Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition und -größe bei der Lasermaterialverarbeitung sowie zur Visualisierung von Bearbeitungsoberfläche, Schweißbad, Prozessleuchten und Dampfkapillare in Laserbearbeitungsprozessen.The invention relates to a laser processing head, in particular for controlling and regulating the focal spot position and size in laser material processing, and for visualizing the processing surface, weld pool, process lamps and vapor capillary in laser processing processes.
Bei der Bearbeitung von Materialien mit einem Laserbearbeitungskopf wird Laserstrahlung mittels eines Linsensystems oder mittels eines Spiegelsystems fokussiert. Ein Linsensystem selbst erwärmt sich allerdings während der Materialbearbeitung mittels Laserlicht, wodurch sich auch die optischen Eigenschaften des verwendeten Linsensystems verändern. Dadurch kommt es auch zu einer Veränderung der Fokuslage des Strahlenverlaufs des Laserlichts. Eine Veränderung dieser Fokuslage relativ zur Position der zu bearbeitenden Materialien kann dazu führen, dass das gewünschte Bearbeitungsergebnis nicht erreicht wird.When machining materials with a laser processing head, laser radiation is focused by means of a lens system or by means of a mirror system. However, a lens system itself heats up during material processing by means of laser light, which also changes the optical properties of the lens system used. This also leads to a change in the focal position of the beam path of the laser light. A change in this focus position relative to the position of the materials to be processed can lead to the desired processing result is not achieved.
Aus der WO 2011/009594 A1 ist ein Laserbearbeitungskopf und ein Verfahren zur Kombination der Fokuslagenänderung bei einem Laserbearbeitungskopf bekannt, bei welchem mittels einer Kamera ein Bearbeitungsbereich eines Werkstücks beobachtet wird, wobei der Beobachtungsstrahlengang der Kamera in den Strahlengang des Arbeitslaserstrahls eingekoppelt wird und durch die Fokussierlinse für den Arbeitslaserstrahl erfolgt. Somit wird bei einer Brennpunktverschiebung der Fokussierlinse aufgrund einer Erwärmung durch den Arbeitslaserstrahl die Abbildung des Bearbeitungsbereichs des Werkstücks auf die Kamera durch eine Abbildungsoptik unscharf. Durch Verstellen der Abbildungsoptik und entsprechende Einbeziehung der Wellenlängenunterschiede der Beobachtungswellenlänge und der Wellenlänge des Arbeitslaserstrahls kann ein Korrekturverstellweg errechnet werden, um den Fokus des Arbeitslaserstrahls wieder auf die Werkstückoberfläche oder eine dazu definierte Lage zu bringen. Der Einfluss einer Erwärmung der Kollimatorlinse verbunden mit einer Verschiebung des Brennpunkts der Kollimatorlinse wird mittels eines Temperaturfühlers und einem kognitiv-technischen System kompensiert.From the WO 2011/009594 A1 a laser processing head and a method for combining the focus position change in a laser processing head is known, in which by means of a camera, a processing area of a workpiece is observed, wherein the observation beam path of the camera is coupled into the beam path of the working laser beam and by the focusing lens for the working laser beam. Thus, with a focus shift of the focusing lens due to heating by the working laser beam, the image of the processing area of the workpiece is blurred to the camera by an imaging optics. By adjusting the imaging optics and corresponding inclusion of the wavelength differences of the observation wavelength and the wavelength of the working laser beam, a Korrekturverstellweg can be calculated to bring the focus of the working laser beam back to the workpiece surface or a defined position. The influence of a heating of the collimator lens associated with a shift of the focal point of the collimator lens is compensated by means of a temperature sensor and a cognitive-technical system.
Zur Prozessüberwachung bei Lasermaterialbearbeitungsprozessen werden diverse Überwachungssysteme eingesetzt. Diese basieren zum Teil auf der Detektion von Prozessemissionen, also insbesondere von elektromagnetischer Strahlung aus der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück mittels Photodioden, anderen Photosensoren oder bildgebender Sensorik, insbesondere einer Kamera. Eine Kamera wird zur Echtzeit- oder In-Prozessüberwachung in der Regel in das optische System eines Laserbearbeitungskopfes integriert, z. B. über eine beschichtete halbtransparente Oberfläche.Various monitoring systems are used for process monitoring in laser material processing processes. These are based in part on the detection of process emissions, ie in particular of electromagnetic radiation from the interaction zone between the laser beam and the workpiece by means of photodiodes, other photosensors or imaging sensors, in particular a camera. A camera is integrated for real-time or in-process monitoring usually in the optical system of a laser processing head, z. B. over a coated semi-transparent surface.
Ansätze zur Feststellung der Fokuslagenänderung relativ zum Werkstück mittels Intensitäten einzelner Photodioden wurden bereits in der Wissenschaft diskutiert.Approaches for determining the focus position change relative to the workpiece by means of intensities of individual photodiodes have already been discussed in science.
So ist ein Verfahren bekannt, welches zwei optische Sensoren für unterschiedliche Wellenlängen in die Glasfaser des zugeführten Laserlichtes einbringt. Dabei wird versucht, einen Rückschluss auf die Fokuslagenänderung auf der Basis der relativen Änderung der Intensitäten der beiden optischen Sensoren zueinander zu ziehen, um dann die Fokuslagenänderung auszugleichen. Vgl. F. Haran, D. Hand, C. Peters und J. Jones, „Real-time focus control in laser welding”, Meas. Sci. Technol., Jahr: 1996, Seiten: 1095–1098.Thus, a method is known which introduces two optical sensors for different wavelengths in the glass fiber of the supplied laser light. It is attempted to draw a conclusion on the focus position change based on the relative change in the intensities of the two optical sensors to each other, and then compensate for the focus position change. See F. Haran, D. Hand, C. Peters and J. Jones, "Real-time focus control in laser welding", Meas. Sci. Technol., Year: 1996, pages: 1095-1098.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird mittels einer Photodiode die Intensität einer Wellenlänge während eines Laserschweißprozesses mit Fokuslagenvariation relativ zum Werkstück gemessen. Mit neuronalen Netzen wurde eine Funktion angenähert, die der Ausgabe der Photodiode entspricht und die anschließend zur ausgleichenden Steuerung der Fokuslage verwendet wurde. Vgl. G. Hui, O. Flemming Ove, „Automatic Optimization of Focal Point Position in CO2 Laser Welding with Neural Networks in Focus Control System”, Jahr 1997.In another known method, the intensity of a wavelength is measured by means of a photodiode during a laser welding process with focus position variation relative to the workpiece. With neural networks, a function has been approximated that corresponds to the output of the photodiode, which was then used to compensate for the focus position. See G. Hui, O. Flemming Ove, "Automatic Optimization of Focal Point Position in CO 2 Laser Welding with Neural Networks in Focus Control System", year 1997.
Aus der DE 195 163 76 A1 ist bekannt, dass durch das Aufprägen einer Brennfleckoszillation die Fokus-Optimallage aus der umgerechneten Amplitude- und Phasenbeziehung einer Photodiodenintensität errechnet wird.From the DE 195 163 76 A1 It is known that the imposition of a focal spot oscillation calculates the focus optimum position from the converted amplitude and phase relationship of a photodiode intensity.
Die DE 199 254 13 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißstrahls.The DE 199 254 13 A1 describes a device for determining the focal position of a welding beam.
Die DE 9403822 U1 beschreibt eine Überwachungsvorrichtung für Laserstrahlung bei welcher die gesamte Strahlführungseinrichtung vom Austritt der Laserstrahlung aus dem Laser bis einschließlich der Bearbeitungsoptik auf unerwünschte Strahlungsverluste überwacht wird. Die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Strahlführungseinrichtung mit einem Lichtwellenleiter, eine die Laserstrahlung der Strahlführungseinrichtung auf das Werkstück fokussierende Bearbeitungsoptik, ein Laserlicht aus einem optisch transparenten Bauteil auskoppelnde Messeinrichtung, eine ein Messsignal der Messeinrichtung aufnehmende Auswerteeinheit, einen der Laserausgangsleistung proportional wirkenden Referenzgeber, der die Auswerteeinheit beaufschlagt, und eine an die Auswerteeinheit angeschlossene, die Laserleistung in Abhängigkeit von referenzwertbezogenen Messwerten beeinflussende Steuereinheit. Ein optisch transparentes Bauteil der Bearbeitungsoptik ist zur Erfassung der Streustrahlung an die Messeinrichtung angeschlossen und die Steuereinheit vermag die Laserstrahlung bei einem vorbestimmten Überschreiten oder Unterschreiten des jeweiligen Referenzwerts für die Laserleistung abzuschalten.The DE 9403822 U1 describes a monitoring device for laser radiation in which the entire beam guidance device from the exit of the laser radiation from the laser up to and including the processing optics is monitored for unwanted radiation losses. The monitoring device comprises a beam guiding device with an optical waveguide, one the laser radiation of the beam guiding device focusing on the workpiece processing optics, a laser light from an optically transparent component auskoppelnde measuring device, a measuring signal of the measuring device receiving evaluation, a reference laser output proportional acting reference encoder which acts on the evaluation, and connected to the evaluation, the laser power as a function of reference value related measured values influencing control unit. An optically transparent component of the processing optics is connected to detect the stray radiation to the measuring device and the control unit is able to switch off the laser radiation at a predetermined exceeding or falling below the respective reference value for the laser power.
Die DE 19927803 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kontrolle der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen. Hierbei wird eine Vorrichtung zur Kontrolle der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen zum Einsatz zur Prozessbeobachtung in einem Stell- und/oder Regelkreis vorgeschlagen, die eine positionssensitive Diode, ein System zur optischen Abbildung und optische Filter umfasst. Die positionssensitive Diode ist an eine Verstärker- und/oder datenverarbeitende Einheit angeschlossen. Die Bestimmung der Fokuslage erfolgt durch Detektion des Schwerpunkts der Abbildung der gefilterten optischen Emission der Wechselwirkungszone auf der positionssensitiven Diode.The DE 19927803 A1 describes a device for controlling the focus position during laser beam welding. In this case, a device for controlling the focus position in laser beam welding is proposed for use in process monitoring in a control and / or regulating circuit, which comprises a position-sensitive diode, a system for optical imaging and optical filters. The position sensitive diode is connected to an amplifier and / or data processing unit. The determination of the focus position is carried out by detecting the center of gravity of the image of the filtered optical emission of the interaction zone on the position-sensitive diode.
Die DE 10 2007 036 556 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung der Fokuslage bei Laserstrahlbearbeitungsprozessen. Bei diesem Verfahren erfolgt eine hoch frequente Intensitätsmodulation eines Arbeitslaserstrahls zur Bearbeitung eines Werkstücks, wodurch dem Prozessleuchten aufgrund der Laserstrahlbearbeitung eine Modulation gleicher Frequenz aufgeprägt ist. Mittels zeitaufgelöster Messung der Verhältnisse der Intensität und/oder der Phasenlage zwischen den Signalen des Bearbeitungslaserstrahls und den Signalen des Prozessleuchtens kann die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls anhand des Amplitudenverhältnisses und/oder der Phasenverschiebung oder einer Kombination daraus ermittelt werden.The DE 10 2007 036 556 A1 describes a method for monitoring the focal position in laser beam processing processes. In this method, a high-frequency intensity modulation of a working laser beam for machining a workpiece, whereby the process lights due to the laser beam processing, a modulation of the same frequency is impressed. By means of time-resolved measurement of the ratios of the intensity and / or the phase position between the signals of the processing laser beam and the signals of the process illumination, the focal position of the processing laser beam can be determined on the basis of the amplitude ratio and / or the phase shift or a combination thereof.
Die DE 10 2007 039 878 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fokuslagen-Stabilisierung bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung. Die Vorrichtung umfasst eine Steuerung mit Mitteln zur Erfassung von Daten und eine Optik, bei der mindestens ein Teil des optischen Systems in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und durch einen Stellmotor angetrieben wird. Die Mittel zur Erfassung von Daten beinhalten einen optischen Sensor, der entweder zur Messung der momentanen Intensität des Laserstrahls oder zur Messung der axialen Fokusposition geeignet ist.The DE 10 2007 039 878 A1 describes a device and a method for focus position stabilization in optics for high-power laser radiation. The device comprises a controller with means for acquiring data and optics in which at least a part of the optical system is movably mounted in the axial direction and driven by a servomotor. The means for acquiring data includes an optical sensor which is suitable either for measuring the instantaneous intensity of the laser beam or for measuring the axial focus position.
Die DE 10 2009 007 769 A1 beschreibt einen Laserbearbeitungskopf mit integrierter Sensoreinrichtung zur Fokuslagenüberwachung. Hierbei weist ein Laserbearbeitungskopf eine Fokussierlinse und ein nachgeordnetes Schutzglas auf, um ein Bearbeitungsstrahlenbündel, das als paralleles Strahlenbündel auf die Fokussierlinse auftrifft, in einen resultierenden Brennpunkt der Fokussierlinse mit nachgeordnetem Schutzglas, in dem ein Werkstück angeordnet ist, zu fokussieren. Der Fokussierlinse ist im parallelen Strahlengang ein Strahlteiler vorgeordnet, der für einen ersten Anteil eines in dem Laserbearbeitungskopf eingekoppelten Laserstrahlenbündels, das Bearbeitungsstrahlenbündel, transmittierend und für einen zweiten Anteil, ein Messstrahlenbündel, reflektierend ist. In Reflektionsrichtung ist im Strahlteiler ein Spiegel so nachgeordnet, dass er das Messstrahlenbündel in einem Winkel zur optischen Achse der Fokussierlinse auf diese reflektiert, um es in einem zum Brennpunkt konjugierten Bildpunkt auf der Empfangsfläche eines Sensors abzubilden, der mit einer Auswerteeinheit zur Fokuslagenüberwachung verbunden ist.The DE 10 2009 007 769 A1 describes a laser processing head with integrated sensor device for focus position monitoring. Here, a laser processing head has a focusing lens and a downstream protective glass to focus a processing beam incident on the focusing lens as a parallel beam into a resultant focal point of the focusing lens with a downstream protective glass in which a workpiece is disposed. The focusing lens is preceded in the parallel beam path by a beam splitter which is reflective for a first portion of a laser beam bundle coupled in the laser processing head, the processing beam, transmissive and for a second portion, a measuring beam. In the direction of reflection, a mirror is arranged downstream of the beam splitter in such a way that it reflects the measuring beam at an angle to the optical axis of the focusing lens in order to image it in a focal point conjugate to the receiving surface of a sensor which is connected to an evaluation unit for focus position monitoring.
Aus der JP 011 22 688 A ist eine automatische Fokusanpassungsvorrichtung für Linsen eines Laserbearbeitungskopfes beschrieben, bei welchem die Fokussierlinse mittels eines Infrarotsensors beobachtet wird und die Temperaturmessung in einem seitlichen Bereich und in einem mittleren Bereich der Linse gemessen wird, um somit eine Fokusverschiebung zu berechnen.From the JP 011 22 688 A an automatic focus adjusting device for lenses of a laser processing head is described in which the focusing lens is observed by means of an infrared sensor and the temperature measurement is measured in a lateral region and in a central region of the lens, thus calculating a focus shift.
Die EP 2 042 258 A1 beschreibt ein Laserverarbeitungssystem sowie ein entsprechendes Verfahren. Ein Laserverarbeitungssystem umfasst einen Bearbeitungslaseroszillator, ein optisches Kondensorsystem mit einer Kondensorlinse und zwei Laseroszillatoren. Eine Bewegungsanpassungseinheit passt die Kondensorlinse und die Laseroszillatoren so an, dass sie im Gleichschritt vorwärts und rückwärts miteinander laufen. Eine Bildgebungseinheit bildet Lichtpunkte des Lasers auf dem Werkstück ab, wobei eine Bildverarbeitungseinheit ein aufgenommenes Video einer Bildverarbeitung unterzieht und ein Bild nach der Verarbeitung darstellt. Eine Berechnungseinheit berechnet in einem Zustand, in welchem die Laser auf eine Fokusposition des Bearbeitungslasers fokussiert sind, die Schwerpunktspositionen der Lichtpunkte der entsprechenden Laser, welche auf der Oberfläche des Werkstücks durch entsprechende Bewegung der Kondensorlinse entstehen. Weiter berechnet die Einheit einen Abstand zwischen den Schwerpunkten. Eine Steuereinheit steuert die Bewegungsanpassungseinheit in solch einer Weise, dass der Abstand zwischen den Schwerpunkten auf null oder nahezu null angepasst wird.The EP 2 042 258 A1 describes a laser processing system and a corresponding method. A laser processing system includes a processing laser oscillator, a condensing condenser optical system, and two laser oscillators. A motion adjustment unit adjusts the condenser lens and the laser oscillators to move forwards and backwards in lockstep. An imaging unit images light spots of the laser on the workpiece, and an image processing unit subjects a captured video to image processing and displays an image after processing. A computing unit calculates, in a state in which the lasers are focused on a focus position of the processing laser, the center of gravity positions of the light spots of the respective lasers that are formed on the surface of the workpiece by corresponding movement of the condenser lens. Further, the unit calculates a distance between the centers of gravity. A control unit controls the Motion adaptation unit in such a way that the distance between the centroids is adjusted to zero or almost zero.
Die EP 1 716 963 A1 beschreibt eine optische Anordnung für eine Remote-Laser-Materialbearbeitung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Arbeitsraumes. Hierzu ist eine Vorrichtung zur Remote-Laser-Materialbearbeitung vorgesehen, bestehend aus einem Kollimator mit einer ersten Brennweite, welcher den aus einer Lichtleitfaser austretenden Laserstrahl kollimiert. Weiter umfasst die Vorrichtung ein Ablenksystem mit mindestens einem drehbar gelagerten Spiegel sowie einem Antrieb für die Winkelverstellung des Spiegels. Schließlich ist eine Fokussieroptik mit einer zweiten Brennweite vorgesehen, welches den kollimierten und vom Spiegelsystem abgelenkten Laserstrahl fokussiert.The EP 1 716 963 A1 describes an optical arrangement for a remote laser material processing for generating a three-dimensional workspace. For this purpose, a device for remote laser material processing is provided, consisting of a collimator with a first focal length, which collimates the laser beam emerging from an optical fiber. Furthermore, the device comprises a deflection system with at least one rotatably mounted mirror and a drive for the angular adjustment of the mirror. Finally, a focusing lens with a second focal length is provided, which focuses the collimated and deflected by the mirror system laser beam.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserbearbeitungskopf zu schaffen, durch welchen eine definierte Fokuslage relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück während eines Bearbeitungsprozesses in effektiver Weise und mit geringem apparativen Aufwand aufrecht erhalten werden kann.The invention has for its object to provide a laser processing head through which a defined focus position can be maintained relative to a workpiece to be machined during a machining process in an effective manner and with little equipment.
Diese Aufgabe wird durch den Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.This object is achieved by the laser processing head according to claim 1. Advantageous embodiments and modifications of the invention are set forth in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls vorgesehen, mit einer Strahlformungsoptik zur Formung oder zur Kollimierung eines aus einem Faserende einer Lichtleitfaser austretenden Arbeitslaserstrahls, wobei das Faserende innerhalb eines Strahlformungsoptikabbildungsbereichs liegt, einer Fokussieroptik zur Fokussierung des Arbeitslaserstrahls auf die Werkstückoberfläche oder auf eine relativ zur Werkstückoberfläche definierte Lage, und einer Kamera mit einer davor im Strahlengang angeordneten verstellbaren Abbildungsoptik, wobei eine Abbildung eines Bearbeitungsbereichs des Werkstücks auf einen ersten Sensorbereich der Kamera durch einen ersten Beobachtungsstrahlengang über die Fokussieroptik und die Abbildungsoptik, und eine Abbildung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs auf einen zweiten Sensorbereich der Kamera durch einen zweiten Beobachtungsstrahlengang über die Strahlformungsoptik und die Abbildungsoptik erfolgt.According to the invention, a laser processing head is provided for processing a workpiece by means of a laser beam, with a beam shaping optical system for shaping or collimating a working laser beam emerging from a fiber end of an optical fiber, wherein the fiber end lies within a beam shaping optical imaging area, a focusing optics for focusing the working laser beam on the workpiece surface or on a An image of a processing region of the workpiece on a first sensor area of the camera through a first observation beam via the focusing optics and the imaging optics, and an image of the beam forming optics imaging area on a second Sensor range of the camera through a second observation beam via the beam shaping optics and the imaging optics he follows.
Es ist also ein Laserbearbeitungskopf vorgesehen, bei welchem auf eine Sensorfläche einer Kamera in einem Laserbearbeitungskopf sowohl die Bearbeitungsoberfläche eines Werkstücks als auch der Faserendbereich einer Lichtleitfaser abgebildet werden, wobei die Abbildungen der Werkstückoberfläche und des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs, in welchem das Faserende liegt, in unterschiedliche Sensorbereiche an unterschiedlichen Sensorbereichsorten oder durch zeitliche Variation der Beleuchtung zeitlich trennbar sind. Die zusätzliche Beobachtung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs durch die Prozessbeobachtungskamera hat den Vorteil, dass beispielsweise eine Brennpunktverschiebung der Strahlformungsoptik aufgrund einer unscharfen Abbildung auf die Sensorfläche detektiert werden kann.Thus, a laser processing head is provided, in which on a sensor surface of a camera in a laser processing head, both the processing surface of a workpiece and the fiber end of an optical fiber are imaged, wherein the images of the workpiece surface and the Strahlformungsoptikabbildungsbereichs, in which the fiber end is located in different sensor areas different sensor range locations or by temporal variation of the illumination are temporally separable. The additional observation of the beam-shaping optical imaging region by the process observation camera has the advantage that, for example, a focal point shift of the beam-shaping optical system can be detected due to a blurred image on the sensor surface.
Um eine Brennpunktverschiebung der Strahlformungsoptik im Wellenlängenbereich des Arbeitslaserstrahls berechnen zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf eine Auswerteeinheit aufweist, die diese Brennpunktverschiebung mittels eines Verstellweges der Abbildungsoptik in Richtung der optischen Achse, der dazu nötig ist, bei einer Verschiebung des Brennpunkts der Strahlformungsoptik das Kamerabild des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs wieder scharf einzustellen, zu berechnen.In order to be able to calculate a focal shift of the beam shaping optics in the wavelength range of the working laser beam, it is particularly advantageous if the laser processing head according to the invention has an evaluation unit which determines this focal shift by means of an adjustment path of the imaging optics in the direction of the optical axis, which is necessary for a displacement of the focal point sharpen the beamforming optics to recalculate the camera image of the beamforming optics imaging area.
Erfindungsgemäß kann die Auswerteinheit ferner dazu ausgebildet sein, mittels eines Verstellwegs der Abbildungsoptik in Richtung der optischen Achse, der dazu nötig ist, bei der Verschiebung des Brennpunkts der Fokussieroptik das Kamerabild des Bearbeitungsbereichs des Werkstücks wieder scharf einzustellen, eine Brennpunktverschiebung der Fokussieroptik im Wellenlängenbereich des Laserbearbeitungsstrahls zu berechnen. Somit kann durch die Auswerteeinheit des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes sowohl eine durch Erwärmung von Linsen des optischen Systems erzeugte Brennpunktverschiebung der Strahlformungsoptik als auch eine Brennpunktverschiebung der Fokussieroptik erfasst werden, wodurch eine Brennpunktverschiebung des Fokus des Laserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche vollständig bestimmt werden kann.According to the invention, the evaluation unit may further be configured to again sharply adjust the camera image of the processing region of the workpiece by means of an adjustment path of the imaging optics in the direction of the optical axis necessary for refocusing the focal point of the focusing optics, a focus shift of the focusing optics in the wavelength range of the laser processing beam to calculate. Thus, by the evaluation unit of the laser processing head according to the invention both generated by heating lenses of the optical system focus shift of the beam shaping optics and a focus shift of the focusing optics can be detected, whereby a focus shift of the focus of the laser beam relative to the workpiece surface can be completely determined.
Für eine optimale Ausrichtung des von der Kamera erzeugten Kamerabildes mit dem auf das Werkstück treffenden Laserstrahl ist es besonders zweckmäßig, wenn ferner ein erster Strahlteiler oder ein Strahlumlenker im Strahlengang des Arbeitslaserstrahls zwischen Strahlformungsoptik und Fokussieroptik angeordnet ist, um den ersten Beobachtungsstrahlengang der Kamera in den Strahlengang des Arbeitslaserstrahls einzukoppeln.For optimum alignment of the camera image generated by the camera with the laser beam striking the workpiece, it is particularly expedient if, furthermore, a first beam splitter or a beam deflector is arranged in the beam path of the working laser beam between beam shaping optics and focusing optics in order to move the first observation beam path of the camera into the beam path of the working laser beam.
Um in besonders einfacher und effektiver Weise den Strahlformungsoptikabbildungsbereich in den zweiten Sensorbereich der Kamera einzublenden, ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Reflexionsvorrichtung so relativ zum ersten Strahlteiler angeordnet ist, dass der zweite Beobachtungsstrahlengang von der Abbildungsoptik durch den ersten Strahlteiler hindurch läuft und nach Reflexion an der Reflexionsvorrichtung und dem ersten Strahlteiler zu der Strahlformungsoptik gelenkt wird. In order to superimpose the beam-shaping optical imaging region into the second sensor region of the camera in a particularly simple and effective manner, it is particularly advantageous if a reflection device is arranged relative to the first beam splitter such that the second observation beam path passes from the imaging optics through the first beam splitter and after reflection the reflection device and the first beam splitter is directed to the beam shaping optics.
Für eine Korrektur des Fokus des Arbeitslaserstrahls relativ zur Bearbeitungsfläche des Werkstücks ist es besonders zweckmäßig, wenn der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf ferner ein Aktuatorsystem aufweist, welches dazu ausgebildet ist, die Position des Laserbearbeitungskopfes relativ zu einer Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks oder bewegliche Teile des optischen Systems so anzupassen, dass die berechnete Brennpunktverschiebung der Fokussieroptik und/oder der Strahlformungsoptik kompensiert wird, um den Arbeitslaserstrahl wieder auf die Werkstückoberfläche oder auf eine relativ zur Werkstückoberfläche definierte Lage zu fokussieren.For a correction of the focus of the working laser beam relative to the working surface of the workpiece, it is particularly useful if the laser processing head according to the invention further comprises an actuator system which is adapted to adjust the position of the laser processing head relative to a processing surface of the workpiece or moving parts of the optical system the calculated focus shift of the focusing optics and / or the beam shaping optics is compensated for in order to focus the working laser beam again on the workpiece surface or on a position defined relative to the workpiece surface.
Die erfindungsgemäße Reflexionsvorrichtung kann hierbei eine semitransparente Planplatte sein, wobei es besonders zweckmäßig ist, wenn in Strahleinfallsrichtung hinter der semitransparenten Planplatte ein Lichtabsorptionselement angeordnet ist, um im Falle der Abbildung des aus dem Faserende austretenden Arbeitslaserstrahls auf den zweiten Sensorbereich einen Großteil der Laserenergie des Arbeitslaserstrahls zu absorbieren.The reflection device according to the invention may in this case be a semitransparent plane plate, it being particularly expedient if a light absorption element is arranged in the direction behind the semitransparent plane plate in order to image a larger part of the laser energy of the working laser beam in the case of imaging the working laser beam emerging from the fiber end onto the second sensor region absorb.
Um zu ermöglichen, dass ein zu beobachtendes Objekt innerhalb der Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks, wie beispielsweise ein Schnittbereich oder ein Schmelzbadbereich räumlich getrennt von einem zu beobachtenden Objekt innerhalb des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs abgebildet werden kann, ist es besonders von Vorteil, wenn die Reflexionsvorrichtung so gekippt zur Abbildungsoptik der Kamera vorgesehen ist, dass die Abbildungen auf den ersten und den zweiten Sensorbereich der Kamera in unterschiedliche Sensorbereiche der Kamera erfolgen und diese somit trennbar sind.In order to enable an object to be observed to be imaged within the processing surface of the workpiece, such as a cut area or a molten pool area, spatially separate from an object to be observed within the beam forming optics imaging area, it is particularly advantageous for the reflection apparatus to be tilted to the imaging optics of FIG Camera is provided that the images take place on the first and the second sensor area of the camera in different sensor areas of the camera and they are thus separable.
Im Falle einer zusätzlichen Beleuchtung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs ist es jedoch auch vorstellbar und besonders vorteilhaft, wenn die Reflexionsvorrichtung so gekippt zur Abbildungsoptik der Kamera vorgesehen ist, dass die Abbildungen auf den ersten und den zweiten Sensorbereich der Kamera in unterschiedliche Sensorbereiche der Kamera erfolgen und diese somit trennbar sind.However, in the case of an additional illumination of the beam-shaping optical imaging region, it is also conceivable and particularly advantageous if the reflection device is provided tilted to the imaging optics of the camera, that the images on the first and the second sensor area of the camera in different sensor areas of the camera done and this thus separable are.
Zur Beleuchtung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs ist es zweckmäßig, wenn der Laserbearbeitungskopf ferner mit einer ersten Beleuchtungsvorrichtung ausgestattet ist, deren Licht koaxial in den ersten Beobachtungsstrahlengang über einen zweiten Strahlteiler zwischen Abbildungsoptik und erstem Strahlteiler eingekoppelt ist, um gleichzeitig den Bearbeitungsbereich des Werkstücks sowie den Strahlformungsoptikabbildungsbereich zu beleuchten.For illuminating the beam-shaping optical imaging region, it is expedient if the laser processing head is also equipped with a first illumination device whose light is coaxially coupled into the first observation beam path via a second beam splitter between the imaging optics and the first beam splitter, in order to simultaneously illuminate the processing region of the workpiece and the beam-forming optical imaging region.
Es ist jedoch auch vorstellbar, den Laserbearbeitungskopf mit einer zweiten Beleuchtungsvorrichtung zur gleichmäßigen Beleuchtung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs auszustatten.However, it is also conceivable to equip the laser processing head with a second illumination device for uniform illumination of the beam shaping optical imaging region.
Statt einer Beleuchtungsvorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs kann jedoch auch zweckmäßigerweise im Strahlformungsoptikabbildungsbereich neben dem Faserende eine Leuchtvorrichtung zur Abbildung des emittierten Lichts der Leuchtvorrichtung auf den zweiten Sensorbereich der Kamera angeordnet sein.Instead of a lighting device for uniform illumination of the beam shaping optical imaging region, however, a light-emitting device for imaging the emitted light of the light-emitting device on the second sensor region of the camera can also be expediently arranged in the beam-shaping optical imaging region next to the fiber end.
Zur Eliminierung von Störstrahlung, wie sie beispielsweise bei einem Betrieb des Laserbearbeitungskopfes auftritt, ist es zweckmäßig, wenn der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf einen optischen Bandpassfilter aufweist, welcher im Beobachtungsstrahlengang vor der Kamera angeordnet ist, wobei die Durchlasswellenlänge des optischen Bandpassfilters auf die Emissionswellenlänge der ersten und/oder zweiten Beleuchtungsvorrichtung und/oder der Leuchtvorrichtung abgestimmt ist.In order to eliminate interfering radiation, as occurs, for example, during operation of the laser processing head, it is expedient if the laser processing head according to the invention has an optical bandpass filter which is arranged in front of the camera in the observation beam path, the transmission wavelength of the optical bandpass filter being limited to the emission wavelength of the first and / or or second lighting device and / or the lighting device is tuned.
Für eine einfache Trennung der Abbildungen des Werkstückbereichs und des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs, beispielsweise mittels eines Lock-In-Verfahrens, ist es besonders vorteilhaft, wenn die zweite Beleuchtungsvorrichtung oder die Leuchtvorrichtung in ihrer Intensität relativ zur Beleuchtungsstärke des Werkstücks zeitlich variiert wird, um die Abbildungen des ersten und des zweiten Strahlengangs auf die Kamera zu trennen.For a simple separation of the images of the workpiece area and the beam shaping optical imaging area, for example by means of a lock-in method, it is particularly advantageous if the second lighting device or the lighting device is varied in its intensity relative to the illuminance of the workpiece to the images of the first and the second beam path to the camera to separate.
Erfindungsgemäß ist der Laserbearbeitungskopf besonders geeignet, zum Laserschweißen oder Laserschneiden eingesetzt zu werden.According to the invention, the laser processing head is particularly suitable to be used for laser welding or laser cutting.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, 1 a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to an embodiment of the invention,
2 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes, welcher zum Laserschneiden eingesetzt wird, 2 a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to the invention, which is used for laser cutting,
3 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher beispielsweise zum Laserschweißen eingesetzt wird, 3 a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to an embodiment of the invention, which is used for example for laser welding,
4 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher beispielsweise zum Laserschweißen eingesetzt wird, 4 a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to another embodiment of the invention, which is used for example for laser welding,
5 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher beispielsweise zum Laserschweißen eingesetzt wird, und 5 a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to yet another embodiment of the invention, which is used for example for laser welding, and
6 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes mit einer externen Beleuchtungsvorrichtung. 6 a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to the invention with an external illumination device.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the various figures of the drawings, corresponding components are provided with the same reference numerals.
In 1 ist eine stark vereinfachte Ansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung oder eines Laserbearbeitungskopfes 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wie er mit Laserbearbeitungsmaschinen oder -anlagen verwendet wird. Für die Bearbeitung eines Werkstücks 12 wird ein von der Laserbearbeitungsmaschine kommender Arbeitslaserstrahl 14 durch ein Gehäuse 16 des Laserbearbeitungskopfes 10 hindurch auf das Werkstück 12 gelenkt und mittels einer Fokussieroptik 18 auf die Werkstückoberfläche 20 oder auf eine relativ zur Werkstückoberfläche 20 definierte Lage fokussiert, um das Werkstück 12 innerhalb eines Bearbeitungsbereichs 22 des Werkstücks 12 zu bearbeiten. Die Bearbeitung des Werkstücks 12 durch den Laserstrahl 14 kann hierbei ein Laserschneidverfahren wie beispielsweise Schutzgas-Schneiden oder Brennschneiden sein, der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf ist jedoch auch einsetzbar für ein Laserschweißverfahren oder ein Laserlötverfahren.In 1 is a highly simplified view of a laser processing apparatus or a laser processing head 10 according to an embodiment of the invention as it is used with laser processing machines or equipment. For machining a workpiece 12 becomes a working laser beam coming from the laser processing machine 14 through a housing 16 of the laser processing head 10 through to the workpiece 12 steered and by means of a focusing optics 18 on the workpiece surface 20 or on a relative to the workpiece surface 20 defined position focused to the workpiece 12 within an editing area 22 of the workpiece 12 to edit. The machining of the workpiece 12 through the laser beam 14 This may be a laser cutting process such as inert gas cutting or flame cutting, but the laser processing head according to the invention is also suitable for a laser welding process or a laser brazing process.
Der Arbeitslaserstrahl 14 wird dem Laserbearbeitungskopf 10 durch eine Lichtleitfaser 24 zugeführt, wobei das Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 in einer Faserhalterung 28 gehalten ist. Der bei dem Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 innerhalb eines Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 aus der Lichtleitfaser 24 austretende Laserstrahl 14 wird mittels einer Strahlformungsoptik 32 geformt, durchläuft einen ersten Strahlteiler 34 und trifft dann auf die Fokussieroptik 18, um auf das Werkstück 12 fokussiert zu werden. Für die reale Umsetzung der Fokussieroptik 18 und der Strahlformungsoptik 32 werden jeweils optische Linsen oder ein Satz von optischen Linsen eingesetzt.The working laser beam 14 becomes the laser processing head 10 through an optical fiber 24 fed, the fiber end 26 the optical fiber 24 in a fiber holder 28 is held. The at the fiber end 26 the optical fiber 24 within a beamforming optics imaging area 30 from the optical fiber 24 emerging laser beam 14 is by means of a beam shaping optics 32 shaped, passes through a first beam splitter 34 and then hits the focusing optics 18 to work on the workpiece 12 to be focused. For the real implementation of the focusing optics 18 and the beam shaping optics 32 For example, optical lenses or a set of optical lenses are used.
Die Strahlformungsoptik 32 soll allgemein als Optik verstanden werden, die dazu geeignet ist, den aus dem Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 austretenden Arbeitslaserstrahl 14 zu formen, der Arbeitslaserstrahl 14 kann also nach Durchlaufen der Strahlformungsoptik 32 divergent oder konvergent weiterlaufen und so auch auf die letzte Optik des Laserbearbeitungskopfes 10, also die Fokussieroptik 18 treffen. Für die Verwirklichung des Auskoppelns aus der Lichtleitfaser 24 des Arbeitslaserstrahls 14 und der Fokussierung des Arbeitslaserstrahls 14 auf das Werkstück 12 kann also beispielsweise eine Retrofokus-Optik oder eine Telephoto-Optik eingesetzt werden. Erfindungsgemäß bevorzugt ist jedoch ein Einsatz der Strahlformungsoptik 32 als Kollimatoroptik 32, durch welche der aus dem Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 austretende Arbeitslaserstrahl 14 kollimiert wird, um als paralleles Strahlenbündel zu der in Strahlrichtung dahinter liegenden Fokussieroptik 18 geleitet zu werden, da hier durch Verschieben der Fokussieroptik 18 oder Fokussierlinse die Fokuslage des Arbeitslaserstrahls 14 relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstück 12 geändert werden kann, ohne zu sehr die Bildqualität des ausgekoppelten Arbeitslaserstrahls 14 zu verschlechtern und ohne den Strahldurchmesser auf der Fokussieroptik 18 zu verkleinern.The beam shaping optics 32 should generally be understood as optics, which is suitable to that from the fiber end 26 the optical fiber 24 exiting working laser beam 14 to shape, the working laser beam 14 So after passing through the beam shaping optics 32 continue divergent or convergent and so on the last optics of the laser processing head 10 , so the focusing optics 18 to meet. For the realization of decoupling from the optical fiber 24 the working laser beam 14 and focusing the working laser beam 14 on the workpiece 12 Thus, for example, a retrofocus optic or a telephoto optic can be used. In accordance with the invention, however, preference is given to using the beam-shaping optical system 32 as collimator optics 32 through which the out of the fiber end 26 the optical fiber 24 exiting working laser beam 14 is collimated to a parallel beam to the downstream in the beam direction focusing optics 18 to be guided, since here by moving the focusing optics 18 or focusing lens the focus position of the working laser beam 14 relative to the workpiece to be machined 12 can be changed without too much image quality of the decoupled working laser beam 14 to deteriorate and without the beam diameter on the focusing optics 18 to downsize.
Darüber hinaus vereinfacht, wie im Folgenden noch genauer beschrieben werden wird, der Einsatz einer Kollimatoroptik 32 das Verfahren zur Bestimmung der Fokuslagenverschiebungen der Fokussierlinse 18 und der Kollimatoroptik 32, da die entsprechenden Fokuslagenverschiebungen der Fokussieroptik 18 und der Kollimatoroptik 32 unabhängig voneinander bestimmt und kompensiert werden können. Die Fokussieroptik 18 und die Kollimatoroptik 32 können darüber hinaus aus mehreren Linsen zusammengesetzt sein und ebenfalls als Retrofokus-Optik oder Telephoto-Optik aufgebaut sein. Der im Folgenden verwendete Begriff Strahlformungsoptik 32 soll also bevorzugterweise als Kollimatoroptik 32 zur Kollimierung des Arbeitslaserstrahls 14 aufgefasst werden. Der im Folgenden verwendete allgemeine Begriff des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 soll dabei bevorzugterweise als Kollimatoroptikabbildungsbereich 30 aufgefasst werden.In addition, as will be described in more detail below, simplifies the use of a collimator optics 32 the method for determining the focal position displacements of the focusing lens 18 and the collimator optics 32 because the corresponding focus position shifts of the focusing optics 18 and the collimator optics 32 independently determined and compensated. The focusing optics 18 and the collimator optics 32 can also be composed of several lenses and also constructed as retrofocus optics or telephoto optics. The term beamforming optics used below 32 should therefore preferably as Kollimatoroptik 32 for collimation of the working laser beam 14 be understood. The general term used hereinafter of the beam-forming optical imaging area 30 should preferably be used as Kollimatoroptikabbildungsbereich 30 be understood.
Der erste Strahlteiler 34 ist so im Strahlengang 15 des Arbeitslaserstrahls 14 zwischen Strahlformungsoptik 32 und Fokussieroptik 18 angeordnet, dass ein erster Beobachtungsstrahlengang 36 einer Kamera 38 mit einer davor im Strahlengang angeordneten Abbildungsoptik 40 in den Strahlengang 15 des Arbeitslaserstrahls 14 eingekoppelt wird. Somit erfolgt eine Abbildung des Bearbeitungsbereichs 22 des Werkstücks 12 auf einen ersten Sensorbereich 42 der Kamera 38 durch den ersten Beobachtungsstrahlengang 36 über die Abbildungsoptik 40 und die Fokussieroptik 18, wobei der erste Beobachtungsstrahlengang 36 durch den ersten Strahlteiler 34 von der Abbildungsoptik 40 kommend auf die Fokussieroptik 18 umgelenkt wird. Die Werkstückoberfläche 20 des Werkstücks 12 kann mittels einer Beleuchtungsvorrichtung (in 1 nicht dargestellt) mit Licht der Wellenlänge λK im Unterschied zur Wellenlänge λL des Arbeitslaserstrahls 14 beleuchtet werden. Die Beleuchtungsvorrichtung kann an einer Außenseite des Laserbearbeitungskopfes 10 angebracht sein, es ist jedoch auch möglich, das von der Beleuchtungsvorrichtung kommende Licht koaxial in den Strahlengang 15 des Arbeitslaserstrahls 14 einzukoppeln, wie in den weiteren Ausführungsbeispielen noch genauer erläutert werden wird.The first beam splitter 34 is so in the beam path 15 the working laser beam 14 between beam shaping optics 32 and focusing optics 18 arranged that a first observation beam path 36 a camera 38 with a previously arranged in the beam path imaging optics 40 in the beam path 15 the working laser beam 14 is coupled. Thus, an illustration of the processing area takes place 22 of the workpiece 12 to a first sensor area 42 the camera 38 through the first observation beam path 36 about the imaging optics 40 and the focusing optics 18 , wherein the first observation beam path 36 through the first beam splitter 34 from the imaging optics 40 coming to the focusing optics 18 is diverted. The workpiece surface 20 of the workpiece 12 can by means of a lighting device (in 1 not shown) with light of wavelength λ K in contrast to the wavelength λ L of the working laser beam 14 be illuminated. The lighting device may be on an outer side of the laser processing head 10 However, it is also possible, the light coming from the lighting device coaxially into the beam path 15 the working laser beam 14 to couple, as will be explained in more detail in the other embodiments.
Erfindungsgemäß erfolgt neben der Abbildung des Bearbeitungsbereichs 22 des Werkstücks 12 auf einen ersten Sensorbereich 42 der Kamera 38 durch einen ersten Beobachtungsstrahlengang 36 eine weitere Abbildung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 auf einen zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 durch einen zweiten Beobachtungsstrahlengang 46 über die Abbildungsoptik 40 und die Strahlformungsoptik 32. In einer sehr kompakten Ausführungsform der Erfindung ist hierfür eine Reflexionsvorrichtung 48 so relativ zum ersten Strahlteiler 34 angeordnet, dass der zweite Beobachtungsstrahlengang 46 von der Abbildungsoptik 40 zunächst durch den ersten Strahlteiler 34 hindurch läuft, dann von der Reflektionsvorrichtung 48 in Richtung des ersten Strahlteilers 34 zurück reflektiert wird, um dann von dem ersten Strahlteiler 34 in Richtung der Strahlformungsoptik 32 umgelenkt zu werden. Somit erfolgt also eine Abbildung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 auf die zweite Sensorfläche 44 der Kamera 38 durch eine Kollimierung der Kollimatorlinse 32 oder durch Formung durch die Strahlformungsoptik 32, eine Reflexion an dem ersten Strahlteiler 34, eine Reflexion an der Reflexionsvorrichtung 48 und eine Fokussierung durch die Abbildungsoptik 40. Obwohl es auch vorstellbar wäre, den an dem ersten Strahlteiler 34 reflektierten Arbeitslaserstrahl 14 auf eine zusätzliche Kamera mit eigener Abbildungsoptik abgeschwächt abzubilden, ist diese Lösung sehr aufwendig, platzraubend und teuer.According to the invention, in addition to the illustration of the processing area 22 of the workpiece 12 to a first sensor area 42 the camera 38 through a first observation beam path 36 another illustration of the beam shaping optics imaging area 30 to a second sensor area 44 the camera 38 through a second observation beam path 46 about the imaging optics 40 and the beam shaping optics 32 , In a very compact embodiment of the invention, this is a reflection device 48 so relative to the first beam splitter 34 arranged that the second observation beam path 46 from the imaging optics 40 first through the first beam splitter 34 passes through, then from the reflection device 48 in the direction of the first beam splitter 34 is reflected back to then from the first beam splitter 34 in the direction of the beam shaping optics 32 to be diverted. Thus, therefore, an image of the beam-forming optical imaging region is taken 30 on the second sensor surface 44 the camera 38 by collimating the collimator lens 32 or by shaping by the beam shaping optics 32 , a reflection on the first beam splitter 34 , a reflection on the reflection device 48 and a focus through the imaging optics 40 , Although it would be conceivable, the at the first beam splitter 34 reflected working laser beam 14 Mapped to an additional camera with its own imaging optics weakened, this solution is very expensive, space consuming and expensive.
In einer realen Umsetzung kann die Abbildungsoptik 40 hierbei nur eine Linse sein, es ist jedoch auch möglich, einen optischen Linsensatz zu verwenden. Ein Spiegelsystem ist auch möglich, z. B. ein Off-Axis-Paraboloid. Dabei entstehen zwar Abbildungsfehler, diese könnten jedoch per Software in der Bildverarbeitung kompensiert werden. Für den Fall, dass der aus dem Faserende 26 aus der Lichtleitfaser 24 austretende Arbeitslaserstrahl 14 auf den zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 abgebildet werden soll, ist es besonders zweckmäßig, wenn die Reflexionsvorrichtung 48 eine semitransparente Planplatte 50 und ein in Strahleinfallsrichtung hinter der semitransparenten Planplatte 50 angeordnetes Lichtabsorptionselement 52 aufweist wobei die semitransparente Planplatte 50 einen Großteil der Laserleistung des Arbeitslaserstrahls 14 transmittiert, der von dem Lichtabsorptionselement 52 aufgenommen wird. Hierfür ist das Lichtabsorptionselement 52 idealerweise als Strahlfalle ausgebildet, die im Wesentlichen kein Licht reflektiert oder emittiert. Das Lichtabsorptionselement 52 wird zur Abführung der in Wärme gewandelten Lichtleistung entsprechend gekühlt. Der Transmissionsgrad der semitransparenten Planplatte 50 ist dabei so auf den Transmissionsgrad des ersten Strahlteilers 34 abgestimmt, dass das Produkt der Transmissivität des ersten Strahlteilers 34 und der semitransparenten Planplatte 50 den Arbeitslaserstrahl 14 so abschwächt, dass der Sensorbereich der Kamera 38 nicht zerstört wird und gleichzeitig eine genügend hohe Lichtleistung auf die Sensorfläche der Kamera 38 auftrifft, um den aus der Lichtleitfaser 24 innerhalb des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 austretenden Arbeitslaserstrahl 14 abbilden zu können.In a real implementation, the imaging optics 40 however, it is also possible to use an optical lens set. A mirror system is also possible, for. An off-axis paraboloid. Although this creates aberrations, but these could be compensated by software in image processing. In the event that the out of the fiber end 26 from the optical fiber 24 exiting working laser beam 14 on the second sensor area 44 the camera 38 is to be imaged, it is particularly useful if the reflection device 48 a semitransparent plane plate 50 and a beam incident direction behind the semi-transparent plane plate 50 arranged light absorption element 52 having the semitransparent plane plate 50 a large part of the laser power of the working laser beam 14 transmitted from the light absorption element 52 is recorded. This is the light absorption element 52 ideally formed as a beam trap, which reflects or emits substantially no light. The light absorption element 52 is cooled to dissipate the heat-converted light output accordingly. The transmittance of the semitransparent plane plate 50 is thus on the transmittance of the first beam splitter 34 Tuned that the product of the transmissivity of the first beam splitter 34 and the semitransparent plane plate 50 the working laser beam 14 so weakens that the sensor area of the camera 38 is not destroyed and at the same time a sufficiently high light output on the sensor surface of the camera 38 impinges on the out of the optical fiber 24 within the beamforming optics imaging area 30 exiting working laser beam 14 to be able to depict.
Die Transmissivität des ersten Strahlteilers 34 liegt hierbei für den Arbeitslaserstrahl 14 zwischen 95 Prozent und 99,99 Prozent, vorzugsweise zwischen 99 Prozent und 99,5 Prozent und insbesondere bei 99 Prozent. Die Transmissivität der planparallelen Platte 50 liegt zwischen 95 Prozent und 99,99 Prozent, vorzugsweise zwischen 98 Prozent und 99,5 Prozent und insbesondere bei 99 Prozent. Die semitransparente Planplatte 50 kann hinsichtlich der optischen Achse des zweiten Beobachtungsstrahlengangs 46 und zu der Sensorfläche des ersten und zweiten Sensorbereichs 42, 44 geneigt oder gekippt sein, so dass die Abbildung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30, insbesondere die Abbildung des aus dem Faserende 26 austretenden Arbeitslaserstrahls 14, auf den zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 und die Abbildung des Bearbeitungsbereichs 22 der Werkstückoberfläche 20 des Werkstücks 12, insbesondere ein Laserschnittbereich oder ein Schmelzbad eines Schweißbereichs, in getrennte Bereiche mit unterschiedlicher Position innerhalb der Sensorfläche der Kamera 38 erfolgt. So wird beispielsweise der Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30 in den als Randbereich ausgestalteten zweiten Sensorbereich 44 gelenkt, um die Beobachtung des Bearbeitungsbereichs 22 des Werkstücks 12 im ersten Sensorbereich 42 nicht zu stören. Somit sind die Abbildungen des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 und des Bearbeitungsbereichs 22 leicht voneinander zu trennen, wodurch die weitere Bildverarbeitung der Abbildungen auf den Sensorbereichen 42, 44 erleichtert wird.The transmissivity of the first beam splitter 34 lies here for the working laser beam 14 between 95 percent and 99.99 percent, preferably between 99 percent and 99.5 percent, and most preferably 99 percent. Transmissivity of plane-parallel plate 50 is between 95 percent and 99.99 percent, preferably between 98 percent and 99.5 percent and in particular 99 percent. The semitransparent plane plate 50 can with respect to the optical axis of the second observation beam path 46 and to the Sensor surface of the first and second sensor area 42 . 44 be tilted or tilted so that the image of the beam-forming optical imaging area 30 , in particular the image of the fiber end 26 exiting working laser beam 14 , on the second sensor area 44 the camera 38 and the picture of the editing area 22 the workpiece surface 20 of the workpiece 12 , in particular a laser cutting area or a molten bath of a welding area, into separate areas with different positions within the sensor area of the camera 38 he follows. For example, the beamforming optics imaging area becomes 30 in the configured as edge region second sensor area 44 steered to the observation of the editing area 22 of the workpiece 12 in the first sensor area 42 not to bother. Thus, the images of the beamforming optics imaging area are 30 and the editing area 22 easily separated, allowing further image processing of the images on the sensor areas 42 . 44 is relieved.
Der Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30 ist der Bereich, welcher bei einer scharfen Abbildung des aus dem Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 austretenden Arbeitslaserstrahls 14 durch die Strahlformungsoptik 32 beispielsweise mittels der Abbildungsoptik 40 auf die zweite Sensorfläche 44 der Kamera 38 oder mittels der Fokussieroptik 18 auf die Werkstückoberfläche 20 des Werkstücks 12 auf diese scharf abgebildet wird. Somit ist also der Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30 eine Abbildungsebene, die das Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 enthält und in der Regel senkrecht zur optischen Achse des Strahlengangs 15 des Arbeitslaserstrahls 14 liegt. Bei der Einkoppelung des Arbeitslaserstrahls 14 in das Gehäuse 16 des Laserbearbeitungskopfes 10 mittels der Faserhalterung 28 kann der Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30 also beispielsweise eine obere Innenwand des Gehäuses 16 des Laserbearbeitungskopfes 10 sein. Da in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Arbeitslaserstrahl 14 selbst auf die zweite Sensorfläche 44 abgebildet wird, müssen hier wellenlängenabhängige Effekte wie eine chromatische Aberration nicht berücksichtigt werden.The beamforming optics imaging area 30 is the area which gives a sharp picture of the out of the fiber end 26 the optical fiber 24 exiting working laser beam 14 through the beam shaping optics 32 for example by means of the imaging optics 40 on the second sensor surface 44 the camera 38 or by means of the focusing optics 18 on the workpiece surface 20 of the workpiece 12 on this sharp is pictured. Thus, therefore, the beamforming optics imaging area is 30 an imaging plane that covers the fiber end 26 the optical fiber 24 contains and usually perpendicular to the optical axis of the beam path 15 the working laser beam 14 lies. When coupling the working laser beam 14 in the case 16 of the laser processing head 10 by means of the fiber holder 28 For example, the beamforming optics imaging area 30 So for example, an upper inner wall of the housing 16 of the laser processing head 10 be. As in the in 1 shown embodiment of the working laser beam 14 even on the second sensor surface 44 In this case, wavelength-dependent effects such as chromatic aberration need not be taken into account.
Der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf 10 weist ein Aktuatorsystem auf, durch welches die Position des Laserbearbeitungskopfes 10 relativ zur Bearbeitungsoberfläche 22 des Werkstücks 12 oder bewegliche Teile des optischen Systems 18, 32 so angepasst werden können, dass eine Brennpunktverschiebung des Arbeitslaserstrahls 14 relativ zur Werkstückoberfläche 20 ausgeglichen oder kompensiert werden kann. Maßgeblich für eine Brennpunktverschiebung des Fokus des Arbeitslaserstrahls 14 relativ zur Werkstückoberfläche 20 ist hierbei im Falle eines gleichbleibenden Abstands des Laserbearbeitungskopfes 10 zur Oberfläche 22 des Werkstücks 12 eine Brennpunktverschiebung Δzf1 der Fokussieroptik 18 bei der Wellenlänge des Arbeitslaserstrahls 14 λL und eine Brennpunktverschiebung Δzf2 der Strahlformungsoptik 32 bei der Wellenlänge λL des Arbeitslaserstrahls 14. Hierfür können ein erster Aktuator 54 zur linearen Verschiebung des Laserbearbeitungskopfes 10 relativ zur Werkstückoberfläche 20 des Werkstücks 12 um einen Verstellweg Δz1, ein zweiter Aktuator 56 zur linearen Verschiebung der Fokussieroptik 18 in Richtung des Strahlengangs 15 des Arbeitslaserstrahls 14 um einen Verstellweg Δz2 und ein dritter Aktuator 58 zur linearen Verschiebung der Strahlformungsoptik 32 entlang des Strahlengangs 15 des Arbeitslaserstrahls 14 um einen Verstellweg Δz3 vorgesehen sein. Um eine Abbildung der Werkstückoberfläche 20 oder des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 auf den ersten Sensorbereich 42 bzw. zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 scharf abbilden zu können, ist ferner ein vierter Aktuator 60 vorgesehen, um die Abbildungsoptik 40 entlang des Beobachtungsstrahlengangs 36, 46 um einen Korrekturverstellweg Δdkl linear zu verschieben. Mittels des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes 10 kann eine Fokuslagenkompensation der Fokuslage des Arbeitslaserstrahls 14 relativ zur Werkstückoberfläche 20 bei einer Erwärmung der Strahlformungsoptik 32 und/oder der Fokussieroptik 18 durchgeführt werden, wie im Folgenden beschrieben wird.The laser processing head according to the invention 10 has an actuator system, by which the position of the laser processing head 10 relative to the editing surface 22 of the workpiece 12 or moving parts of the optical system 18 . 32 can be adjusted so that a focus shift of the working laser beam 14 relative to the workpiece surface 20 can be compensated or compensated. Decisive for a focus shift of the focus of the working laser beam 14 relative to the workpiece surface 20 is here in the case of a constant distance of the laser processing head 10 to the surface 22 of the workpiece 12 a focus shift Δz f1 of the focusing optics 18 at the wavelength of the working laser beam 14 λ L and a focus shift Δz f2 of the beam shaping optics 32 at the wavelength λ L of the working laser beam 14 , For this purpose, a first actuator 54 for linear displacement of the laser processing head 10 relative to the workpiece surface 20 of the workpiece 12 by an adjustment Δz 1 , a second actuator 56 for linear displacement of the focusing optics 18 in the direction of the beam path 15 the working laser beam 14 by an adjustment Δz 2 and a third actuator 58 for linear displacement of the beam shaping optics 32 along the beam path 15 the working laser beam 14 be provided by an adjustment .DELTA.z 3 . To get an illustration of the workpiece surface 20 or the beamforming optics imaging area 30 on the first sensor area 42 or second sensor area 44 the camera 38 to be able to map sharply is also a fourth actuator 60 provided to the imaging optics 40 along the observation beam path 36 . 46 to linearly shift a correction displacement Δd kl . By means of the laser processing head according to the invention 10 can a focus position compensation of the focus position of the working laser beam 14 relative to the workpiece surface 20 at a heating of the beam shaping optics 32 and / or the focusing optics 18 be performed as described below.
Der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf 10 oder die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung 10 mit einem Laserbearbeitungskopf weist eine Auswerteeinheit 62 auf, welche Bilddaten von der Kamera 38 verarbeitet, den vierten Aktuator 60 der Abbildungsoptik 40 ansteuert und dessen Stellposition ausliest, um durch Ansteuerung des ersten, zweiten oder dritten Aktuators 54, 56, 58 eine Fokuslagenkompensation durchführen zu können. Hierbei ist die Auswerteeinheit 62 einerseits dazu ausgebildet, mittels eines Verstellwegs Δdkl der Abbildungsoptik 40 in Richtung der optischen Achse, der dazu nötig ist, bei einer Verschiebung Δzf2 des Brennpunkts der Strahlformungsoptik 32 das Kamerabild des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 wieder scharf einzustellen, die Brennpunktverschiebung Δzf2 der Strahlformungsoptik 32 im Wellenlängenbereich λL des Arbeitslaserstrahls 14 zu berechnen. Ferner ist die Auswerteeinheit 62 dazu ausgebildet, mittels eines Verstellwegs Δdkl der Abbildungsoptik 40 in Richtung der optischen Achse, der dazu nötig ist, bei einer Verschiebung Δzf1 des Brennpunkts der Fokussieroptik 18 das Kamerabild des Bearbeitungsbereichs 22 des Werkstücks 12 wieder scharf einzustellen, eine Brennpunktverschiebung Δzf1 der Fokussieroptik 18 im Wellenlängenbereich λL des Arbeitslaserstrahls 14 zu berechnen. Sobald beide Brennpunktverschiebungen der Strahlformungsoptik 32 Δzf2 und der Fokussieroptik 18 Δzf1 bekannt sind, kann mittels der Aktuatoren 54, 56 und 58 der Arbeitslaserstrahl 14 wieder auf die Werkstückoberfläche 20 oder auf eine relativ zur Werkstückoberfläche 20 definierte Lage fokussiert werden.The laser processing head according to the invention 10 or the laser processing device according to the invention 10 with a laser processing head has an evaluation unit 62 on which image data from the camera 38 processed, the fourth actuator 60 the imaging optics 40 controls and reads out the actuating position to by driving the first, second or third actuator 54 . 56 . 58 to be able to perform a focus position compensation. Here is the evaluation unit 62 formed on the one hand, by means of a displacement Δd kl of the imaging optics 40 in the direction of the optical axis, which is necessary for a displacement .DELTA.z f2 of the focal point of the beam-shaping optical system 32 the camera image of the beamforming optics imaging area 30 to focus again, the focus shift Δz f2 of the beam shaping optics 32 in the wavelength range λ L of the working laser beam 14 to calculate. Furthermore, the evaluation unit 62 adapted to, by means of a displacement Δd kl of the imaging optics 40 in the direction of the optical axis, which is necessary for a displacement .DELTA.z f1 of the focal point of the focusing optics 18 the camera image of the editing area 22 of the workpiece 12 to focus again, a focus shift Δz f1 of the focusing optics 18 in the wavelength range λ L of the working laser beam 14 to calculate. Once both focus shifts the beam shaping optics 32 Δz f2 and the focusing optics 18 Δz f1 are known, by means of the actuators 54 . 56 and 58 the working laser beam 14 back to the workpiece surface 20 or on a relative to the workpiece surface 20 be focused defined location.
Um dies zu erreichen, wird das optische System des Laserbearbeitungskopfes 10 in einem Anfangszustand zunächst so eingestellt, dass der Laserstrahl 14 durch die Strahlformungsoptik 32 optimal kollimiert wird und als paralleles Strahlenbündel in Richtung der Fokussieroptik 18 läuft. Dieser Anfangszustand kann dadurch eingestellt werden, dass die Abbildungsoptik 40 in eine vorbestimmte Position gefahren wird, in welcher der kollimierte Laserstrahl 14 scharf auf die zweite Sensorfläche 44 der Kamera 38 abgebildet wird. Die Fokussierlinse 18 wird durch den zweiten Aktuator 56 ebenfalls in eine vorbestimmte Position gefahren, in welcher der Brennpunkt der Fokussierlinse 18 einen vorbestimmten Abstand zur Unterseite des Laserbearbeitungskopfes 10 aufweist. Die Abbildungsoptik 40 wird nach der Kollimierung des Arbeitslaserstrahls 14 so eingestellt, dass eine scharfe Abbildung der Werkstückoberfläche 20 des zu bearbeitenden Werkstücks 12 bei der Beleuchtungswellenlänge λK erfolgt. To achieve this, the optical system of the laser processing head 10 initially set in an initial state so that the laser beam 14 through the beam shaping optics 32 is optimally collimated and as a parallel beam in the direction of the focusing optics 18 running. This initial state can be adjusted by the imaging optics 40 is moved to a predetermined position, in which the collimated laser beam 14 sharp on the second sensor surface 44 the camera 38 is shown. The focusing lens 18 is through the second actuator 56 also moved to a predetermined position in which the focus of the focusing lens 18 a predetermined distance to the bottom of the laser processing head 10 having. The imaging optics 40 becomes after the collimation of the working laser beam 14 adjusted so that a sharp picture of the workpiece surface 20 of the workpiece to be machined 12 takes place at the illumination wavelength λ K.
Bei der Bearbeitung des Werkstücks 12 mittels des Laserbearbeitungskopfes 10 kommt es aufgrund der nicht vollständigen Transmissivität des optischen Systems zur einer Erwärmung der Fokussieroptik 18 und der Strahlformungsoptik 32, verbunden mit einer aufgrund der Erwärmung der Linsen der Fokussieroptik 18 und der Strahlformungsoptik 32 veränderten Brechkraft und einer damit verbundenen Brennpunktverschiebung Δzf1 der Fokussieroptik 18 und Δzf2 der Strahlformungsoptik 32. Somit verschiebt sich einerseits der Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls 14 relativ zur Werkstückoberfläche 20, verbunden mit einem in der Regel verschlechterten Arbeitsergebnis. Gleichzeitig mit der Verschiebung des Brennpunkts des Arbeitslaserstrahls 14 wird das von dem ersten Sensorbereich 42 der Kamera 38 aufgenommene Kamerabild der Werkstückoberfläche 20 unscharf. Durch Verstellen des optischen Systems, insbesondere durch ein Durchfahren der Abbildungsoptik 40 um einen Korrekturverstellweg Δdkl mittels des vierten Aktuators 60 wird das Kamerabild der Werkstückoberfläche 20 durch Steuerung der Auswerteeinheit 62 wieder scharf gestellt und der hierfür benötigte Korrekturverstellweg Δdkl abgespeichert. Durch Einberechnung des Abbildungsverhältnisses von Abbildungsoptik 40 und Fokussieroptik 18 sowie durch Einbeziehung der Fokussierungsunterschiede aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen des Beobachtungssystems λK und der verwendeten Bearbeitungslaserlichtwellenlänge λL aufgrund der chromatischen Aberration oder anderer wellenlängenabhängiger Effekte kann durch wieder scharf Stellen des Kamerabilds der Werkstückoberfläche 20 und Ermitteln des Korrekturverstellwegs Δdkl die Brennpunktverschiebung Δzf1 der Fokussieroptik 18 im Wellenlängenbereich λL des Arbeitslaserstrahls 14 ermittelt werden.When machining the workpiece 12 by means of the laser processing head 10 Due to the incomplete transmissivity of the optical system, heating of the focusing optics occurs 18 and the beam shaping optics 32 , associated with a due to the heating of the lenses of the focusing optics 18 and the beam shaping optics 32 changed refractive power and an associated focal shift .DELTA.z f1 of the focusing optics 18 and Δz f2 of the beam shaping optics 32 , Thus, on the one hand shifts the focus of the working laser beam 14 relative to the workpiece surface 20 , associated with a generally deteriorated work result. Simultaneously with the shift of the focal point of the working laser beam 14 becomes that of the first sensor area 42 the camera 38 recorded camera image of the workpiece surface 20 blurred. By adjusting the optical system, in particular by passing through the imaging optics 40 by a Korrekturverstellweg Δd kl by means of the fourth actuator 60 becomes the camera image of the workpiece surface 20 by controlling the evaluation unit 62 focused again and the required Korrekturverstellweg Δd kl stored. By inclusion of the imaging ratio of imaging optics 40 and focusing optics 18 and by incorporating the focusing differences due to the different wavelengths of the observation system λ K and the processing laser light wavelength λ L used due to the chromatic aberration or other wavelength-dependent effects can by sharply places the camera image of the workpiece surface 20 and determining the correction displacement Δd kl the focus shift Δz f1 of the focusing optics 18 in the wavelength range λ L of the working laser beam 14 be determined.
Nach der Ermittlung der Brennpunktverschiebung Δzf1 der Fokussieroptik 18 wird die Abbildungsoptik 40 in die voreingestellte Position des oben beschriebenen Anfangszustands zur Kollimierung des Arbeitslaserstrahls 14 eingestellt, um danach durch Verstellen der Abbildungsoptik 40 um einen Korrekturverstellwert Δdkl eine scharfe Abbildung des Arbeitslaserstrahls 14 und des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 auf dem zweiten Sensorbereich 42 zu erzeugen. Da bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Arbeitslaserstrahl 14 direkt auf die zweite Sensorfläche 42 abgebildet wird, müssen in diesem Fall keine Wellenlängeneffekte aufgrund von chromatischer Aberration berücksichtigt werden.After determining the focus shift Δz f1 of the focusing optics 18 becomes the imaging optics 40 in the preset position of the above-described initial state for collimating the working laser beam 14 adjusted to then by adjusting the imaging optics 40 by a Korrekturverstellwert .DELTA.d kl a sharp image of the working laser beam 14 and the beamforming optics imaging area 30 on the second sensor area 42 to create. Since at the in 1 shown embodiment of the working laser beam 14 directly on the second sensor surface 42 In this case, no wavelength effects due to chromatic aberration need to be considered.
Die Erfindung schließt alle gängigen Verfahren zur Fokussierung- bzw. Bildschärfefindung ein, einige wichtige sollen explizit genannt werden:
Varianz: Quadrierte Differenz der Bildwerte um den Mittelwert mit anschließender Aufsummierung. Bei einem Bild i(x, z) und S als Anzahl der Pixel kann diese folgendermaßen berechnet werden: The invention includes all common methods for focussing or sharpening, some important should be explicitly mentioned:
Variance: Squared difference of the image values around the mean with subsequent summation. For an image i (x, z) and S as the number of pixels, this can be calculated as follows:
Eine hohe Varianz, bzw. breites Histogramm bedeutet guter Kontrast.A high variance or wide histogram means good contrast.
Sum Modulus Difference (SMD): Maß basierend auf Bildgradienten, Sum Modulus Difference (SMD): measure based on image gradients,
SMD wird bestimmt mit bei scharfen Bildern ist der Unterschied von Bildpunkt x zu x + 1 sehr groß.SMD is determined with with sharp images, the difference from pixel x to x + 1 is very large.
Signalleistung (SL): Das Maximum von ergibt den besten Bildzustand, gilt auch für die nach Liao veränderte Schwellwertmethode.Signal Power (SL): The maximum of gives the best image state, also applies to the Liao modified threshold value method.
Fourier-Analyse: Die Diskrete-Fourier-Transformation so wie die schneller zu berechnende Fast-Fourier-Transformation wird unter Verwendung von Zeilen und Spaltenweise ermittelt. Im defokalen Bild nimmt der hohe Frequenzbereich, zu berechnen durch aufsummieren der Leistungsspektren, gegenüber dem fokalen Bild signifikant ab.Fourier Analysis: The Discrete Fourier Transform like the faster-to-calculate fast Fourier transform, using Determines rows and columns. In the defocal image, the high frequency range, calculated by summing the power spectra, decreases significantly compared to the focal image.
Laplace-Operator oder Laplace-Fokussierungsfunktion: stellt das zweite statistische Moment, der Fourierspektren dar und steht im Zusammenhang mit hohen Frequenzen. Durch Operatoridentität und Formelerweiterung kann diese in den Zeitbereich umgeformt werden. Die darin enthaltenen einzelnen Komponenten müssen durch Approximationen der 2. Ableitung bestimmt werden wodurch wir erhalten und direkt bestimmen können.Laplace operator or Laplace focus function: represents the second statistical moment, the Fourier spectra and is associated with high frequencies. Through operator identity and formula expansion, this can be transformed into the time domain. The individual components contained in it must be determined by approximations of the second derivative, whereby we receive and determine directly.
Fokussierung durch Feature Point bzw. Objekt Tracking: Feature Points sind Pixel mit markantem Umfeld, so dass sie in einem anderen Bild der gleichen Bildsequenz wiedergefunden werden können. Dadurch können Bewegungstendenzen in Bildsequenzen festgestellt und die Fokussierung kann so gleich in die richtige Richtung arbeiten. Außerdem ist es möglich per Objekterkennungsalgorithmen in bekannten Bildsequenzen ein Fokusfenster für die Fokussierungsfunktion zu erstellen und damit eine optimale Schärfeeinstellung des Zielobjekts zu ermöglichen. Dazu können viele Verfahren eingesetzt werden, es soll aber der Harris Eckendetektor, die Aufteilung des Bildes in bestimmte Untergrößen, Bildgradient und Schwellwertberechnung, Sum of Square Difference, Fuzzy Logic zur Autofokussierung, Support Vektor Klassifikation, Hauptkomponenten Analyse u. v. m. eingesetzt werden.Focus Point or Object Tracking Focusing: Feature points are pixels with a prominent environment so that they can be rediscovered in a different image of the same image sequence. As a result, movement tendencies can be detected in image sequences and the focus can thus work in the right direction. In addition, it is possible to create a focus window for the focusing function by means of object recognition algorithms in known image sequences and thus to enable optimum focus adjustment of the target object. Many methods can be used for this, but it should be the Harris corner detector, the division of the image into certain sub-sizes, image gradient and threshold calculation, Sum of Square Difference, fuzzy logic for autofocusing, support vector classification, main component analysis and more.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Einstellprozess des Systems zunächst ein scharf abgebildetes Referenzbild von dem Bearbeitungsbereich 22 oder dem Strahlformungsoptikabbildungsbereich 26 aufgenommen, um als Referenz für die Bildschärfe im Vergleich zu einem später aufgenommenen Kamerabild, wenn sich die entsprechenden Brennpunktlagen der Fokussieroptik 18 oder der Strahlformungsoptik 32 verschoben haben, zu dienen. Dieses kann während oder vor einem Bearbeitungsprozess erstellt werden.In the method according to the invention, in a setting process of the system, first of all a sharply reproduced reference image is obtained from the processing area 22 or the beamforming optics imaging area 26 taken as a reference for the sharpness compared to a later recorded camera image when the corresponding focus positions of the focusing optics 18 or the beam shaping optics 32 have moved to serve. This can be created during or before a machining process.
In 2 ist eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes 10 gezeigt, welcher zum Laserschneiden eines Werkstücks 12 eingesetzt wird. Der in 2 gezeigte Laserbearbeitungskopf 10 entspricht dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, wobei lediglich eine Düse 64 zum Ausblasen des aufgeschmolzenen Werkstückmaterials vorgesehen ist. Da die Leuchtintensität des vom Werkstück 12 kommenden Prozesslichts im Vergleich zu einem Laserschweißprozess relativ gering ist, eignet sich das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des Laserbearbeitungskopfes 10, bei welchem keine Filtervorrichtungen für die Kamera 38 vorgesehen werden müssen, besonders gut.In 2 is a highly simplified schematic view of a laser processing head 10 shown which for laser cutting a workpiece 12 is used. The in 2 shown laser processing head 10 corresponds to the in 1 shown embodiment, wherein only one nozzle 64 is provided for blowing out the molten workpiece material. Because the luminous intensity of the workpiece 12 is relatively low compared to a laser welding process, this is suitable in 1 shown embodiment of the laser processing head 10 in which no filter devices for the camera 38 must be provided, especially good.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Laserbearbeitungskopfes 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch und stark vereinfacht gezeigt. Der Laserbearbeitungskopf 10 aus 3 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 dadurch, dass im Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30 neben dem Faserende 26 ein Musterelement 66 vorgesehen ist, welches auf den zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 abgebildet wird, um eine Brennpunktverschiebung Δzf2 der Strahlformungsoptik 32 durch Verstellen der Abbildungsoptik 40 um einen Korrekturverstellwert Δdkl ermitteln zu können. Das Musterelement 66 kann eine in der Innenwand des Gehäuses 16 in der Nähe der Faserhalterung 28 eingeprägte Struktur sein, es ist jedoch auch möglich, eine Struktur entweder auf die Innenwand aufzudrucken oder einen das Musterelement 66 beinhaltenden Aufkleber vorzusehen.In 3 is another embodiment of a laser processing head 10 shown schematically and greatly simplified according to the present invention. The laser processing head 10 out 3 is different from the one in 1 shown laser processing head 10 in that in the beam-shaping optics imaging area 30 next to the fiber end 26 a pattern element 66 is provided, which on the second sensor area 44 the camera 38 is imaged to a focus shift Δz f2 of the beam shaping optics 32 by adjusting the imaging optics 40 in order to be able to determine a correction adjustment value Δd kl . The pattern element 66 can one in the inner wall of the housing 16 near the fiber holder 28 However, it is also possible to print a structure either on the inner wall or a pattern element 66 to provide the inclusion of stickers.
Die Beleuchtung des Musterelements 66 erfolgt durch eine erste Beleuchtungsvorrichtung 68, deren Licht zunächst mittels einer Optik 70 kollimiert oder geformt wird, und dann koaxial in den ersten Beobachtungsstrahlengang 36 über einen zweiten Strahlteiler 72 zwischen Abbildungsoptik 40 und erstem Strahlteiler 34 eingekoppelt wird, um gleichzeitig den Bearbeitungsbereich 22 des Werkstücks 12 sowie den Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30, in welchem das Musterelement 66 angeordnet ist, zu beleuchten. Bei der Anbringung des Musterelements 66 ist darauf zu achten, dass dieses im Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30 oder in einem definierten Abstand in Richtung der optischen Achse zu dem Faserende 26 der Lichtleitfaser 24, aus welcher der Arbeitslaserstrahl 14 austritt, angeordnet ist.The lighting of the pattern element 66 is done by a first lighting device 68 whose light is initially by means of an optic 70 is collimated or formed, and then coaxially in the first observation beam path 36 via a second beam splitter 72 between imaging optics 40 and first beam splitter 34 is coupled simultaneously to the editing area 22 of the workpiece 12 and the beamforming optics imaging area 30 in which the pattern element 66 is arranged to illuminate. When attaching the pattern element 66 Care should be taken to ensure that this is in the beamforming optics imaging area 30 or at a defined distance in the direction of the optical axis to the fiber end 26 the optical fiber 24 from which the working laser beam 14 exit, is arranged.
Da bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des Laserbearbeitungskopfes 10 nun die Beobachtung sowohl der Werkstückoberfläche 20 als auch des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 mit dem Musterelement 66 unter einer Beleuchtung mit der gleichen Wellenlänge λK erfolgt, muss bei der Berechnung der Brennpunktverschiebung Δzf2 der Strahlformungsoptik 32 aufgrund eines Korrekturverstellwegs Δdkl der Abbildungsoptik 40 zum Scharfstellen eines Kamerabildes der Kamera 38 nun auch bei der Strahlformungsoptik 32 die chromatische Aberration aufgrund der zu der Beleuchtungswellenlänge λK unterschiedlichen Arbeitslaserstrahlenwellenlänge λL berücksichtigt werden.Since at the in 3 shown embodiment of the laser processing head 10 now the observation of both the workpiece surface 20 as well as the beamforming optics imaging area 30 with the pattern element 66 under illumination with the same wavelength λ K , must be in the calculation of the focus shift Δz f2 of the beam shaping optics 32 due to a correction displacement Δd kl of the imaging optics 40 to focus a camera image of the camera 38 now also with the beam shaping optics 32 the chromatic aberration due to the different to the illumination wavelength λ K working laser beam wavelength λ L are taken into account.
Die chromatische Aberration wird jedoch in besonders bevorzugter Weise erfindungsgemäß durch einen entsprechenden Versatz oder Verschiebung des Musterelements 66 in Richtung des Strahlengangs 15 des Arbeitslaserstrahls 14 zu der Position des Faserendes 26 der Lichtleitfaser 24, aus welcher der Arbeitslaserstrahl 14 austritt, kompensiert oder ausgeglichen. Hierbei ist das Musterelement 66 so angeordnet, dass bei einer scharfen Abbildung des Musterelements 66 auf die zweite Sensorfläche 44 bei der Beleuchtungswellenlänge λK gleichzeitig eine vollständige Kollimierung des aus dem Faserende 26 austretenden Arbeitslaserstrahls 14 durch die Strahlformungsoptik 32 bei der Wellenlänge λL des Arbeitslaserstrahls 14 erfolgt.The chromatic aberration is, however, in a particularly preferred manner according to the invention by a corresponding offset or displacement of the pattern element 66 in the direction of the beam path 15 the working laser beam 14 to the position of the fiber end 26 the optical fiber 24 from which the working laser beam 14 exit, compensated or balanced. Here is the pattern element 66 arranged so that when a sharp picture of the pattern element 66 on the second sensor surface 44 at the illumination wavelength λ K at the same time a complete collimation of the fiber from the end 26 exiting working laser beam 14 through the beam shaping optics 32 at the wavelength λ L of the working laser beam 14 he follows.
Die Reflexionsvorrichtung 48 ist bei dem in 3 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 vorzugsweise eine planparallele Platte mit einer hohen Reflektionsrate, um eine möglichst hohe Lichtintensität der Beleuchtung durch die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 auf das Musterelement 66 und eine darauf folgende möglichst lichtstarke Abbildung des Musterelements 66 auf die zweite Sensorfläche 44 der Kamera 38 zu erreichen. Vor der Kamera 38 zwischen zweitem Strahlteiler 72 und Abbildungsoptik 40 ist weiter ein optischer Bandpassfilter 74 vorgesehen, welcher auf die Beleuchtungswellenlänge λK der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 abgestimmt ist, um Störstrahlung aus dem Bereich des Werkstücks 12 auszublenden. Der in 3 gezeigte Laserbearbeitungskopf 10 ist besonders geeignet für den Einsatz bei einem Laserschweißprozess, da aufgrund der Prozessemissionen des erzeugten Schweißbads im Bearbeitungsbereich 22 des Werkstücks 12 eine Beleuchtung des Werkstücks 12 mit einer vorbestimmten Beleuchtungswellenlänge λ verbunden mit einer Beobachtung mittels eines auf die Beleuchtungswellenlänge λK abgestimmten Bandpassfilters 74 besonders vorteilhaft ist.The reflection device 48 is at the in 3 shown laser processing head 10 preferably a plane-parallel plate with a high reflection rate, in order to maximize the light intensity of the illumination by the first illumination device 68 on the pattern element 66 and a following as bright as possible image of the pattern element 66 on the second sensor surface 44 the camera 38 to reach. In front of the camera 38 between second beam splitter 72 and imaging optics 40 is further an optical bandpass filter 74 provided, which on the illumination wavelength λ K of the first lighting device 68 is tuned to disturbing radiation from the area of the workpiece 12 hide. The in 3 shown laser processing head 10 is particularly suitable for use in a laser welding process, because of the process emissions of the generated weld pool in the machining area 22 of the workpiece 12 an illumination of the workpiece 12 with a predetermined illumination wavelength λ connected to an observation by means of a tuned to the illumination wavelength λ K bandpass filter 74 is particularly advantageous.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Laserbearbeitungskopfes 10 stark vereinfacht und schematisch dargestellt, wobei sich der Laserbearbeitungskopf 10 aus 4 von dem in 3 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 darin unterscheidet, dass zusätzlich zu der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 eine zweite Beleuchtungsvorrichtung 76 vorgesehen ist, welche das Musterelement 66 gleichmäßig ausleuchtet. Diese zweite Beleuchtungsvorrichtung 76 kann vorgesehen werden, falls eine Beleuchtung des Musterelements 66 durch die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 mit nicht hinreichender Intensität erfolgen kann. Darüber hinaus ist es vorstellbar, die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 an einer Außenseite des Laserbearbeitungskopfes 10 anzubringen, wie beispielsweise in 6 gezeigt ist. Die Beleuchtung mittels der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 erfolgt vorzugsweise im gleichen Wellenlängenbereich λK wie die der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 und ist darüber hinaus auf die Durchlasswellenlänge des optischen Bandpassfilters 74 abgestimmt.In 4 is another embodiment of a laser processing head 10 greatly simplified and shown schematically, with the laser processing head 10 out 4 from the in 3 shown laser processing head 10 It differs in that in addition to the first lighting device 68 a second lighting device 76 is provided, which is the pattern element 66 evenly illuminates. This second lighting device 76 can be provided if a lighting of the pattern element 66 by the first lighting device 68 can not be done with sufficient intensity. In addition, it is conceivable the first lighting device 68 on an outside of the laser processing head 10 to install, such as in 6 is shown. The lighting by means of the second lighting device 76 is preferably in the same wavelength range λ K as that of the first lighting device 68 and is also on the pass wavelength of the optical bandpass filter 74 Voted.
In 5 ist eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes 10 gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der in 5 gezeigte Laserbearbeitungskopf 10 unterscheidet sich von dem in 4 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 darin, dass statt des Musterelements 66 und der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 eine Leuchtvorrichtung 78 im Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30 neben dem Faserende 26 angeordnet ist, wobei das emittierte Licht der Leuchtvorrichtung 78 auf den zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 abgebildet wird, um eine Brennpunktverschiebung Δzf2 der Strahlformungsoptik 32 durch Verstellen der Abbildungsoptik 40 um einen Korrekturverstellweg Δdkl bestimmen zu können. Die Leuchtvorrichtung 78 kann wie das Musterelement 66 so in Richtung der optischen Achse der Strahlformungsoptik 32 zu dem Faserende 26 versetzt sein, dass eine chromatische Aberration hinsichtlich der Emissionslichtwellenlänge λK der Leuchtvorrichtung 78 und der Wellenlänge λL des Arbeitslaserstrahls 14 von der Strahlformungsoptik 32 so ausgeglichen wird, dass der Arbeitslaserstrahl 14 von der Strahlformungsoptik 32 kollimiert wird, wenn eine scharfe Abbildung bei der Beobachtungswellenlänge λK des von der Leuchtvorrichtung 78 emittierten Lichts auf die zweite Sensorfläche 44 erfolgt.In 5 is a highly simplified schematic view of a laser processing head 10 shown according to yet another embodiment of the invention. The in 5 shown laser processing head 10 is different from the one in 4 shown laser processing head 10 in that instead of the pattern element 66 and the second lighting device 76 a lighting device 78 in the beamforming optics imaging area 30 next to the fiber end 26 is arranged, wherein the emitted light of the lighting device 78 on the second sensor area 44 the camera 38 is imaged to a focus shift Δz f2 of the beam shaping optics 32 by adjusting the imaging optics 40 in order to be able to determine a correction displacement Δd kl . The lighting device 78 can be like the pattern element 66 so in the direction of the optical axis of the beam shaping optics 32 to the fiber end 26 be offset that a chromatic aberration with respect to the emission light wavelength λ K of the lighting device 78 and the wavelength λ L of the working laser beam 14 from the beam shaping optics 32 so balanced that the working laser beam 14 from the beam shaping optics 32 is collimated when a sharp image at the observation wavelength λ K of the lighting device 78 emitted light on the second sensor surface 44 he follows.
In 6 ist eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes 10 gezeigt, bei welchem die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 an einer Außenseite des Gehäuses 16 angebracht ist.In 6 is a highly simplified schematic view of a laser processing head 10 shown in which the first lighting device 68 on an outside of the housing 16 is appropriate.
Es soll betont werden, dass die in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele des Laserbearbeitungskopfes 10 hinsichtlich der gezeigten Bauteile frei kombinierbar sind, die in den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiele zeigen also lediglich besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und sollen nicht beschränkend für die Erfindung ausgelegt werden. Obwohl das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel einen Laserschneidkopf 10 zeigt, kann dieser Laserbearbeitungskopf 10 auch zum Laserschweißen eingesetzt werden. In gleicher Weise sind die in den 3 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiele der Laserbearbeitungsköpfe 10 dazu geeignet, für einen Laserschneidprozess eingesetzt zu werden. Darüber hinaus kann die erste Beleuchtungsvorrichtung 68, wie in 3 gezeigt, bei dem in 2 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 eingesetzt werden, um die Werkstückoberfläche zu beleuchten. Ferner kann die in 6 gezeigte erste Beleuchtungsvorrichtung 68 in gleicher Weise dazu verwendet werden, zur Beleuchtung des Werkstücks bei dem in den 1 und 2 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 eingesetzt zu werden.It should be emphasized that the in the 1 to 5 shown embodiments of the laser processing head 10 are freely combinable with respect to the components shown in the 1 to 6 Thus, embodiments shown only show particularly advantageous embodiments and should not be construed limiting the invention. Although that in 2 embodiment shown a laser cutting head 10 shows, this laser processing head 10 also be used for laser welding. In the same way are in the 3 to 6 shown embodiments of the laser processing heads 10 suitable for use in a laser cutting process. In addition, the first lighting device 68 , as in 3 shown at the in 2 shown laser processing head 10 be used to illuminate the workpiece surface. Furthermore, the in 6 shown first lighting device 68 be used in the same way to illuminate the workpiece in which in the 1 and 2 shown laser processing head 10 to be used.
Als Lichtquelle für die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 eignet sich aufgrund der hohen Intensität eine Laserlichtquelle, wobei diese eine Halbleiterlaserdiode sein kann. Hierfür können AlGaInP-Laserdioden mit Multi-Quantum-Well-Strukturen verwendet werden, welche ein Abstrahlmaximum in einem Wellenlängenbereich zwischen 635 nm und 670 nm aufweisen. So kann beispielsweise eine Laserdiode mit einer Abstrahlwellenlänge von 658 nm und einer Abstrahlleistung von 60 Milliwatt eingesetzt werden.As a light source for the first lighting device 68 is suitable due to the high intensity of a laser light source, which may be a semiconductor laser diode. For this purpose, AlGaInP laser diodes with multi-quantum-well structures can be used, which have a radiation maximum in a wavelength range between 635 nm and 670 nm. For example, a laser diode with a radiation wavelength of 658 nm and a radiation power of 60 milliwatts can be used.
Als Lichtquelle der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 und/oder der Leuchtvorrichtung 78 kann beispielsweise eine Halbleiterleuchtdiode oder eine LED eingesetzt werden, welche mit einem optischen Resonator versehen ist, wodurch die spontane Emission der Leuchtdiode durch den optischen Resonator verstärkt wird. Diese sogenannten RC-LEDs (resonant cavity light emitting diodes) weisen im Unterschied zu normalen Halbleiterleuchtdioden ein stark verengtes Emissionsspektrum mit einer Halbwertsbreite oder FWHM (full width of half maximum) von etwa 5 bis 10 nm auf. Bei Verwendung einer Laserdiode als erste Beleuchtungsvorrichtung 68 ist es hierbei von Vorteil, wenn aufgrund der Verwendung eines ähnlichen Materialsystems die Abstrahlcharakteristik der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 oder der Leuchtvorrichtung 78 auf die Abstrahlcharakteristik der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 abgestimmt wird.As a light source of the second lighting device 76 and / or the lighting device 78 For example, a semiconductor light-emitting diode or an LED can be used, which is provided with an optical resonator, whereby the spontaneous emission of the light-emitting diode is amplified by the optical resonator. These so-called RC-LEDs (resonant cavity light emitting diodes) have, in contrast to normal semiconductor light-emitting diodes, a strongly narrowed emission spectrum with a half-width or full width of half maximum (FWHM) of about 5 to 10 nm. When using a laser diode as the first lighting device 68 In this case, it is advantageous if, due to the use of a similar material system, the emission characteristic of the second illumination device 76 or the lighting device 78 to the emission characteristic of the first illumination device 68 is agreed.
Für eine Minimierung eines Speckle-Effekts aufgrund der Beleuchtung durch eine Laserdiode bei der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 kann entweder die Kohärenz des Laserlichts aufgelöst oder durch eine schnelle zeitliche Variation der Speckle-Interferenzen innerhalb der Integrationszeit des Auges der Speckle-Kontrast verringert werden. Hierbei kann beispielsweise das Laserlicht der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 durch einen rotierenden Diffusor (nicht gezeigt) geleitet werden. Als Diffusor eignet sich beispielsweise eine Glasplatte mit einer rauen Oberfläche.For minimizing a speckle effect due to illumination by a laser diode in the first lighting device 68 Either the coherence of the laser light can be resolved or reduced by rapid temporal variation of speckle interference within the integration time of the eye's speckle contrast. In this case, for example, the laser light of the first lighting device 68 through a rotating diffuser (not shown). As a diffuser, for example, a glass plate with a rough surface is suitable.
Die bevorzugte Abstrahlwellenlänge des Lichts der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 liegt in einem Wellenlängenbereich zwischen 630 nm und 670 nm, wobei beispielsweise ein Intensitätsmaximum bei 640 nm zweckmäßig ist. Die aus dem Faserende austretende Strahlung kann auch direkt betrachtet werden, das kann rieben der Laserstrahlung auch die Strahlung der Pumpwellenlänge sein.The preferred emission wavelength of the light of the first illumination device 68 lies in a wavelength range between 630 nm and 670 nm, wherein, for example, an intensity maximum at 640 nm is expedient. The radiation emerging from the fiber end can also be viewed directly, which can rub the laser radiation and the radiation of the pump wavelength.
Der vor der Kamera 38, welche beispielsweise eine CMOS- oder CCD-Kamera ist, angeordnete Bandpassfilter 74 weist einen Wellenlängendurchlassbereich auf, der auf die zumindest lokalen Abstrahlmaxima des Lichts der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 und/oder des Lichts der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 und/oder des Lichts der Leuchtvorrichtung 78 angepasst ist. Hierbei ist die Halbwertsbreite oder FWHM (full width at half maximum) des Wellenlängendurchlassbereichs des Filters 74 so zu wählen, dass gerade die Maxima der ersten und zweiten Beleuchtungsvorrichtung 68, 76 und/oder der Leuchtvorrichtung 78 innerhalb des Durchlassbereichs des optischen Bandpassfilters liegen. Hierbei ist die Halbwertsbreite vorzugsweise kleiner 100 nm, besonders bevorzugt kleiner 50 nm und insbesondere kleiner 20 nm. Der optische Bandpassfilter 78 ist vorzugsweise ein Fabry-Perot-Filter oder ein Fabry-Perot-Etalon, wobei durch diese Art von Filter elektromagnetische Wellen eines bestimmten Frequenzbereichs durchgelassen werden und die restlichen Frequenzanteile durch Interferenz ausgelöscht werden. Hinsichtlich der Halbwertsbreite des optischen Bandpassfilters 78 ist es von Vorteil, wenn dieser Bereich so schmal wie möglich ist, um bei einem Betrieb des Laserbearbeitungskopfes 10 eine möglichst geringe Störung des Kamerabildes durch Prozessleuchten zu erzeugen, welches durch die Bearbeitung des Werkstücks 12 mittels des Arbeitslaserstrahls 14 durch Schmelzen des Werkstückmaterials entsteht. Die Kamera 38 kann hierbei zur Erhöhung der Dynamik der aufgenommenen Kamerabilder ein HDR-Verfahren anwenden.The front of the camera 38 , which is for example a CMOS or CCD camera, arranged bandpass filters 74 has a wavelength transmission range that is responsive to the at least local emission maxima of the light of the first illumination device 68 and / or the light of the second illumination device 76 and / or the light of the lighting device 78 is adjusted. Here, the full width at half maximum (FWHM) of the wavelength passband of the filter is FWHM 74 to choose so that just the maxima of the first and second lighting device 68 . 76 and / or the lighting device 78 within the passband of the optical bandpass filter. In this case, the half-width is preferably less than 100 nm, particularly preferably less than 50 nm and in particular less than 20 nm. The optical bandpass filter 78 is preferably a Fabry-Perot filter or a Fabry-Perot etalon, this type of filter transmits electromagnetic waves of a certain frequency range and extinguishes the remaining frequency components by interference. Regarding the half width of the optical bandpass filter 78 it is advantageous if this area is as narrow as possible in order to operate the laser processing head 10 To generate the least possible disturbance of the camera image by process lights, which by the machining of the workpiece 12 by means of the working laser beam 14 produced by melting the workpiece material. The camera 38 can use an HDR method to increase the dynamics of the recorded camera images.
Weiter ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn das emittierte Licht der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 oder der Leuchtvorrichtung 78 in ihre Intensität relativ zur Beleuchtungsstärke, beispielsweise durch die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 des Werkstücks 12 zeitlich variiert wird, um mittels eines Lock-in-Verfahrens die Abbildungen des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 und der Werkstückoberfläche 20 auf den Sensorbereich 42, 44 der Kamera 38 trennen zu können. In diesem Falle können die Abbildungen der Werkstückoberfläche 20 und des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 auf den gleichen örtlichen Sensorbereich erfolgen, da die Abbildungen aufgrund der zeitlichen Varianz getrennt werden können.Furthermore, it is preferred according to the invention if the emitted light of the second illumination device 76 or the lighting device 78 in their intensity relative to the illuminance, for example by the first illumination device 68 of the workpiece 12 is varied over time to lock-in the images of the beamforming optics imaging area 30 and the workpiece surface 20 on the sensor area 42 . 44 the camera 38 to be able to disconnect. In this case, the images of the workpiece surface 20 and the beamforming optics imaging area 30 be done on the same local sensor area, since the images can be separated due to the temporal variance.
Durch den erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf 10 wird also ein Laserschweißkopf oder Laserschneidkopf oder ein Laserbearbeitungskopf für weitere Bearbeitungsmöglichkeiten eines Werkstücks mittels eines Lasers bereitgestellt, bei welchem in einfacher Weise durch Verwendung lediglich eines Prozessbeobachtungssensors wie einer Kamera gleichzeitig eine Brennpunktverschiebung der Fokussieroptik sowie der Strahlformungsoptik bestimmt und durch ein Aktuatorsystem eine Fokusverschiebung des Arbeitslaserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche kompensiert werden kann.By the laser processing head according to the invention 10 Thus, a laser welding head or laser cutting head or a laser processing head is provided for further processing options of a workpiece by means of a laser, which in a simple manner by using only a process observation sensor such as a camera simultaneously determines a focus shift of the focusing optics and the beam shaping optics and relatively by an actuator system a focus shift of the working laser beam can be compensated for the workpiece surface.
