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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Analysieren eines auf ein Substrat auftreffenden Lichtstrahls und zum Korrigieren einer Brennweitenverschiebung.
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Bei einer Verwendung optischer Strahlung, beispielsweise bei einer Laserbearbeitung von Werkstücken, tritt an optischen Elementen bei Verwendung von Lasern beugungsbegrenzter Strahlqualität und hoher Laserleistung der Effekt des Focalshifts, der auch als Brennweitenverschiebung bekannt ist, merklich auf. Die Folge ist der Verlust einer vorgesehenen Fokuslage. Dadurch besteht die Gefahr, dass eine geforderte Bearbeitungsqualität nicht erzielt werden kann oder der Bearbeitungsprozess abbricht. Bei einer Korrektur ist darauf zu achten, dass eine Messung und eine Korrektur der Fehllage innerhalb eines Zeitraums erfolgen, in dem sich die Ausprägung der Fokusfehllage noch nicht nachteilig auf die Bearbeitung ausgewirkt hat. Als maximal akzeptable Abweichung von einer idealen Fokuslage wird beispielsweise eine halbe Rayleighlänge angegeben. Experimentell wurde nachgewiesen, dass der Zeitraum der Abhängigkeit von der applizierten Leistung abhängt und beispielsweise rund 60 Sekunden betragen kann, ehe sich bei einer Leistung von 6 kW eine Abweichung der Fokuslage von der halben Rayleighlänge ausgeprägt hat.
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Zur Lösung dieses Problems wurde vorgeschlagen, bei der Ausführung eines Laserbearbeitungskopfs auf eine Kombination von Linsen verschiedener Glasmaterialien zurückzugreifen, deren Focalshifteffekte sich gegenseitig weitestgehend kompensieren sollen. Zudem wird vorgeschlagen, anhand einer Leistungsmessung der Laserstrahlung eine angepasste Justage der eingesetzten optischen Elemente vorzunehmen, um die Fokusfehllage zu korrigieren. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Autofokussensors. Schließlich besteht auch die Möglichkeit durch Ermittlung des Focalshifts eine entsprechende Korrektur der Fokuslage vorzunehmen. Die Druckschrift
DE 10 2007 053 632 A1 beschreibt ein Verfahren, welches die seitens eines Schutzglases im Strahlengang rückreflektierte Strahlung zur Vermessung nutzt.
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Speziell bei der Laserbearbeitung wird das letztgenannte Schutzglas verwendet, wobei viele Verfahren allerdings nicht den Einfluss des Schutzglases berücksichtigen, das während der Bearbeitung Dämpfen ausgesetzt ist, die sich auf dem Schutzglas niederschlagen und ihrerseits durch vermehrte Absorption zum Focalshifteffekt beitragen. Weiterhin kann bei Verwendung eines Autofokussensors eine Beeinträchtigung durch Dämpfe und durch die Bearbeitung hervorgerufene thermisch beeinflusste Oberflächen erfolgen. Es ist ferner nicht sichergestellt, dass die verwendeten Gläser keinen Alterungseffekten unterliegen, bei dem sich die Eigenschaften der verwendeten Gläser unterschiedlich ändern können.
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Bei dem in der Druckschrift
DE 10 2007 053 632 A1 vorgeschlagenen Verfahren tritt das Problem auf, das reflektierte Strahlung die Messung stören kann. Aus diesem Grund hat man sich bei dem in dieser Druckschrift vorgeschlagenen Verfahren dazu entschieden, die zu messende Strahlung optisch scharf auf dem Sensor abzubilden. Allerdings kann ein störender Einfluss durch reflektierte Strahlung von anderen im betreffenden Strahlengang befindlichen Elementen nicht gänzlich ausgeschlossen werden. Weiterhin ist das System auf eine für eine kompakte Bauweise nachteilige Strahlteileeinrichtung zwischen Kollimationslinse und Fokussierlinse angewiesen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die die genannten Nachteile vermeiden, mit denen also zu vermessende Strahlanteile zuverlässig von Störanteilen isoliert werden können und die zu vermessenden Strahlanteile einer Messung zugeführt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Eine Vorrichtung zum Analysieren eines auf ein Substrat auftreffenden Lichtstrahls weist eine Lichtquelle, eine erste abbildende Optik, eine zweite abbildende Optik, einen Sensor zum Analysieren von Strahleigenschaften und ein zwischen der ersten abbildenden Optik und der zweiten abbildenden Optik angeordnetes optisches Element auf. Die erste abbildende Optik und die zweite abbildende Optik sind zwischen der Lichtquelle und dem Substrat angeordnet. Ferner weist die Vorrichtung ein zwischen der zweiten abbildende Optik und dem Substrat angeordnetes Schutzglas auf, das die abbildenden Optiken und das optische Element vor Dämpfen oder anderen Umwelteinflüssen schützen soll. Die genannten Elemente formen einen Strahlengang, den der Lichtstrahl durchläuft, wobei der Lichtstrahl ausgehend von der Lichtquelle die erste abbildende Optik, das optische Element, die zweite abbildende Optik und das Schutzglas durchläuft, bevor er auf dem Substrat auftrifft. Die Vorrichtung weist ferner eine Blende auf und das optische Element ist dazu ausgebildet, Strahlen, die auf eine dem Schutzglas zugewandte Oberfläche des optischen Elements auftreffen, derart in einen ersten Messstrahlengang abzulenken, dass nur ein von dem Schutzglas reflektierter Anteil des Lichtstrahls als erster Messstrahl durch die Blende zu dem Sensor gelangt und die Blende von anderen Teilen der Vorrichtung reflektierte Störstrahlen ausblendet. Somit kann durch den Sensor der Lichtstrahl analysiert werden und detektierte Fehlstellungen wie eine Brennweitenverschiebung nachfolgend korrigiert werden.
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Dadurch, dass eine Störstrahlung, die durch Reflexion an verschiedenen innerhalb des Strahlengangs angeordneten Elementen von der zu untersuchenden Strahlung, die von einer Reflexion an dem Schutzglas herrührt, getrennt werden kann, wird eine zuverlässige Detektion der Messstrahlung durch den Sensor ermöglicht. Die Trennung wird hierbei durch ein Ablenken der Störstrahlen und des reflektierten Anteils des Lichtstrahls, also der zur Vermessung der optischen Eigenschaften der Vorrichtung herangezogenen Strahlung, unter verschiedenen Winkeln an dem optischen Element erreicht. Die Störstrahlung soll hierbei auch die Strahlung bezeichnen, die nicht zum Bestimmen einer Brennpunktverschiebung herangezogen werden kann. Dadurch, dass das Schutzglas teilreflektierend und teildurchlässig für die verwendete Strahlung ist, kann der Lichtstrahl, der beispielsweise zum Untersuchen des Substrats oder zum Bearbeiten des Substrats auf dieses eingestrahlt wird, zumindest hinsichtlich eines Teils seiner Eigenschaften aus dem Strahlengang durch eine Rückreflexion an den, Schutzglas und die Auskopplung durch das optische Element ausgekoppelt und einer Analyse durch den Sensor zugeführt werden. Unter einem Ablenken soll hierbei sowohl ein Reflektieren als auch ein Brechen des an dem Schutzglas reflektierten Anteils des Lichtstrahls verstanden werden. Unter einer abbildenden Optik soll hierbei jedes optische Bauelement verstanden werden, durch das ein Bildpunkt eines Gegenstandspunkts erzeugt werden kann, indem von dem Gegenstandspunkt ausgehendes Licht durch das Bauelement in dem Bildpunkt vereinigt wird.
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Das optische Element ist dazu ausgebildet, einen auf eine der Lichtquelle zugewandten Oberfläche des optischen Elements auftreffenden Anteil des Lichtstrahls als einen zweiten Messstrahl in einen zweiten Mess-strahlengang zu dem Sensor abzulenken. Hierdurch ergibt sich ein zweiter Messstrahl über eine Reflexion an dem optischen Element, der ebenfalls von dem Sensor detektiert und mit dem an dem Schutzglas reflektierten Anteil der Messstrahlung verglichen worden kann, um auf veränderte Strahleigenschaften wie beispielsweise eine Fokusverschiebung rückschließen zu können. Vorzugsweise ist in dem zweiten Messstrahlengang mindestens ein Spiegel angeordnet, der den ausgekoppelten Anteil des Lichtstrahls zu dem Sensor führt. Auf dem Sensor wird der jeweilige Messstrahl, also der erste Messstrahl oder der zweite Messstrahl, zur Bestimmung der Strahleigenschaften angemessen optisch abgebildet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen Strahlteiler aufweist, der den auf der der Lichtquelle zugewandten Oberfläche des optischen Elements reflektierten Anteil und den vom Schutzglas reflektierten Anteil des Lichtstrahls vor einem Auftreffen auf dem Sensor zusammenführt. Der Strahlteiler ist somit sowohl in dem ersten Messstrahlengang als auch in dem zweiten Messstrahlengang angeordnet, wobei die genannten beiden Messstrahlengänge hinter dem Strahlteiler einen identischen Verlauf aufweisen. Der Strahlteiler selbst ist somit typischerweise außerhalb des Strahlengangs zur Bearbeitung von Substraten bzw. Werkstücken angeordnet. Durch die Überlagerung der beiden Anteile des Strahls kann eine kompakte Bauweise der Vorrichtung erreicht werden und dem Sensor wird in einem einzigen Eingang sämtliche benötigte Information zur Verfügung gestellt.
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Vor dem Strahlteiler kann in dem ersten Messstrahlengang und bzw. oder in dem zweiten Messstrahlengang jeweils ein Shutter angeordnet sein, um jeweils einen der beiden Strahlanteile zu blockieren und nur den anderen Strahlanteil zur getrennten Messung zu dem Sensor gelangen zu lassen. Dies ermöglicht eine einfachere und eindeutige Messung durch den Sensor. Typischerweise ist der Shutter direkt vor dem Strahlenteiler angeordnet, d. h. zwischen einem dem Strahlteiler benachbarten Spiegel des Sensorstrahlengangs und dem Strahlenteiler bzw. zwischen der Blende und dem Strahlenteiler. Der Strahlteiler ist vorzugsweise ein Strahlteilerwürfel.
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Vorzugsweise ist der Strahlengang derart geführt, dass der Lichtstrahl in gerader Linie entlang einer optischen Achse des Strahlengangs zwischen der abbildenden Optik und dem Substrat verläuft, also alle Elemente in dem Strahlengang entlang dieser geraden Linie angeordnet sein. Diese Anordnung der Elemente der Vorrichtung erlaubt eine einfache Konstruktion der gesamten Vorrichtung. Die Blende ist typischerweise außerhalb des Messstrahlengangs angeordnet und befindet sich in dem ersten Messstrahlengang. Das Analysieren des Messstrahls umfasst typischerweise das Bestimmen einer Brennpunktverschiebung bzw. Brennweitenverschiebung, also das Bestimmen, Korrigieren und Reduzieren eines Focalshifts. Der Lichtstrahl selbst kann darüber hinaus auch für eine Oberflächenbearbeitung des Substrats verwendet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der von dem Schutzglas reflektierte Anteil des Lichtstrahls eine dritte abbildende Optik, vorzugsweise eine Linse, durchläuft, bevor er auf dem Strahlteiler trifft. Die dritte abbildende Optik dient zum Parallelisieren dieses Anteils des Messstrahls und ist vorzugsweise im ersten Messstrahlengang angeordnet. Hier kann sich diese dritte abbildende Optik zwischen der Blende und dem Shutter, sofern ein Shutter vorgesehen ist, befinden.
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Das optische Element umfasst typischerweise ein Prisma, eine Planplatte oder mindestens eine Keilplatte, vorzugsweise zwei Keilplatten. Das optische Element ist dazu eingerichtet, die durch Reflexion an anderen Bauteilen der Vorrichtung als dem Schutzglas entstandene Störstrahlen unter einem anderen Winkel abzulenken als dem von dem Schutzglas reflektierten Anteil des Lichtstrahls. Dies kann durch die unterschiedliche Brechung in einem Prisma oder einer Keilplatte bzw. durch eine entsprechende Anordnung der Planplatte zum Reflektieren in besonders einfacher Weise erfolgen.
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Die Lichtquelle ist vorzugsweise ein Laser oder umfasst einen Laser, dessen kohärente Strahlung nicht nur zum Messen sondern auch zur Materialbearbeitung vorteilhaft ist. Typischerweise ist von dem Laser ausgesandte Laserstrahlung über einen Faserstecker in den Strahlengang eingekoppelt.
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Das Schutzglas kann an einem Ende eingespannt und um dieses Ende drehbar gelagert sein. Hierdurch kann auch der reflektierte Anteil des Lichtstrahls in verschiedenen Winkeln in den ersten Messstrahlengang geleitet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass einzelne Elemente der Vorrichtung, typischerweise die abbildenden Optiken, entlang des Messstrahlengangs verschiebbar gelagert sind, um eine Einstellung der Brennweite vornehmen zu können.
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Typischerweise ist die erste abbildende Optik eine Kollimationslinse und parallelisiert den Lichtstrahl, während die zweite abbildende Optik eine Fokussierlinse ist, die den Lichtstrahl auf das Substrat fokussiert. Die Fokussierlinse wie auch die Kollimationslinse sind vorzugsweise Sammellinsen.
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Vorzugsweise ist der Sensor eine CCD-Kamera (charge-coupled device) oder eine CMOS-Kamera (complementary metal oxide semiconductor). Die Vorrichtung kann überdies eine Recheneinheit und bzw. oder eine Steuereinheit aufweisen, die die Strahlanalyse durchführt, die Brennweitenberechnung durch führt und dazu ausgebildet ist, eine Korrektur einer berechneten Brennweite durchzuführen, sofern dies nötig ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Laserbearbeitungskopf, der zum Bearbeiten von Werkstücken durch Laserstrahlung verwendet wird, die zuvor beschriebene Vorrichtung umfasst.
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Ein Verfahren zum Analysieren eines auf ein Substrat auftreffenden Lichtstrahls weist mehrere Schritte auf. Eine Lichtquelle sendet den Lichtstrahl aus, der durch eine erste abbildende Optik und eine zweite abbildende Optik auf ein Substrat läuft, wobei der Lichtstrahl außerdem ein zwischen der zweiten abbildenden Optik und dem Substrat angeordnetes Schutzglas durchläuft, Ein an dem Schutzglas reflektierter Anteil des Lichtstrahls wird durch ein optisches Element, das der Lichtstrahl ebenfalls vorher durchlaufen hat, in Richtung eines Sensors geleitet, wobei dieser reflektierte Anteil auf dem Weg zum Sensor eine Blende durchläuft. Ein auf eine der Lichtquelle zugewandte Oberfläche des optischen Elements auftreffender Anteil des Lichtstrahls wird von diesem optischen Element in einen zweiten Messstrahlengang zu dem Sensor abgelenkt.
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In einem weiteren Schritt erfolgt die Berechnung einer Brennweiten verschiebung aus dem an dem Schutzglas reflektierten Anteil des Lichtstrahls und dem von dem optischen Element zum Sensor abgelenkten Anteil des Lichtstrahls. Schließlich wird eine Relativbewegung eines der Elemente der Vorrichtung durchgeführt, um die Brennweitenverschiebung zu korrigieren. Hierzu wird vorzugsweise die erste abbildende Optik oder die zweite abbildende Optik verschoben. In besonders bevorzugter Weise erfolgt eine Korrektur über einen Faserstecker. Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise mit der bereits zuvor beschriebenen Vorrichtung durchgeführt bzw. diese beschriebene Vorrichtung ist dazu ausgebildet, das Verfahren durchzuführen, Die Vorrichtung und das Verfahren werden typischerweise zur Lasermaterialbearbeitung verwendet.
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Mit der beschrebenen Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren kann die Brennweitenverschiebung der Lichtquelle, der ersten abbildenden Optik, der zweiten abbildenden Optik und des Schutzglases mit dem Sensor erfasst und ein Stellweg über eine Recheneinheit als Teil der Vorrichtung berechnet werden, um den die optischen Komponenten relativ zueinander verstellt werden müssen, um die gewünschte Fokuslage wieder einzunehmen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend anhand der 1 erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine seitliche Ansicht einer Vorrichtung zum Analysieren eines auf ein Substrat auftreffenden Strahls.
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1 zeigt in einer seitlichen Ansicht eine Vorrichtung zum Analysieren eines auf ein Substrat 8 auftreffenden Strahls, die beispielsweise in einem Laserbearbeitungskopf zur Materialbearbeitung angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle 1, im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Laser, der einen entlang einer optischen Achse 2 der Vorrichtung verlaufenden Laserstrahl in Richtung des Substrats 8 aussendet, wobei der Laserstrahl rechtwinklig auf das Substrat 8 auftrifft. Der Laserstrahl soll hierbei das Substrat 8 bearbeiten, beispielswiese eine Oberflächenmodifikation durchführen.
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Entlang der optischen Achse 2 ist hinter der Lichtquelle 1 eine Kollimationslinse 3 angeordnet, die den divergent aus der Lichtquelle 1 austretenden Laserstrahl parallelisiert. Im weiteren Strahlengang ist eine Fokussierlinse 4 angeordnet, die die Strahlung auf das zu bearbeitende Werkstück, also das Substrat 8, fokussiert.
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Zwischen der Fokussierlinse 4 und dem Substrat 8 ist ein Schutzglas 5 zum Schutz der optischen Elemente vor Verschmutzung angebracht. Das Schutzglas 5 weist teilreflektierende Eigenschaften auf, die die Reflexion eines Teils der von der Lichtquelle 1 ausgesandten Strahlung bewirkt, so dass ein Strahlanteil wieder in einem Bearbeitungskopf reflektiert wird. Dieser teilreflektierte Strahl wird nachfolgend zur Messung und somit zur Analyse des Laserstrahls genutzt. Zwischen der Kollimationslinse 3 und der Fokussierlinse 4 ist eine Keilplattenanordnung bestehend aus einer ersten Keilplatte 6 und einer zweiten Keilplatte 7 angeordnet. Die Keilplatten 6 und 7 weisen in der in 1 dargestellten seitlichen Ansicht einen dreieckigen Querschnitt auf. Die kürzesten Seiten des dreieckigen Querschnitts der beiden Keilplatten 6 und 7 sind beide nach links gerichtet angeordnet, während die beiden längsten Seiten der beiden Keilplatten 6 und 7 einander zugewandt in unmittelbarer Nachbarschaft angeordnet sind. Die Keilplatten 6 und 7 können auch unter einem Winkel zur optischen Achse angeordnet werden und eine Strahlauskopplung über eine Reflexion auf der längeren Seite bewirken. Der reflektierte Strahlanteil fällt auf die Keilplattenanordnung mit den Keilplatten 6 und 7, von der aus wiederum Strahlteile für die Messung ausgekoppelt werden. Dies betrifft sowohl die vom Schutzglas 5 reflektierte als auch die von der Kollimationslinse 3 auf die Keilplatte 7 auftreffende Strahlung. Die vom Schutzglas 5 reflektierte Strahlung wird durch die Keilplatte 6 als erster Messstrahl nach rechts in einen ersten Messstrahlengang 21 abgelenkt. Die Lichtquelle 1, die Kollimationslinse 3, die Keilplatten 6 und 7, die Fokussierlinse 4 und das Schutzglas 5 sind somit in einem Strahlengang 16 entlang der optischen Achse 2 in paralleler Ausrichtung angeordnet.
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Die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren nutzen somit die seitens des Schutzglases 5 reflektierte Strahlung. Prinzipiell bietet sich dabei die Möglichkeit, durch eine Schrägstellung des Schutzglases 5 den reflektierten Strahlanteil einer Messung zuzuführen. Allerdings kann diese Variante in bestimmten Fällen mit Nachteilen bzgl. eines kompakten Aufbau eines Laserbearbeitungskopfes um im Fall einer scannenden Bearbeitung mit erhöhten Anforderungen an eine Optik einer Messeinrichtung und einer Größe des Bearbeitungskopfes verbunden sein. Durch die Anordnung eines weiteren Glaskörpers mit reflektierenden Eigenschaften, also der Keilplatte 6, im Strahlengang kann demgegenüber eine kompaktere Lösung erzielt werden. Der an dem Schutzglas 5 reflektierte Strahl wird derart reflektiert bzw. gebrochen, dass der reflektierte Strahl einem Sensor 15 als der Messeinrichtung zugeführt werden kann. Der Sensor 15 ist am Ende des ersten Messstrahlengangs 21 angeordnet und befindet sich somit außerhalb des Strahlengangs 16 des Laserstrahls. Störende reflektierte Strahlung wird durch die Keilplatte 6 ebenfalls gebrochen, aber unter einem anderen Winkel abgelenkt.
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Dieser erste Messstrahlengang 21 umfasst eine Anordnung aus zwei Linsen 9 und 10, die den reflektierten Anteil letztlich parallelisieren. Der reflektierte Anteil wird über einen Spiegel 11 in Richtung eines Strahlteilerwürfels 14 umgelenkt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann statt des Strahlteilerwürfels 14 auch eine Planplatte oder eine andere Form eines Strahlteilers Verwendung finden. Die Linse 9 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen der Keilplatte 6 und dem Spiegel 11 angeordnet, kann in weiteren Ausführungsbeispielen allerdings auch an einer anderen Position angeordnet sein. Nach dem Umlenken des reflektierten Anteils der Messstrahlung an dem Spiegel 11 durchläuft die Messstrahlung in dem ersten Messstrahlengang 21 eine Blende 12 und nachfolgend die Linse 10, bevor sie auf dem Strahlteilerwürfel 14 trifft. Die Blende 12 ist hierbei derart eingerichtet, dass die an dem Schutzglas 5 reflektierte Messstrahlung die Blende 12 aufgrund ihres Einfallswinkels durchlaufen kann. Vor dem Strahlteilerwürfel 14 ist ein Shutter 13 angeordnet, der periodisch die auf dem Strahlteilerwürfel 14 auftreffende Strahlung abdeckt und durchlässt, wobei der reflektierte Anteil der Messstrahlung an dem Strahlteilerwürfel 14 derart reflektiert wird, dass er schließlich auf den Sensor 15, in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einem CMOS-Chip, auftrifft.
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Im Fall der vom Schutzglas 5 reflektierten Strahlung muss eigens berücksichtigt werden, dass sich noch störende Strahlanteile durch Reflexion von anderen Elementen im Strahlengang, wie zum Beispiel Linsen, oder dem Werkstück 8, in der zur Messung geführten Strahlung befinden können. Aus diesem Grund muss eine Separation der eigentlich zu vermessenden Strahlung vorgenommen werden. Dazu werden die Blende 12 und die Linsen 9 und 10 zur Konditionierung der Strahlung eingesetzt. Unerwünschte Strahlanteile fallen auf die Blende 12 und werden aus dem weiteren Strahlengang ausgekoppelt. Zur Verstärkung dieses Effektes ist vorgesehen, das Schutzglas 5 einstellbar in den Aufbau einzubringen und den Messstrahl durch die Auslenkung des Schutzglases 5 von anderen störenden Reflexionen zu separieren.
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Die in 1 dargestellte Vorrichtung und ein mit dieser Vorrichtung durchzuführendes Verfahren nutzt somit die seitens des Schutzglases 5 reflektierte Strahlung des Laserstrahls zur Gewinnung von Information über den Laserstrahl. Prinzipiell bietet sich dabei die Möglichkeit durch eine Schrägstellung des Schutzglases 5 den an diesem Schutzglas 5 reflektierten Strahlanteil des Laserstrahls einer Messung zuzuführen. Das Schutzglas 5 ist hierzu um einen Winkel α von zwischen 0° und 45° drehbar sowie entlang der optischen Achse 2 verschiebbar. Die reflektierte Strahlung trifft auf ein optisches Element, im dargestellten Beispiel eine Keilplattenanordnung, es ist allerdings auch eine Planplatte oder ein Prisma möglich, und wird durch die Keilplattenanordnung derart reflektiert bzw. gebrochen, dass der reflektierte Strahl einer Messeinrichtung, also dem Sensor 15 zugeführt werden kann.
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Störende reflektierte Strahlung wird durch die Keilplatten 6 und 7 ebenfalls gebrochen, aber unter einem anderen Winkel abgelenkt. Im weiteren Strahlverlauf ist ferner die Blende 12 angeordnet, die genutzt wird, um störende Strahlung auszublenden, während die reflektierte Strahlung des Schutzglases 5 die Blende 12 passieren und zum Sensor 15 geleitet werden kann. Die Blende 12 wird zum Ausblenden störender Strahlung genutzt, während die für die Messung erwünschte Strahlung die Blende 12 passieren kann und zum Sensor 15 geleitet wird.
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Ebenso wird ein Teil der kollimierten Strahlung durch die Keilplatte 7 in einem zweiten Messstrahlengang 20 zum Sensor 15 gelenkt. Dies dient einer getrennten Messung der kollimierten und der vom Schutzglas 5 reflektierten fokussierten Strahlung. Die kollimierte Strahlung wird durch die Keilplatte 7 nach rechts auf einen Spiegel 17 gelenkt, der sich in dem zweiten Messstrahlengang befindet. Von dem Spiegel 17 wird die Strahlung auf den ebenfalls in dem zweiten Messstrahlengang befindlichen Spiegel 18 weitergeführt, wobei der Spiegel 18 den kollimierten Anteil des Messstrahls auf den Strahlteilerwürfel 14 lenkt. Zwischen dem Spiegel 18 und dem Strahlteilerwürfel 14 ist ein zweiter Shutter 19 angeordnet, der mit dem ersten Shutter 13 gekoppelt ist und beide Shutter 13, 19 werden abwechselnd zueinander von einer Recheneinheit geöffnet und geschlossen. Der Strahlteilerwürfel 14 kombiniert die von dem Spiegel 18 und dem Spiegel 11 auf ihn gelenkten Anteile der Strahlung und führt diese in Abhängigkeit von der Shutterstellung zu dem Sensor 15. Der Strahlteilerwürfel 14 ist somit sowohl im ersten Messstrahlengang als auch im zweiten Messstrahlengang angeordnet. Bei der durch den Sensor 15 durchgeführten Messung werden Winkelverhältnisse des Messstrahls bestimmt, über die die tatsächlich vorliegende Brennweite mittels ABCD-Matrixrechnung innerhalb einer Zeit von rund 1 Sekunde berechnet werden kann. Auf Basis dieser Brennweitenbestimmung wird durch die in 1 nicht dargestellte Recheneinheit, die auch die ABCD-Matrixrechnung durchführt, eine Berechnung vorgenommen werden, um welche Länge der Abstand zwischen der Lichtquelle 1, typischerweise einem Faserende der Lichtquelle 1, und der Kollimationslinse 3 geändert werden muss, damit die gewünschte Fokuslage wieder eingenommen wird.
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Zur getrennten Messung der Strahlungen des ersten Messstrahlengangs und des zweiten Messstrahlengangs werden die Shutter 13 und 19 verwendet, die den jeweiligen Strahl freigeben oder sperren.
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Die in 1 dargestellte Messeinrichtung vermisst die eintreffende Strahlung gemäß DIN ISO 11146, so dass die tatsächlich vorliegende Brennweite mit dem Messergebnissen durch ABCD-Matrixrechnung bestimmt werden kann. Die Norm beinhaltet die Vorschrift, dass 100% der auf dem Sensor 15 auftreffenden Strahlung zur Vermessung herangezogen werden müssen und bedingt den zuverlässigen Ausschluss störender Strahlung. Entsprechende Störungen werden etwa durch reflektierte Strahlung bedingt, die weiteren optischen Elementen im Strahlengang außer dem Schutzglas 5 und einer Werkstückoberfläche entstammen. Die an der Keilplatte 6 gebrochenen Strahlen treffen auf die Blende 12, die störende Strahlung abschirmt und lediglich den gewünschten Reflex des Schutzglases 5 passieren lässt, da die von den unterschiedlichen Elementen reflektierte Strahlung unterschiedlich stark gebrochen wird. Die Beleuchtung des Sensors 15 erfolgt somit ohne weitere unerwünschte Strahlinhalte. Durch die Keilplatten 6 und 7 wird zudem aufgrund des Verzichts auf eine Strahlteilereinrichtung ein kompakter Aufbau ermöglicht.
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Die für die Bestimmung des Focalshifteffekts zu vermessenden Strahlanteile können mit der beschriebenen Vorrichtung zuverlässig von Störanteilen isoliert und einer Messung zugeführt werden. Die Messung und die Korrektur sollen dabei in einem Zeitraum von bis zu 3 s erfolgt sein. Auf Basis der Brennweitenbestimmung kann der Verstellweg eines optischen Elements berechnet werden, um den das optische Element der Vorrichtung zur Wiedereinnahme der vorgesehenen Fokuslage verstellt werden muss. Zur Wiedereinnahme der Fokuslage besteht die Möglichkeit, entweder den Bearbeitungskopf um den Betrag der Fehllage zu verfahren oder eines der optischen Elemente relativ zu der restlichen Anordnung zu verschieben. Bei Laserbearbeitungsköpfen zur Schneidbearbeitung scheidet die Möglichkeit der Verstellung des kompletten Kopfes aus.
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Zur Korrektur der Fokuslage erfolgt die Einkopplung der Laserstrahlung, etwa durch einen Faserstecker in dem Bearbeitungskopf, bei der eine Relativbewegung zwischen Strahleinkopplung und Optik zur Korrektur der Fehllage des Fokus vorgenommen wird. Hierzu ist es notwendig, die jeweiligen Brennweiten der Kollimationslinse 3 und der Fokussierlinse 4 zu kennen, um die Länge des Weges der vorzunehmenden Relativbewegung berechnen zu können. Die Länge wird in Form eines Steuerungssignals von der Recheneinheit bzw. einer Steuereinheit ausgegeben und kann damit zu einem schnellen Stellen der Wiedereinnahme der Fokuslage beitragen. Der Vorgang des Messens und Korrigierens der Fehllage erfolgt permanent, so dass es möglich ist, eine Einhaltung der Fokuslage in einem Bereich, der kleiner als eine halbe Rayleighlänge ist, zu erzielen. Somit wird die Fehllage innerhalb des Zeitraums in Abhängigkeit von der Bildwiederholrate des Sensors 15, die bei einer CMOS-Kamera zwischen 10 bis 15 Bildern pro Sekunde liegt, und der Verstellung innerhalb weniger Sekunden ermittelt und korrigiert.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
