-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 13, insbesondere zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses zur Materialbearbeitung mittels eines optischen Referenzstrahls, wobei ein Bearbeitungsstrahl über eine Bearbeitungsstrahloptik auf ein Werkstück projizierbar und/oder fokussierbar ist, wobei die Bearbeitungsstrahloptik eine Mehrzahl optischer Elemente aufweist, wobei der Bearbeitungsstrahl nach dem Austreten aus der Bearbeitungsstrahloptik bis zum Auftreffen auf das Werkstück eine Wegstrecke durchläuft,
wobei die Vorrichtung einen optischen Kohärenztomographen umfasst mit:
- - einer Lichtquelle zum Erzeugen des Messstrahls,
- - einer Analyseeinrichtung zum Analysieren eines vom Werkstück reflektierten Teils des Messstrahls,
- - einer Messstrahloptik,
- - einem optischen Messarm, in dem der Messstrahl von der Lichtquelle ausgehend über die Messstrahloptik sowie die Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück projiziert und/oder fokussiert, von diesem zumindest teilweise reflektiert und zur Auswertung zu der Analyseeinrichtung geführt wird, und
- - einem optischen Referenzarm, der zur Überwachung des Bearbeitungsstrahls mittels des optischen Messstrahls den Messarm optisch nachbildet,
wobei der Referenzarm oder der Messarm eine Dispersionsausgleichvorrichtung zum Ausgleich von optischen Dispersionseffekten in der Bearbeitungsstrahloptik aufweist.
-
Die optische Überwachung von Materialbearbeitungsprozessen, beispielsweise von Schweißvorgängen an einer Stoßstelle zweier durch einen Laserschweißprozess miteinander zu verbindender Werkstücke ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Hierzu wird zum technischen Hintergrund auf das Dokument
DE 10 2009 050 784 A1 verwiesen. Gemäß diesem Dokument wird regelmäßig die Werkstückoberfläche anhand von Bildaufnahmen überwacht, wobei die Art der Beleuchtung der Werkstückoberfläche durch Zu- und Abschalten von Fremdlicht verändert, sodass die Erfassung der aktuellen Schweißstelle und damit eine Überwachung des Arbeitsprozesses genauer erfolgen können.
-
Ferner ist es aus dem Dokument
DE 10 2013 017 795 B3 bekannt, nach Maßgabe aktueller Prozessdaten eines Arbeitsprozesses, im Beispielsfall wieder ein Laserschweißprozess an zwei miteinander zu verbindenden Werkstücken, eine Auswertung von mittels eines Bildsensors erfassten Bilddaten an der Fügestelle der miteinander zu verbindenden Werkstücke durchzuführen. Dadurch können die Erkennungszuverlässigkeit von Fehlern sowie die Regelung des Bearbeitungsprozesses gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden, weil aktuelle Prozessdaten, die nicht unmittelbar aus den erfassten Bilddaten hervorgehen, bei der Auswertung berücksichtigt werden.
-
Weitere Dokumente aus dem Stand der Technik, die eine Überwachung eines Laserschweißprozesses mittels eines optischen Überwachungssystems vorsehen, sind die Dokumente
DE 101 55 203 A1 sowie
DE 10 2013 110 524 A1 .
-
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die aus dem oben erläuterten Stand der Technik bekannten Verfahren insbesondere bei der Erfassung von Informationen über die Bearbeitungsqualität in Werkstücktiefenrichtung schnell an ihre Grenzen stoßen und keine befriedigenden Überwachungsergebnisse liefern. Insbesondere dann, wenn eine Überwachung hinsichtlich der Eindringtiefe des Laserstrahls an der Schweißstelle erfolgen soll, d.h. eine Überwachung des sogenannten „Keyhole“, reichen die mit dem Stand der Technik gewonnenen Ergebnisse nicht aus.
-
Eine Weiterbildung der oben genannten Verfahren aus dem Stand der Technik ist aus dem Dokument
WO 2014/138939 A1 bekannt. Gemäß der Offenbarung dieses Dokuments wird ein über einen Scannerspiegel auslenkbarer Messstrahl in einen Bearbeitungsstrahl eingekoppelt und gemeinsam mit diesem auf Bearbeitungspositionen auf einem Werkstück gerichtet. Optional kann dabei auch der Sensorstrahl eines Kamerasensors in den Mess- und Laserstrahl eingekoppelt werden. Bei dieser bekannten Lösung wird der Messstrahl durch einen optischen Kohärenztomographen erzeugt. Die sogenannte optische Kohärenztomographie (engl.: Optical Coherence Tomography, OCT) bezeichnet ein Verfahren, das in Anbetracht der vorstehenden Nachteile herkömmlicher optischer Überwachungsverfahren zunehmend für die Überwachung von (Laser-)Bearbeitungsverfahren eingesetzt wird. Es basiert auf dem Grundprinzip der Interferenz von Lichtwellen und daraus resultierender Effekte. Die optische Kohärenztomographie ermöglicht es, Höhenunterschiede entlang einer Messstrahlachse im Mikrometerbereich zu erfassen. Dazu wird Messlicht erzeugt und mittels eines Strahlteilers in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgetrennt.
-
Der Messstrahl wird an einen Messarm weitergeleitet und trifft auf eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks. An dieser Oberfläche wird der Messstrahl zumindest teilweise reflektiert und an den Strahlteiler zurückgeführt. Der Referenzstrahl wird an den Referenzarm weitergeleitet und am Ende des Referenzarms reflektiert. Der reflektierte Referenzstrahl wird ebenfalls an den Strahlteiler zurückgeführt. Die Überlagerung der reflektierten Strahlen wird schließlich detektiert, um unter Berücksichtigung der Länge des Referenzarms Höheninformationen über die Oberfläche und/oder die Eindringtiefe eines Bearbeitungsstrahls in ein Werkstück zu ermitteln.
-
Obgleich mit diesem Stand der Technik der Vorteil erzielt wird, dass auch in Werkstücktiefenrichtung Messungen durchgeführt werden können, unterliegt diese Lösung in der praktischen Umsetzung einigen Schwierigkeiten. Ein Problem besteht darin, dass der optische Weg in dem Messarm, d.h. der optische Weg, der von dem Messstrahl bis zum Auftreffen auf dem Werkstück und von diesem reflektiert wieder zurück durchlaufen wird, nicht konstant ist, weil sich aufgrund des Bearbeitungsprozesses der Abstand zwischen der Bearbeitungsstrahloptik und dem Werkstück regelmäßig ändert. Der von dem Messstrahl durchlaufende optische Weg enthält somit also einen variablen Wegstreckenabschnitt, der bei der Überwachung im Referenzarm kompensiert werden muss.
-
Ferner kommt es aufgrund der unterschiedlichen optischen Eigenschaften der in dem optischen Weg liegenden Komponenten der Bearbeitungsstrahloptik, wie beispielsweise Linsen, verstellbare Scannerspiegel etc., sowie der durchlaufenen Medien wie Linsenmaterial, Material der optische Lichtleiter-Fasern oder Luft mit unterschiedlichen optischen Brechungsindizes, zu Brechungs- und Dispersionseffekten. Dazu kommt, dass auch ein in einem Schweißprozess eingesetztes Schutzgas, das den Schweißprozess vor unerwünschten Oxidationseffekten schützt, einen anderen Brechungsindex aufweist, als Luft. Ferner kann auch während dem Bearbeitungsprozess entstehender Metalldampf den Brechungsindex verändern. All diese Effekte können die Dispersion verändern und müssen in dem optischen Referenzarm möglichst genau nachgebildet werden.
-
Hierzu fordert der oben genannte Stand der Technik gemäß
WO 2014/138939 A1 , dass der Messarm und der Referenzarm wegen der auftretenden Dispersionseffekte möglichst gleich ausgebildet sein müssen, d.h. aus denselben Materialien und jeweils in derselben „Menge“, d. h jeweils mit den entsprechenden Materialien in entsprechender Länge ausgebildet sein sollten. Dies macht den Aufbau der Überwachungsvorrichtung jedoch notwendigerweise sehr groß, kostspielig sowie unhandlich. Ferner steht dies der Forderung nach Kompaktheit entgegen. Schließlich ist es bei diesem Stand der Technik erforderlich, den Referenzarm genau an einen bestimmten Messarm, d.h. an eine bestimmte Bearbeitungsvorrichtung anzupassen. Somit müssen für unterschiedliche Bearbeitungsvorrichtungen, beispielsweise im Falle einer Nachrüstung derartiger Bearbeitungsvorrichtungen mit einer geeigneten Vorrichtung zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses, jeweils stark unterschiedlich ausgebildete Überwachungsvorrichtungen mit unterschiedlichen Referenzarmen bereitgehalten werden. Den oben genannten bearbeitungsprozessabhängigen, die Dispersion verändernden Effekten, wie beispielsweise einer schutzgas- oder prozessabhängigen Dispersionsveränderung, kann mit diesem Stand der Technik ebenfalls nicht Rechnung getragen werden.
-
Ein weiterer Stand der Technik ist in dem Dokument
DE 10 2013 008 269 A1 beschrieben, das als nächstliegender Stand der Technik für die vorliegende Erfindung angesehen wird. Auch dieses Dokument erkennt bereits das Problem der auftretenden Dispersionseffekte und schlägt vor, einen Glaswegadapter mit zwei zueinander verstellbaren Keilprismen vorzusehen, zwischen denen ein indexangepasstes optisches Gel vorgesehen ist. Mit diesem Glaswegadapter sollen Dispersionseffekte ausgeglichen werden, die aus den in der Bearbeitungsstrahloptik eingesetzten Glaskomponenten resultieren. Ferner wird gemäß diesem Stand der Technik zusätzlich ein Wellenlängenmodulator eingesetzt, der einen in seiner Lage verstellbaren Spiegel vorsieht. Der Spiegel wird zur Kompensation des variablen Wegstreckenabschnitts zwischen der Bearbeitungsstrahloptik und dem Werkstück eingesetzt. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Anordnung mit einem verlagerbaren Spiegel ebenfalls sehr unhandlich ist und großen Bauraum erfordert. Darüber hinaus ist die Verwendung von optischen Gelen in der Praxis problematisch, denn diese können verschmutzen, austrocknen und sich im Laufe der Zeit in ihren optischen Eigenschaften verändern.
-
Schließlich beschreibt auch das Dokument
EP 1 977 850 B1 eine Bearbeitungsvorrichtung mit einer OCT-Abtastvorrichtung, die eine Ablenkeinrichtung umfasst und für eine Oberflächenabtastung eines Werkstücks vorgesehen ist. Dieses Dokument lässt die auftretenden Dispersionseffekte völlig außer Acht. Es sieht aber vor, den erforderlichen Längenausgleich zur Kompensation des variablen Wegstreckenanteils zwischen dem Werkstück und der Bearbeitungsstrahloptik dadurch auszugleichen, dass eine dehnbare optische Faser des Referenzarms auf einen Dehnkörper aufgewickelt ist. Je nach aktueller Länge des variablen Anteils des optischen Wegs zwischen dem Werkstück und der Bearbeitungsstrahloptik wird dieser Dehnkörper angesteuert, um die darauf aufgewickelte optische Faser zur Verlängerung des Referenzrahmens zu strecken oder zu dessen Verkürzung zu entspannen.
-
Weitere Dokumente zum Stand der Technik sind
US 2012/0138586 A1 und
US 2005/ 0174578 A1 .
-
Der gattungsbildende Stand der Technik gemäß dem Dokument
DE 10 2010 016 862 A1 zeigt und beschreibt allgemein eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der im Referenzarm eine Dispersionsausgleichvorrichtung vorgesehen ist.
-
Obgleich die vorstehend diskutierten Dokumente zum Stand der Technik zumindest teilweise bereits das Problem der Dispersion und des Ausgleichs des variablen Wegstreckenabschnitts erkennen und gemäß diesen Dokumenten durch verschiedene Maßnahmen versucht wird, die optische Länge des Referenzarms und des Messarms gleich auszubilden, zeigt die praktische Umsetzung dieses Stands der Technik aber erhebliche Probleme.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine exaktere Einstellung der optischen Länge des Referenzarms nach Maßgabe der optischen Länge des Messarms bei gleichzeitig kompakter Ausgestaltung der Vorrichtung zur Überwachung ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses zur Materialbearbeitung mittels eines optischen Messstrahls gelöst, wobei ein Bearbeitungsstrahl über eine Bearbeitungsstrahloptik auf ein Werkstück projizierbar und/oder fokussierbar ist, wobei weiter die Bearbeitungsstrahloptik eine Mehrzahl optischer Elemente aufweist, wobei ferner der Bearbeitungsstrahl nach dem Austreten aus der Bearbeitungsstrahloptik bis zum Auftreffen auf das Werkstück eine Wegstrecke durchläuft, wobei die Vorrichtung einen optischen Kohärenztomographen umfasst mit:
- - einer Lichtquelle zum Erzeugen des Messstrahls,
- - einer Analyseeinrichtung, beispielsweise einem Spektrometer oder einer Fotodiode, zum Analysieren eines vom Werkstück reflektierten Teils des Messstrahls,
- - einer Messstrahloptik,
- - einem optischen Messarm, in dem der Messstrahl von der Lichtquelle ausgehend über die Messstrahloptik sowie die Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück projiziert und/oder fokussiert, von diesem zumindest teilweise reflektiert und zur Auswertung zu der Analyseeinrichtung geführt wird, und
- - einem optischen Referenzarm, der zu Überwachung des Bearbeitungsstrahls mittels des optischen Messstrahls den Messarm optisch nachbildet.
-
Ferner sieht die Erfindung zur Lösung der Aufgabe vor, dass der Referenzarm oder der Messarm eine Dispersionsausgleichvorrichtung zum Ausgleich von optischen Dispersionseffekten in der Bearbeitungsstrahloptik aufweist. Zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Dispersionsausgleichvorrichtung dazu ausgebildet ist, optische Dispersionseffekte zu kompensieren, die aus einer fehlenden Übereinstimmung des von dem Messstrahl und dem Referenzstrahl in der Messstrahloptik und in der Bearbeitungsstrahloptik durchlaufenen optischen Materials des Messarms und des von dem Referenzstrahl durchlaufenen optischen Materials des Referenzarms resultieren.
-
Die vorliegende Erfindung hebt sich vom Stand der Technik dadurch ab, dass die Materialunterschiede zwischen dem optischen Material des Messarms und dem optischen Material des Referenzarms und die sich daraus ergebenden unterschiedlichen Dispersionseffekte mit der Dispersionsausgleichvorrichtung ausgeglichen werden. Der eingangs diskutierte Stand der Technik geht hier andere Wege. Hier wird versucht, Messarm und Referenzarm möglichst identisch auszubilden, sogar unter Verwendung derselben optischen Materialien. Dies hat den Nachteil, dass eine entsprechend aufgebaute Überwachungsvorrichtung viel Bauraum erfordert und in der Praxis daher teuer und unhandlich wird. Auch der Versuch, die gesamte optische Wegstrecke zwischen der Bearbeitungsstrahloptik und dem Werkstück „in Luft“ nachzubilden, führt zu einem massiven Bauraumerfordernis, das in der Praxis nicht zu erfüllen ist.
-
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben hingegen erkannt, dass es möglich ist, den Referenzarm in vom Messarm abweichenden optischen Materialien auszugestalten und den Dispersionsausgleich derart vorzusehen, dass die aus der vom Messarm abweichenden Materialwahl im Referenzarm resultierenden Dispersionseffekte ohne weiteres ausgeglichen werden können. Dies macht es möglich, den Referenzarm wesentlich kleiner bauend auszuführen und damit die Überwachungsvorrichtung deutlich kompakter zu gestalten.
-
Als zusätzlichen Vorteil bietet die Erfindung die Möglichkeit, kurzfristige Veränderungen der optischen Eigenschaften des Messarms schnell ausgleichen zu können. So ist es beispielsweise möglich, nach Maßgabe einer aktuellen Schutzgasmenge oder Schutzgaskonzentration am Werkstück einen Dispersionsausgleich vorzunehmen. Auch lassen sich kurzfristig Dispersionsveränderungen ausgleichen, die aus dem Vorhandensein von Metalldämpfen an der Bearbeitungsstelle des Werkstücks resultieren.
-
Ferner lässt sich mit der Erfindung eine Überwachungsvorrichtung bereitstellen, die universal ausgestaltet werden kann und schnell und einfach an verschiedene Bearbeitungsvorrichtungen mit unterschiedlichen Bearbeitungsstrahloptiken angepasst werden kann. Es ist nicht erforderlich, die gesamte Überwachungsvorrichtung in ihrem Aufbau, insbesondere in der Gestalt und Materialwahl des Referenzarms, an die jeweilige Bearbeitungsstrahloptik anzupassen.
-
Mit der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, nicht nur den aktuellen Bearbeitungsort zu überwachen (In-Überwachung), sondern auch eine Überwachung von Positionen vorzunehmen, die vor dem aktuellen Bearbeitungsort liegen (Pre-Überwachung) oder hinter dem aktuellen Bearbeitungsort (Post-Überwachung). Damit ist es im Rahmen der Pre-Überwachung möglich, beispielsweise eine Fuge oder eine Kante zwischen zwei miteinander zu verschweißenden Werkstücken zu ermitteln, um so den Bearbeitungsstrahl genau auszurichten. Ferner kann auch im Rahmen der Post-Überwachung eine erkaltete Schweißnaht überwacht werden, etwa um deren Topographie und die Schweißnahtgüte zu überwachen. Basierend auf diesen Überwachungsergebnissen lässt sich der aktuelle Bearbeitungsprozess regeln. Mit der vorliegenden Erfindung kann zwischen diesen verschiedenen Pre-, In- und Post-Überwachungspositionen hin und her gesprungen werden.
-
Ferner sieht die Erfindung vor, dass die von dem Bearbeitungsstrahl nach dem Austreten aus der Bearbeitungsstrahloptik bis zum Auftreffen auf das Werkstück durchlaufene Wegstrecke aus einem während der Bearbeitung des Werkstücks gleichbleibenden Wegstreckenabschnitt und einem während der Bearbeitung nach Maßgabe der Relativposition des Werkstücks und der Bearbeitungsstrahloptik variablen Wegstreckenabschnitt besteht, wobei der Referenzarm oder der Messarm eine Einrichtung zum Ausgleich des variablen Wegstreckenabschnitts aufweist. Zusätzlich zu einem Dispersionsausgleich kann so auch relativ einfach ein Ausgleich des variablen Wegstreckenabschnitts innerhalb des Referenzarms vorgenommen werden. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Referenzarm umfasst:
- - einen ersten Ausgleichsabschnitt zum Nachbilden des optischen Wegs des Messstrahls, den dieser beim Durchlaufen einer zu der Messstrahloptik führenden optischen Zuleitung und beim Durchlaufen der Messstrahloptik sowie beim Durchlaufen des gleichbleibenden Wegstreckenabschnitts zwischen der Bearbeitungsoptik und dem Werkstück zurücklegt, und
- - einen zweiten Ausgleichsabschnitt zum Nachbilden des optischen Wegs des Messstrahls, den dieser beim Durchlaufen der Bearbeitungsstrahloptik und beim Durchlaufen des variablen Wegstreckenabschnitts zurücklegt.
-
Das Unterteilen des Referenzarms in diese beiden Ausgleichsabschnitte gemäß der Erfindung ermöglicht es, einen wesentlichen Teil des optischen Weges im Referenzarm mit einer optischen Faser nachzubilden, was im Gegensatz zu einer Nachbildung in Luft gemäß dem Stand der Technik zu einer erheblichen Bauraumreduzierung führt. Darüber hinaus verändert sich ein erfindungsgemäß mit einer optischen Faser nachgebildeter optischer Weg nicht, wohingegen eine Luft nach gebildeter optischer Weg gemäß dem Stand der Technik verschmutzen kann. Es ist anzumerken, dass herkömmliche Lichtleiter zum Ausbilden von optischen Fasern, beispielsweise Glasfasern, einen Brechungsindex von etwa 1,45 aufweisen, wohingegen Luft bei Raumtemperatur einen Brechungsindex von etwa 1,0 aufweist.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Gedankens sieht vor, dass der erste Ausgleichsabschnitt im Wesentlichen vollständig mit einer optischen Faser ausgebildet ist. Wie vorstehend erläutert, kann hierdurch erheblich Bauraum eingespart werden. Dies bedeutet aber auch, dass Abschnitte des optischen Weges aus dem Messarm, bei denen der Messstrahl durch Luft verläuft, hiervon abweichend im Referenzarm durch eine einen Abschnitt mit einer optischen Faser abgebildet werden, d.h. mit einem Material mit anderem Brechungsindex. Auch dadurch entstehen Dispersionseffekte, die zum Erzielen einer möglichst exakten Überwachung des Bearbeitungsprozesses auszugleichen sind. Hierfür ist die erfindungsgemäße Dispersionsausgleichvorrichtung ausgebildet.
-
Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der zweite Ausgleichsabschnitt teilweise mit einer optischen Faser ausgebildet ist. Auch diesbezüglich ist festzuhalten, dass dieser mit einer optischen Faser nachgebildete zweite Ausgleichsabschnitt sich hinsichtlich des optischen Materials von dem korrespondierenden Abschnitt im Messarm unterscheidet. Dementsprechend sieht die Erfindung auch bezüglich dieses mit optischer Faser nachgebildeten Teils des zweiten Ausgleichsabschnitts einen Dispersionsausgleich vor.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem zweiten Ausgleichsabschnitt der variable Wegstreckenabschnitt durch Verwendung wenigstens eines Prismas, vorzugsweise einer Mehrzahl von hintereinander geschalteten Prismen abgebildet ist, wobei wenigstens eines der Prismen in seiner Lage relativ zu einem anderen der Prismen veränderlich ist. Eine Verlagerung des wenigstens einen Prismas ermöglicht eine zuverlässige Nachbildung des variablen Wegstreckenabschnitts zwischen der Bearbeitungsstrahloptik und dem Werkstück. Je mehr Prismen verwendet werden, desto häufiger lässt sich der Strahlengang falten. Dadurch kann eine besonders kompakte Anordnung erreicht werden. Darüber hinaus besteht ein Vorteil der mehrfachen Faltung des Referenzarms darin, die Verstellgeschwindigkeit über den gesamten Strahlengang zu erhöhen. So lassen sich beispielsweise mehrere Prismen auf ein und demselben Träger anordnen, der dann mit einem zugeordneten Motor verlagerbar ist. So lässt sich mit einer Stellbewegung des Motors die Länge des Referenzarms um ein Vielfaches dieser Stellbewegung schnell verändern. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn auf dem Werkstück schnell zwischen verschiedenen Bearbeitungspositionen hin und her gewechselt wird, sodass sich in kurzer Zeit der Messarm substantiell in seiner Länge ändert. Wahlweise können ausgewählte oder alle Prismen in ihrer Position verlagert werden. Alternativ hierzu kann auch ein der Prismenanordnung zugeordneter Spiegel verlagerbar ausgebildet sein.
-
Hinsichtlich des Aufbaus des Referenzarms kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Dispersionsausgleichvorrichtung in dem zweiten Ausgleichsabschnitt vorgesehen ist. Alternativ ist es auch möglich, die Dispersionsausgleichvorrichtung im Messarm vorzusehen.
-
Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Dispersionsausgleichvorrichtung wenigstens ein optisches Gitter, insbesondere ein optisches Transmissionsgitter, aufweist. Die Verwendung eines optischen Gitters, insbesondere eines Transmissionsgitters, führt zu einer Auffächerung des Messstrahls in verschiedene Frequenzanteile, die im Folgenden exemplarisch als roter Strahl, blauer Strahl und grüner Strahl bezeichnet werden. Dies liegt daran, dass die Frequenzanteile an dem optischen Gitter unterschiedlich stark gebrochen (abgelenkt) werden. Diese Auffächerung an dem optischen Gitter kann erfindungsgemäß zum Ausgleich der Dispersionseffekte genutzt werden, da die aufgefächerten Strahlen über das Gitter und nachfolgenden optischen Komponenten unterschiedliche Wegstreckenlängen durchlaufen können, sodass ein dispersionskompensierender Wegstreckenausgleich zwischen den einzelnen Frequenzanteilen (roter Strahl, blauer Strahl, grüner Strahl) erzielt werden kann. Dieser Effekt ist an sich bereits von Prismen bekannt. Optische Gitter, insbesondere optische Transmissionsgitter, zeigen diesen Auffächerungseffekt allerdings wesentlich stärker und können so bei der Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden. Alternativ kann auch ein Reflexionsgitter verwendet werden.
-
Eine Ausführungsvariante sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die Dispersionsausgleichvorrichtung ein optisches Gitter, insbesondere ein optisches Transmissionsgitter, und einen diesem zugeordneten Reflexionsspiegel aufweist, deren gegenseitiger Abstand zum Dispersionsausgleich einstellbar ist. Bei dieser Ausführungsvariante wird der Messstrahl, wie vorstehend erläutert, in seine einzelnen Frequenzanteile exemplarisch zu einem roten Strahl, blauen Strahl und grünen Strahl aufgefächert. Diese unterschiedlichen Strahlen durchlaufen dann aufgrund der Auffächerung bis zum Reflexionsspiegel unterschiedliche Streckenlängen, werden am Reflexionsspiegel reflektiert, sodass sie zum optischen Gitter zurücklaufen, wiederum entlang unterschiedlicher Streckenlängen. Dort werden sie erneut gebrochen und wieder zueinander parallel ausgerichtet, allerdings aufgrund der unterschiedlichen durchlaufenen Streckenlängen mit einem daraus resultierenden Längenausgleich zur Kompensation vorheriger Dispersionseffekte.
-
Zum gezielten Dispersionsausgleich ist erfindungsgemäß in diesem Zusammenhang bevorzugt ferner vorgesehen, dass der Reflexionsspiegel relativ zu dem optischen Gitter in seiner Lage im Raum verstellbar ist. Dies erfolgt insbesondere durch eine translatorische Bewegung des Reflexionsspiegels. Dadurch lässt sich der Längenausgleich in Abhängigkeit von der Lage des Reflexionsspiegels einstellen und der Dispersionsausgleich gezielt steuern. Ferner kann der Reflexionsspiegel auch im Raum verschwenkt werden, vorzugsweise um zwei Freiheitsgrade. Dadurch lässt sich eine ungewollte oder toleranzbedingte Schiefstellung anderer optischer Komponenten im Referenzarm kompensieren. Die Verschwenkung des Reflexionsspiegels hat keine Auswirkung auf den Dispersionsausgleich.
-
Es sei darauf hingewiesen, dass der Dispersionsausgleich gemäß der vorliegenden Erfindung manuell oder automatisiert erfolgen kann.
-
Insbesondere kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass der Reflexionsspiegel relativ zu dem optischen Gitter, insbesondere Transmissionsgitter, zumindest in einem der folgenden manuell oder automatisiert Freiheitsgrade verstellbar ist:
- - Verschwenkung um eine erste Raumachse (X), die zu einer Längserstreckungsachse des optischen Gitter im Wesentlichen parallel verläuft,
- - Verschwenkung um eine zweite Raumachse (Y), die zu einer Quererstreckungsachse des optischen Gitter im Wesentlichen parallel verläuft,
- - translatorische Verlagerung entlang einer zu der ersten Raumachse (X) und der zweiten Raumachse (Y) im Wesentlichen orthogonalen erste Raumachse (Z).
-
Jede Verstellung in einem der Freiheitsgrade kann durch jeweils eine motorische Einheit in Form eines Stellmotors, eines Piezo-Aktuators oder dergleichen realisiert werden.
-
Alternativ zu dieser Ausführungsform sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Dispersionsausgleichvorrichtung zwei zueinander parallel angeordnete optische Gitter, insbesondere Transmissionsgitter, aufweist, deren Abstand zum Dispersionsausgleich einstellbar ist, wobei dies wiederum manuell oder automatisiert erfolgen kann. Die Verwendung zweier optischer Gitter ermöglicht eine besonders kompakte Bauform der Dispersionsausgleichvorrichtung. Aufgrund der Tatsache, dass an jedem optischen Gitter die vorstehend beschriebene Auffächerung durch entsprechende Brechungseffekte auftritt, erlaubt es, den gewünschten Längenausgleich zwischen den aufgefächerten Strahlen der Wellenlängenanteile effizienter zu erreichen, d.h. auf kleinerem Bauraum.
-
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich zu der Anordnung aus wenigstens zwei zueinander parallel angeordneten optischen Gittern, insbesondere Transmissionsgittern, die vorstehend bereits im Detail beschriebene Prismenanordnung mit einem oder mehreren Prismen zum Ausgleich des variablen Wegstreckenabschnitts vorgesehen.
-
Eine weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in dem Messarm oder in dem Referenzarm eine optische Weiche vorgesehen ist, an der die Dispersionsausgleichvorrichtung in Form eines Faser-Bragg-Gitters vorgesehen ist. Dabei handelt es sich um ein optisches Interferenzfilter, das in einem Lichtwellenleiter integriert ist, wobei unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich gebrochen und reflektiert werden. Auch hierdurch lässt sich ein Längenausgleich für unterschiedliche Frequenzanteile (exemplarisch: roter Strahl, grüner Strahl, blauer Strahl) des Messstrahls erreichen.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 zum Überwachen eines Bearbeitungsstrahls zur Materialbearbeitung mittels eines optischen Messstrahls, insbesondere mit einer Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art, wobei der Bearbeitungsstrahl über eine Bearbeitungsstrahloptik auf ein Werkstück projiziert und/oder fokussiert wird, wobei weiter die Bearbeitungsstrahloptik eine Mehrzahl optischer Elemente aufweist, wobei ferner der Bearbeitungsstrahl nach dem Austreten aus der Bearbeitungsstrahloptik bis zum Auftreffen auf das Werkstück eine Wegstrecke durchläuft, die vorzugsweise zusätzlich aus einem während der Bearbeitung des Werkstücks gleichbleibenden Wegstreckenabschnitt und einem während der Bearbeitung des Werkstücks variablen Wegstreckenabschnitt besteht. Wie vorstehend bereits erläutert, umfasst die Vorrichtung einen optischen Kohärenztomographen mit:
- - einer Lichtquelle zum Erzeugen des Messstrahls,
- - einer Analyseeinrichtung zum Analysieren eines vom Werkstück reflektierten Teils des Messstrahls,
- - einer Messstrahloptik,
- - einem optischen Messarm, in dem der Messstrahl von der Lichtquelle ausgehend über die Messstrahloptik sowie die Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück projiziert und/oder fokussiert, von diesem zumindest teilweise reflektiert und zur Auswertung zu der Analyseeinrichtung geführt wird, und
- - einem optischen Referenzarm, der zu Überwachung des Bearbeitungsstrahls mittels des optischen Messstrahls den Messarm optisch nachbildet.
-
Dabei weist der Referenzarm oder der Messarm vorzugsweise eine Einrichtung zum Ausgleich des variablen Wegstreckenabschnitts auf. Der Referenzarm oder der Messarm weist ferner eine Dispersionsausgleichvorrichtung zum Ausgleich von optischen Dispersionseffekten in der Bearbeitungsstrahloptik auf. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass mit der Dispersionsausgleichvorrichtung optische Dispersionseffekte kompensiert werden, die aus einer fehlenden Übereinstimmung des von dem Messstrahl und dem Referenzstrahl in der Messstrahloptik und in der Bearbeitungsstrahloptik durchlaufenen optischen Materials des Messarms und des von dem Referenzstrahl durchlaufenen optischen Materials des Referenzarms resultieren.
-
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es stellen dar:
- 1 schematische Übersichtsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
- 2 eine vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Dispersionsausgleichvorrichtung mit nachgeordneter Prismenanordnung zum Ausgleich des variablen Wegstreckenabschnitts;
- 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise des optischen Kohärenztomographen;
- 4 einen Ausschnitt zu Erläuterung der Dispersionsausgleichvorrichtung einer alternativen Ausgestaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 einen Ausschnitt zu Erläuterung der Dispersionsausgleichvorrichtung einer alternativen Ausgestaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 einen Ausschnitt zu Erläuterung der Dispersionsausgleichvorrichtung einer alternativen Ausgestaltung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 7 einen Ausschnitt zu Erläuterung der Dispersionsausgleichvorrichtung einer alternativen Ausgestaltung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 8 eine Darstellung entsprechend 1 zu einer sechsten Ausführungsform der Erfindung; und
- 9 eine Darstellung entsprechend 1 zu einer siebten Ausführungsform der Erfindung.
-
In 1 ist eine Gesamtanordnung gezeigt, bei der die Erfindung Anwendung findet, und allgemein mit 10 bezeichnet. Diese umfasst einen Bearbeitungskopf 12 und einen optischen Kohärenztomographen 14 gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
Der Bearbeitungskopf 12 enthält eine Bearbeitungsstrahloptik. Diese weist eine Schnittstelle 16 auf, in die über eine optische Faser ein Laserstrahl 18, im Folgenden Bearbeitungsstrahl 18 genannt, zur Bearbeitung eines Werkstücks W von einer nicht gezeigten Laserstrahlquelle eingekoppelt wird. Der Bearbeitungsstrahl 18 durchläuft eine Kollimationslinse 20, die gemäß Pfeil 22 in ihrer Lage verstellbar ist. In der Folge trifft der Bearbeitungsstrahl 18 auf einen teildurchlässigen Spiegel 24 und wird zu einem lageveränderlichen Spiegel 26 reflektiert. Der teildurchlässige Spiegel 24 reflektiert den Bearbeitungsstrahl 18 mit seiner Wellenlänge (1060nm), lässt hingegen einen später im Detail erläuterten Messstrahl 42 mit seiner hiervon abweichenden Wellenlänge (etwa 830nm) hindurch. Der Spiegel 26 bildet die Scanvorrichtung für den Bearbeitungsstrahl 18 und lässt sich entsprechend der beiden Pfeile 28,30 verlagern, um so den Bearbeitungsstrahl in gewünschter Weise - exemplarisch wiedergegeben durch 18, 18' - auf das Werkstück W auszulenken. Der Scanvorrichtung 26 ist eine weitere Linse 32 nachgeordnet.
-
Ausgehend von der Linse 32 verlässt der Bearbeitungsstrahl 18 den Bearbeitungskopf 12 und durchläuft eine Wegstrecke bis zum Auftreffen auf das Werkstück W. Das Werkstück W kann aber nicht beliebig relativ zu dem Bearbeitungskopf 12 angeordnet sein, sondern muss in einem bestimmten Mindestabstand d vom Bearbeitungskopf 12 entfernt angeordnet sein. Ausgehend von diesem Mindestabstand d kann sich das Werkstück W dann in einem bestimmten Abstandsbereich e befinden, wobei dieser Abstandsbereich e variabel ist. In 1 sind beispielhaft zwei Auftreffpunkte W1 und W2 auf das Werkstück gezeigt. Die Wegstrecke zwischen dem Bearbeitungskopf 12 und dem jeweiligen Auftreffpunkt auf das Werkstück setzt sich also zusammen aus einem gleichbleibenden Wegstreckenabschnitt d und einem variablen Wegstreckenabschnitt e, je nachdem, welcher Auftreffpunkt W1, W2 oder Wn auf dem Werkstück gerade aktuell ist.
-
Der Bearbeitungskopf 12 weist eine weitere Schnittstelle 40 auf, in die der vorstehend bereits erwähnte Messstrahl 42 einkoppelbar ist. Der Messstrahl 42 geht von dem Kohärenztomographen 14 aus, wie im Folgenden noch detaillierter beschrieben werden wird. Der Messstrahl 42 wird über den teildurchlässigen Spiegel 24 in den Bearbeitungsstrahl 18 eingekoppelt und durchläuft zusammen mit diesem die weitere Bearbeitungsstrahloptik des Bearbeitungskopfes 12.
-
Im Folgenden wird der optische Kohärenztomograph (OCT) 14 näher beschrieben. Der Kohärenztomograph 14 umfasst eine Lichtquelle 44, beispielsweise in Form einer Superluminezenzdiode (SLD), die Licht im Bereich einer Wellenlänge von 830 nm aussendet. Über einen Lichtleiter 46 wird dieses Licht in einen Zirkulator (optische Weiche) 48 eingekoppelt und von diesem in einen weiteren optischen Leiter 50 eingeleitet. Dieser führt den Strahl einem Interferometer (Strahlteiler) 52 zu, über den das Licht im Beispielsfall zu etwa 90 % in einen optischen Leiter 54 geführt wird und zu etwa 10 % in einen optischen Leiter 56 geführt wird. Es sind auch andere Leistungsteilungen möglich, beispielsweise 80 % zu 20 %. Über den optischen Leiter 54 wird das Licht in eine OCT-Optik 58 eingekoppelt, auch Messstrahl-Optik 58 bezeichnet. Dieser Lichtanteil wird im Folgenden als Messstrahl 42 bezeichnet. Die OCT-Optik 58 umfasst eine Kollimationslinse 62, die entsprechend Pfeil 64 verlagerbar ist. Ausgehend von der Kollimationslinse 62 verläuft der Messstrahl 42 zu einem um zwei Achsen gemäß den Pfeilen 66, 68 verstellbaren Spiegel 70, wo er reflektiert wird. In der Folge durchläuft der Messstrahl 42 eine Zerstreuungslinse 72 und eine Sammellinse 74 und verlässt die OCT-Optik 58. Zusätzlich oder alternativ zu der Kollimationslinse 62 können auch die Zerstreuungslinse 72 und/oder die Sammellinse 74 translatorisch verlagert werden. Ausgehend von der OCT-Optik 58 wird der Messstrahl 42, wie vorstehend erläutert, in den Bearbeitungskopf 12 über die Schnittstelle 40 eingekoppelt.
-
Die Überwachung des Bearbeitungsstrahls 18 mittels des Messstrahls 42, insbesondere die Erfassung von exakten Positionsinformationen des aktuellen Auftreffpunktes W1, W2, Wn auf dem Werkstück W in allen drei Raumachsen X, Y, Z, erfolgt einerseits dadurch, dass der Messstrahl 42 zumindest anteilig an dem aktuellen Auftreffpunkt reflektiert wird und durch die Bearbeitungsstrahloptik des Bearbeitungskopfes 12 sowie durch die OCT-Optik 58 hindurch zurückgeworfen wird. Dieser reflektierte Teil des Messstrahls 42 wird dann über den Lichtleiter 54, das Interferometer 52, den Lichtleiter 50 sowie die Weiche 48 und über einen weiteren Lichtleiter 76 einem Spektrometer S zugeführt. Dabei wird der optische Weg des Messstrahls ausgehend von dem Interferometer 52 bis hin zum aktuellen Auftreffpunkt W1, W2, Wn auf dem Werkstück W als Messarm M bezeichnet. Dieser Messarm M setzt sich also zusammen aus der Länge des Lichtleiters 54, dem optischen Weg, den der Strahlengang des Messstrahls vom Ort A der Einkopplung in die OCT- Optik 58 bis zum verschwenkbaren Spiegel 26 in der Bearbeitungsstrahloptik des Bearbeitungskopf des 12 zurücklegt, sowie dem weiteren optischen Weg, bis der Messstrahl 42 auf das Kreisbahnsegment K trifft, an der der gleichbleibende Wegstreckenabschnitt d endet. Zusätzlich umfasst dieser Messarm den variablen Wegstreckenabschnitt e, der je nach Werkstückposition relativ zum Bearbeitungskopf 12 variieren kann. Zur Erläuterung ist der Messarm M strichpunktiert schematisch neben dem tatsächlichen Strahlverlauf nachgezeichnet, um dessen Länge nachzuvollziehen.
-
Zur Überwachung des Bearbeitungsstrahls 18 mittels des Messstrahls 42 ist es ferner erforderlich, im Beispielsfall den Anteil von etwa 10 % des von der Lichtquelle 44 ausgesandten Lichtes, der von dem Interferometer 52 in den Lichtleiter 56 geleitet wird, durch einen Referenzarm R zu leiten. Der Referenzarm R muss zum Zwecke einer exakten Messung die Länge des Messarms M möglichst exakt nachbilden. Dabei ist es im Gegensatz zu den Annahmen des Stands der Technik nicht erforderlich, diese Nachbildung dadurch zu erreichen, dass im Referenzarm R dieselben optischer Materialien mit denselben Längenanteilen verwendet werden, wie sie sich im Messarm M wieder finden. Stattdessen haben die Erfinder erkannt, dass es möglich ist, den Referenzarm R auch unter Verwendung anderer optischer Materialien mit anderen Brechungsindizes nachzubilden, als im Messarm M vorgesehen, wobei dann auftretende Dispersionseffekte, die aus den andersartigen Brechungsindizes des Referenzarms R relativ zum Messarm M resultieren, ausgeglichen werden müssen.
-
Unter dieser Prämisse umfasst der Referenzarm R den ersten Abschnitt 56, der ausgehend vom Interferometer 52 zu dem Punkt P verläuft. Dieser Abschnitt 56 ist als Lichtleiter ausgeführt und weist dieselbe Länge auf, wie der Lichtleiter 54, der sich vom Interferometer 52 bis zum Punkt A erstreckt. Ausgehend vom Punkt P verläuft ein weiterer Lichtleiter 80 bis zum Punkt Q. Dieser Lichtleiter-Abschnitt 80 repräsentiert den gleich bleibenden optischen Weg des Messstrahls 42 durch die OCT-Optik 58, durch den Bearbeitungskopf 12 und dessen Bearbeitungsstrahloptik, sowie den gleich bleibenden Wegstreckenabschnitt d im Anschluss an den Bearbeitungskopf 12, der den erforderlichen und unveränderlichen Mindestabstand zwischen Bearbeitungskopf 12 und Werkstück W widerspiegelt.
-
An den Punkt Q schließt sich im Referenzarm R gemäß der Ausführungsform nach 1 eine Anordnung an, die zum Einen dazu dient, einen Dispersionsausgleich vorzunehmen. Dieser Dispersionsausgleich wird dadurch erforderlich, dass der Lichtleiter 80 mit seinen Brechungseigenschaften den oben beschriebenen gleich bleibenden optischen Weg des Messstrahls vom Punkt A bis zu einem Punkt auf dem Kreissegment K, beispielsweise dem Punkt W1 widerspiegelt, obgleich der tatsächliche optische Weg in dem Messarm M von dem Messstrahl 42 durch Luft und die verschiedenen optischen Komponenten 62, 70, 72, 74, 24, 26, 32 zurückgelegt wird, wobei entsprechend der hierfür verwendeten Materialien und des Brechungsindex der Luft andere Brechungseffekte als im optischen Leiter 80 auftreten. Für diesen Dispersionsausgleich ist eine Dispersionsausgleichvorrichtung 82 vorgesehen, die einer Linse 84 nachgeschaltet ist. Die Dispersionsausgleichvorrichtung 82 wird im Detail nachfolgend beschrieben. In der gezeigten Ausführungsvariante umfasst sie zwei zueinander parallel angeordnete optische Transmissionsgitter 86, 88, die gemäß Pfeil 90 in ihrem Abstand zueinander veränderlich sind. Der Dispersionsausgleichvorrichtung 82 ist ein Prisma 92 nachgeschaltet, das gemäß Pfeil 94 verlagerbar ist. Im weiteren Verlauf der Strahlengangs ist eine Sammellinse 96 angeordnet sowie ein Spiegel 98.
-
2 zeigt ausgehend vom Punkt Q die Komponenten in vergrößerter Darstellung. Durch Verlagern des Prismas 92 entlang des Pfeiles 94 lässt sich die Länge des gesamten Strahlengangs verändern und somit ein längenmäßiger Abgleich des Strahlengangs im Referenzarm R nach Maßgabe des variablen Wegstreckenabschnitts e in Abhängigkeit von dem aktuellen Auftreffpunkt W1, W2, Wn im Messarm M vornehmen. Man erkennt sofort, dass je nach Position des Prismas 92 entlang des Doppelpfeils 94 der gesamte Strahlengang um die doppelte Länge einer Verschiebung des Prismas verlängert oder verkürzt werden kann. Im Beispielsfall wäre die Position des Prismas 92 in 2 bei einem aktuellen Auftreffpunkt W2 weiter rechts im Vergleich zu einer Situation, bei der der aktuelle Auftreffpunkt W1 auf der Kreissegmentlinie K liegt.
-
2 entnimmt man auch die Funktionsweise des Dispersionsausgleichs über die Dispersionsausgleichvorrichtung 82. Man erkennt, dass an dem optischen Transmissionsgitter 86 durch dessen Brechungseigenschaften der Lichtstrahl 100, der vorstehend auch als Referenzstrahl bezeichnet ist, exemplarisch in einen punktiert gezeichneten Lichtstrahl 102, beispielsweise dem blauen Frequenzanteil des Lichtstrahls 100, und einen strichliert gezeichneten Lichtstrahl 104, beispielsweise dem roten Frequenzanteil des Lichtstrahls 100, aufgespalten wird. Demzufolge liegt der Lichtstrahl 104 aufgrund der stärkeren Brechung eine längere Wegstrecke zurück, bis er das optische Transmissionsgitter 88 erreicht, als der Lichtstrahl 102. Es kommt also zu einer Wegstreckendifferenz ΔL zwischen dem Lichtstrahl 102 und dem Lichtstrahl 104 zwischen den beiden optischen Transmissionsgittern 86 und 88. Diese Wegstreckendifferenz ΔL lässt sich durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Abstands der beiden Transmissionsgitter 86 und 88 entsprechend Pfeil 90 beliebig einstellen. Bei starken Unterschieden in der optischen Dispersion zwischen dem Messarm M und dem Referenzarm R müssen diese durch einen entsprechend großen Abstand der beiden optischen Transmissionsgitter 86 und 88 kompensiert werden, um eine entsprechend große Wegstreckendifferenz ΔL zwischen den beiden Lichtstrahlen 102 zu erreichen und 104. Sind die Unterschiede in der optischen Dispersion zwischen dem Messarm M und dem Referenzarm R kleiner, so kann entsprechend der Abstand zwischen den beiden optischen Transmissionsgittern 86 und 88 verkleinert werden.
-
An dem zweiten optischen Gitter 88 werden die beiden Lichtstrahlen 102 und 104 dann wieder parallel ausgerichtet, durchlaufen das Prisma 92, im Anschluss daran die Sammellinse 96, treffen auf den Spiegel 98, werden von diesem entsprechend reflektiert und durchlaufen denselben Strahlengang zurück bis zu den beiden optischen Transmissionsgittern 88, 86, wo sie erneut unterschiedlich gebrochen werden und unter Durchlaufen einer entsprechenden Wegstreckendifferenz ΔL über die Linse 84 an dem Punkt Q in den Lichtleiter 80 zurückgeleitet werden. Diese Lichtstrahlen 102, 104 werden dann mit der doppelten Wegstreckendifferenz ΔL über den Lichtleiter 56 in das Interferometer 52 geleitet, wo sie dem über den Messarm M zurückprojizierten Anteil des Messstrahls 42 überlagert werden. Das aus dem Referenzarm R und Messarm M zurückreflektierte Licht interferiert im Strahlteiler 52 (Interferometer). Über die Weiche 48 wird dieses Licht schließlich in den Lichtleiter 76 eingeleitet und dem Spektrometer S zugeführt.
-
Durch geeignete Analyse mittels einer Fast-Fourier-Transformation lassen sich in bekannter Weise die Positionsinformationen auswerten, wie dies in 3 gezeigt ist. Die Interferenz in dem Interferometer 52 führt dazu, dass aus dem Spektrum der Beleuchtungsquelle (Diagramm D1, 3) ein Spektrum wird, welches eine Frequenz mit sich trägt (Diagramm D2, 3). Diese Frequenz ist klein, wenn sich die Längen von Referenz- und Messarm nur um wenige µm unterscheiden. Je größer der Längenunterschied zwischen Referenz- und Messarm ist, desto höher ist die Frequenz. In dem Spektrometer befindet sich eine Zeilenkamera, die das Spektrogramm (Diagramm D1, 3) erfasst. Dieses Spektrogramm wird an einen PC (nicht gezeigt) übertragen. Der PC führt eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) durch und rechnet die Frequenz in einen Längenwert (Delta zwischen Referenzarm und Messarm) in µm um.
-
Im Folgenden werden Abwandlungen und weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung diskutiert. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden bei Beschreibung dieser weiteren Ausführungsformen gleichwirkende oder gleichartige Komponenten jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, wie vorangehend. Es werden lediglich die Unterschiede zu dem/den vorangegangenen Ausführungsbeispielen erläutert.
-
4 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform, wie sie mit Bezug auf 1-3 beschrieben wurde. Bei der Ausführungsform gemäß 4 wurde zur vereinfachten Darstellung die Auffächerung des Lichtstrahls an den optischen Transmissionsgittern in unterschiedliche Lichtstrahlen entsprechend der unterschiedlichen Frequenzanteile weggelassen, die vorangehend mit Bezug auf 2 anhand der Lichtstrahlen 102, 104 beispielhaft erläutert wurde. Die Dispersionsausgleichvorrichtung 82 gemäß 4 funktioniert aber in gleicher Weise, wie mit Bezug auf 2 Detail beschrieben. In 4 erkennt man ein etwas anders geformtes Prisma 92, das aber im Wesentlichen in gleicher Weise funktioniert, wie vorangehend beschrieben. Der wesentliche Unterschied in der Ausgangsform gemäß 4 besteht darin, dass die Sammellinse 96 gänzlich weggelassen wurde. Dies ändert aber an der Funktionsweise an sich nichts. Der Gesamtaufbau wurde dadurch lediglich vereinfacht.
-
5 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsformen, wie sie mit Bezug auf 1-4 beschrieben wurden. Auch bei der Ausführungsform gemäß 5 wurde zur vereinfachten Darstellung die Auffächerung des Lichtstrahls in unterschiedliche Frequenzanteile weggelassen, die vorangehend mit Bezug auf 2 anhand der Lichtstrahlen 102, 104 beispielhaft erläutert wurde. Die Dispersionsausgleichvorrichtung 82 gemäß 5 funktioniert aber in gleicher Weise, wie mit Bezug auf 2 Detail beschrieben. In 5 erkennt man zwei hintereinander angeordnete, gegengleich ausgerichtete Prismen 92 und 110. Dadurch kann der Strahlengang mehrfach gefaltet und so auf relativ geringem Bauraum eine verhältnismäßig lange Luftstrecke abgebildet werden, um im Referenzarm R den variablen Wegstreckenanteil e des Messarms M kompakt nachzubilden. Es können beliebig viele derartige Prismen angeordnet werden. Es ist ferner möglich, jedes der Prismen entsprechend den Pfeilen 94, 112 oder nur einzelne ausgewählte der Prismen 94, 112 für einen Längenangleich an den variablen Wegstreckenanteil e des Messarms M zu verlagern. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, den Spiegel 98 entsprechend Pfeil 114 für einen Längenangleich an den variablen Wegstreckenanteil e des Messarms M zu verlagern. Diese Verlagerung kann jeweils manuell oder automatisch erfolgen.
-
6 zeigt eine andere Anordnung, die beginnend beim Punkt Q die vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ersetzen kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Dispersionsausgleichvorrichtung 82 lediglich ein optisches Transmissionsgitter 86 und einen Spiegel 116, der über drei Stellmotoren 118, 120, 122 wahlweise entlang dem Pfeil 124 translatorisch verlagerbar oder entsprechend einem der Pfeile 126, 128 um zwei weitere Raumachsen verschwenkbar ist. Ferner ist ein weiterer Spiegel 130 vorgesehen, der entsprechend Pfeil 132 translatorisch verlagerbar ist.
-
Ein Lichtstrahl 100 trifft auf das optische Transmissionsgitter 86 und wird, wie vorstehend mit Bezug auf 2 beschrieben, in seine Frequenzanteile aufgefächert, hier wiederum repräsentiert durch die beiden roten und blauen Lichtstrahlen 102 und 104. Diese durchlaufen unterschiedliche Wegstrecken bis sie auf den Spiegel 116 treffen. Von diesem werden sie je nach dessen aktueller Stellung reflektiert und auf das optische Transmissionsgitter 86 zurück projiziert. Aufgrund dessen Brechungseigenschaften werden die Lichtstrahlen 102, 104 zueinander parallel ausgerichtet und zu dem Spiegel 132 projiziert. Von dem Spiegel 132 werden die beiden parallel laufenden Lichtstrahlen 102 und 104 reflektiert und beschreiben denselben Strahlengang zurück bis zu dem Punkt Q. Durch Veränderung der Lage des Spiegels 130 entlang dem Pfeil 132 erfolgt eine Anpassung des Referenzarms R an die tatsächliche Länge des Messarms hinsichtlich des variablen Wegstreckenanteils nach Maßgabe der aktuellen Auftreffposition W1, W2, Wn. Durch Veränderung der Lage des Spiegels 116 relativ zum optischen Transmissionsgitter 86 lässt sich die Wegstreckendifferenz ΔL zwischen den exemplarischen Lichtstrahlen 102 und 104, d.h. zwischen den unterschiedlichen Frequenzanteilen des Lichtstrahls 100, nach Maßgabe der Dispersionsunterschiede zwischen dem Messarm M und dem Referenzarm R zum Dispersionsausgleich einstellen.
-
Die Ausführungsform gemäß 6 zeichnet sich durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aus. Optische Transmissionsgitter 86 sind relativ teure optische Bauteile. Mit dieser Ausführungsform ist lediglich ein einziges derartiges optisches Transmissionsgitter erforderlich.
-
7 zeigt eine Anordnung, die hinsichtlich dem Dispersionsausgleich auf der Ausführungsform nach 6 aufbaut und einen Längenausgleich über eine Prismenanordnung ähnlich der Ausführungsform gemäß 1 und 2 vorsieht. Dabei ist das Prisma 92 motorisch über den Motor M entlang dem Doppelpfeil 94 verlagerbar.
-
8 zeigt eine Anordnung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die vollständig auf optische Transmissionsgitter und eine Prismenanordnung verzichtet. Bei dieser Erfindungsvariante ist an dem Punkt Q eine weitere optische Weiche 140 angeordnet, an der ein sogenanntes Faser-Bragg-Gitter 142 vorgesehen ist. Dieses Faser-Bragg-Gitter 142 wirkt als ein optisches Interferenzfilter, das aufgrund seiner unterschiedlichen Brechungsindexbereiche die Wellenlängenanteile des eingeleiteten Lichts unterschiedlich reflektiert. Das über den Punkt Q eingeleitete Licht des Referenzstrahls wird in das Faser-Bragg-Gitter 142 eingeleitet und dort unterschiedlich reflektiert, sodass sich Laufzeitdifferenzen in Abhängigkeit von den jeweiligen Wellenlängenanteil ergeben.
-
Als Ergebnis erhält man denselben Effekt, wie vorangehend mit Bezug auf das optische Transmissionsgitter exemplarisch anhand der beiden Lichtstrahlen 102 und 104 beschrieben: Es kommt zu einer Wegstreckendifferenz ΔL zwischen den Lichtstrahlen der jeweiligen Wellenlängenanteile, beispielhaft zwischen dem blauen Lichtstrahl 102 und dem roten Lichtstrahl 104. Dies führt bei geeigneter Einstellung der Wegstreckendifferenz ΔL, beispielsweise über einen piezogesteuerten Aktuator, der am Faser-Bragg-Gitter 142 angreift, zu einem Dispersionsausgleich in der gewünschten Art. Diese reflektierten Lichtstrahlen 102 und 104 werden dann in die optische Weiche 140 eingeleitet, wo sie auf einen entsprechend Pfeil 144 beweglichen Spiegel 146 treffen. Über die Veränderung der Position dieses Spiegels 146 entlang Pfeil 144 erfolgt die Längenangleichung an den variablen Wegstreckenabschnitt e. Das an dem Spiegel 146 reflektierte Licht wird dann über die Weiche 140 über den Punkt Q zurück geleitet und in der vorstehend beschriebenen Weise ausgewertet.
-
Auch diese Ausführungsform lässt sich relativ einfach aufbauen. Alternativ kann die Längenangleichung statt über den Spiegel 146 auch über eine Prismenanordnung erfolgen, wie sie in den 1,4 und 5 gezeigt ist.
-
Schließlich zeigt 9 eine weitere Abwandlung eines Ausführungsbeispiels, das von dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 ausgeht. Bei dieser Ausführungsvariante sind in dem Referenzarm R lediglich Vorkehrungen zur Abgleichung der Länge des Referenzarms nach Maßgabe der Länge des Messarms M vorgesehen, insbesondere die Lichtleiter 56, 80 sowie die Prismenanordnung 92 mit Spiegel 98, wie sie in 1 gezeigt ist, jedoch ohne Dispersionsausgleichvorrichtung im Referenzarm R. Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Dispersionsausgleich wiederum durch ein Faser-Bragg-Gitter 142, das allerdings in dem Lichtleiter 54 angeordnet ist, also im Messarm M. Dies ist aber ebenso möglich, denn tatsächlich kommt es nicht darauf an, wo der Dispersionsausgleich vorgenommen wird, d. h es ist unerheblich, ob der Dispersionsausgleich im Messarm M oder im Referenzarm R vorgenommen wird. Maßgeblich ist nur, dass ein solcher Dispersionsausgleich erfolgt, um eine dispersionsbedingte Verfälschung der Messergebnisse am Spektrometer S zu vermeiden.
-
Es sei darauf hingewiesen, dass das Faser-Bragg-Gitter 142 in 9 anders ausgebildet ist, als das Faser-Bragg-Gitter 142 in 8. Durch die optischen Eigenschaften der Faser 80 wird das blaue Licht immer relativ zum roten Licht im Referenzarm R langsamer als im Messarm M. Um diesem Effekt entgegenzuwirken kann man entweder das blaue Licht im Referenzarm R wieder „schneller machen“, in dem man es mit dem Faser-Bragg-Gitter 142 aus 8 kürzer laufen lässt als das rote Licht, oder man kann mit dem Faser-Bragg-Gitter 142 das blaue Licht auch im Messarm M verzögern, indem man es im Messarm M länger laufen lässt. Prinzipiell ist es dabei unbedeutend, wie stark das blaue Licht relativ zum roten Licht verzögert ist. Wesentlich ist aber, dass die Verzögerungen zwischen blauem und rotem Licht im Referenzarm R und Messarm M identisch sind. Würde man keinen Dispersionsausgleich vornehmen, d.h. würde man die unterschiedlichen Verzögerungen zwischen rotem und blauem Licht in dem Messarm M und dem Referenzarm R unverändert lassen, so wäre der Frequenz-Peak in 3 in dem sich aus der FFT ergebenden Diagramm D3 deutlich breiter und man könnte den Längenunterschied zwischen Mess- und Referenzarm nicht mehr so genau messen.
-
Insgesamt lassen sich mit der Erfindung sowohl hinsichtlich des Längenausgleichs als auch hinsichtlich des Dispersionsausgleich gegenüber dem Stand der Technik erhebliche Vorteile erzielen, die in einem kompakten Aufbau der Überwachungsvorrichtung resultieren, sodass diese einfach an einen bestehenden Bearbeitungskopf angebracht werden kann, ohne dessen Einsatzfähigkeit zu beeinträchtigen. Insbesondere die Vorrichtung zum Längenausgleich kann Bauraum sparend ausgebildet werden. Dazu trägt auch bei, dass ein wesentlicher Teil des Messarms erfindungsgemäß im Referenzarm durch einen Lichtleiter implementiert wird, was es nicht erforderlich macht, diejenigen Abschnitte des optischen Weges, in dem der Messstrahl im Messarm durch Luft läuft, im Referenzarm ebenfalls in Luft auszubilden. Die Erfinder haben dabei erkannt, dass daraus resultierende Dispersionsunterschiede wirksam durch eine entsprechende Dispersionsausgleichvorrichtung kompensiert werden können.
-
Die Dispersionsausgleichvorrichtung ist ebenfalls bauraumsparend wahlweise mit wenigstens einem optischen Transmissionsgitter oder mit einem geeigneten Faser-Bragg-Gitter ausgestaltet. Bei der Verwendung eines optischen Transmissionsgitters wird dieses gemäß der Erfindung vorzugsweise derart angebracht, dass es mehrfach durchlaufen wird, um so dessen Brechungseffekte in vorteilhafter Weise mehrfach zu nutzen. Der Dispersionsausgleich kann wahlweise manuell oder automatisiert erfolgen. Ferner kann der Dispersionsausgleich auch in Abhängigkeit von aktuellen Bearbeitungszuständen erfolgen, beispielsweise nach Maßgabe einer aktuell vorhandenen Schutzgasmenge oder Schutzgaskonzentration, nach Maßgabe von brechungsverändernden Effekten, wie etwa auftretenden Metalldämpfen, oder aber auch nach Maßgabe von schnellen Positionswechseln.
