.

Sensor system ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the light source ( 42 ) of the light source module ( 36 ) is a laser light source.

Sensor system ( 12 ) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the light source ( 42 ) of the light source module ( 36 ) is a light emitting diode.

Sensor system ( 12 ) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the light source ( 42 ) of the light source module ( 36 ) is a cold light source with fiber bundles.

Sensor system ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the receiving device ( 34 ) and the imaging optics ( 32 ) are adjustable relative to one another in the direction of the optical axis (L ') in order to achieve an optical distance between the imaging optics ( 32 ) and a corresponding spatial filter aperture ( 40 . 44 ) of the light source module ( 36 ) or the sensor module ( 38 ).

Sensor system ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the receiving device ( 34 ) at least in one direction, but preferably in two mutually linearly independent directions perpendicular to the optical axis (L ') of the imaging optics ( 32 ) is displaceable to select the particular field of view in the interaction zone.

Sensor system ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the receiving device ( 34 ) is configured so that the sensor module ( 38 ) and the light source module ( 36 ) in the receiving device ( 34 ) are latched, wherein the sensor module ( 38 ) and the light source module ( 36 ) in the locked state, a predetermined position relative to the receiving device ( 34 ) exhibit.

Sensor module ( 38 ) with a housing ( 98 ) placed in a receiving device ( 34 ) a holding device ( 30 ) of a sensor system ( 12 ) according to one of the preceding claims, a radiation-sensitive receiver ( 46 ) and a spatial filter aperture ( 44 ), which relative to the housing ( 98 ) and the radiation-sensitive receiver ( 46 ) is fixed.

Laser processing head ( 10 ) with a sensor system ( 12 ) according to one of claims 1 to 18, characterized in that an observation beam path of the sensor system ( 12 ) via a beam splitter mirror ( 26 ) is coupled into the laser processing beam path such that a focusing optics ( 20 ) for a working laser beam ( 16 ) together with the imaging optics ( 32 ) of the sensor system ( 12 ) the selected observation field on the second spatial filter aperture ( 44 ) maps.

Method for selecting a particular field of observation in the region of an interaction zone between a laser beam ( 16 ) and a workpiece ( 14 ) in a laser processing operation, comprising the following steps: - inserting a light source module ( 36 ) in a holding device ( 30 ), which have an imaging optics ( 32 ) and one in the observation direction behind the imaging optics ( 32 ) receiving device ( 34 ), which relative to the imaging optics ( 32 ) is adjustable, wherein the light source module ( 36 ) in a predetermined position relative to the receiving device ( 34 ) is used in this, - selecting a particular field of observation in the interaction zone by adjusting the receiving device ( 34 ), one through a light source ( 42 ) of the light source module ( 36 ) illuminated first spatial filter aperture ( 40 ) in the light source module ( 36 ) through the imaging optics ( 32 ) to an area in the region of the interaction zone between the laser beam ( 16 ) and workpiece ( 14 ), and - inserting a sensor module ( 38 ) in a predetermined position in the receiving device ( 34 ) after removal of the light source module ( 36 ), due to the adjustment made in the selection step of the receiving device ( 34 ) after inserting the sensor module ( 38 ) the selected particular field of observation in the region of the interaction zone between the laser beam ( 16 ) and workpiece ( 14 ) through the imaging optics ( 32 ) to a second spatial filter aperture ( 44 ) in front of a radiation-sensitive receiver ( 46 ) of the sensor module ( 38 ) is displayed.