DE102018000887B4

DE102018000887B4 - Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen und Überwachen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück mit der Möglichkeit zur OCT-Scanner-Kalibrierung

Info

Publication number: DE102018000887B4
Application number: DE102018000887.9A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Lessmüller; Christian Truckenbrodt; Maximilian Schmidt
Original assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Current assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2021-12-02
Anticipated expiration: 2038-02-03
Also published as: DE102018000887A1

Abstract

Vorrichtung (10) zum Durchführen und Überwachen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück (W) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), wobei die Vorrichtung (10) umfasst:- eine Bearbeitungsvorrichtung (12), miteiner Bearbeitungsstrahlquelle (16) zum Erzeugen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), der eine optische Achse (34) aufweist, undeiner Bearbeitungsstrahloptik (22), um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (18) auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück (W) zu projizieren und/oder zu fokussieren,- einen optischen Kohärenztomographen, OCT, (100) zur Erzeugung eines Messstrahls (44), und- eine als OCT-Scanner ausgebildete bewegliche Ablenkeinrichtung (54), über die der Messstrahl (44) ablenkbar und zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses in die Bearbeitungsstrahloptik (22) einkoppelbar ist, wobei bei der Bearbeitung des Werkstücks der Messstrahl (44) in einer vorbestimmten Ausrichtung zu dem Bearbeitungsstrahl (18) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ferner ein zumindest teilweise reflektierendes optisches Element (28) umfasst, auf das der Messstrahl (44) mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung (54) ausrichtbar ist, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, dass der Messstrahl (44) mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung (54) auf das zumindest teilweise reflektierende optische Element (28) ausgerichtet wird, und dazu, dass Interferenzeffekte zwischen an dem optischen Element (28) reflektierten Messstrahlanteilen im optischen Kohärenztomographen (100) zur Überprüfung der Ausrichtung des Messstrahls (44) mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung (54) ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen und Überwachen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, wobei die Vorrichtung eine Bearbeitungsvorrichtung umfasst, mit einer Bearbeitungsstrahlquelle zum Erzeugen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, der eine optische Achse aufweist, und mit einer Bearbeitungsstrahloptik, um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück zu projizieren und/oder zu fokussieren, wobei die Vorrichtung ferner einen optischen Kohärenztomographen umfasst zur Erzeugung eines Messstrahls, der über eine bewegliche Ablenkeinrichtung ablenkbar und zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses in die Bearbeitungsstrahloptik einkoppelbar ist, wobei bei der Bearbeitung des Werkstücks der Messstrahl in einer vorbestimmten Ausrichtung zu dem Bearbeitungsstrahl führbar ist.
Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und finden beispielsweise bei Lasermaterialbearbeitungsprozessen Anwendung. Hierbei wird ein hochenergetischer Bearbeitungsstrahl in Form eines Laserbearbeitungsstrahls verwendet, um auf ein oder mehrere Werkstücke oder Werkstückteile einzuwirken, etwa um diese im Bereich eines Überlappstoßes, einer Nahtfuge und/oder Fügekante miteinander zu verschweißen.
Eine Herausforderung beim Bearbeiten von Werkstücken mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls stellt in der Praxis das Erreichen einer zufriedenstellenden Schweißnahtgüte mit möglichst geringem Ausschuss dar. Um dies zu erreichen, werden die Bearbeitungsprozesse dreidimensional überwacht, d. h. nicht nur - wie zum Beispiel mit herkömmlichen Kameras der Fall - in einer Ebene, sondern auch in der dritten Dimension, d. h. in der Tiefe des Schweißvorgangs, indem zusätzlich zu einer üblichen zweidimensionalen Überwachung mittels des optischen Kohärenztomographen sozusagen in das Key-Hole des Schweißprozesses „hineingesehen“ wird. Um dies zu gewährleisten wird der vom optischen Kohärenztomographen kommende Messstrahl in den Bearbeitungsstrahl eingekoppelt, sodass idealerweise die Strahlachse des Messstrahls mit der optischen Achse des Bearbeitungstrahls zusammenfällt. Für diesen Fall oder im Falle lediglich geringer Abweichungen ist gewährleistet, dass der Messstrahl auch tatsächlich die Tiefe des Bearbeitungsprozesses im Key-Hole oder generell eine Fügestelle dreidimensional überwachen kann.
Es hat sich aber gezeigt, dass diese Voraussetzung während der Bearbeitung des Werkstücks nicht immer zwingend erfüllt ist. So kann die tatsächliche Position des Messstrahls auf dem Werkstück insbesondere deshalb von der gewünschten Auftreffposition am Key-Hole abweichend, weil beispielsweise die Genauigkeit der Positionierung des Messstrahls durch die bewegliche Ablenkeinrichtung Schwankungen unterliegt. Derartige Schwankungen können durch Temperaturschwankungen, durch Verschleiß an den mechanischen Komponenten, durch die auftretenden Toleranzen der mechanischen Stellglieder oder dergleichen bedingt sein. Es ist daher erforderlich, eine Möglichkeit zu schaffen, die bewegliche Ablenkeinrichtung zur Ausrichtung des Messstrahls in regelmäßigen Zeitabständen zu kalibrieren. Für eine derartige Kalibrierung ist es erforderlich, die tatsächliche Position des Messstrahls zu ermitteln bzw. sicherzustellen, dass der Messstrahl auch tatsächlich das Key-Hole trifft. Hierfür gibt es im Stand der Technik bereits verschiedene Lösungen.
So beschreibt das Dokument WO 2012/037694A2 eine Lösung, bei der bestimmte Detektoren oder eine Zielöffnung („pinhole“) gezielt mit einem Messstrahl mittels einer mechanischen Ablenkeinrichtung angesteuert werden, um einen Versatz bei der Ausrichtung des Messstrahls über die mechanische Ablenkeinrichtung ermitteln zu können. Diese Lösung ist relativ zeitintensiv und unzuverlässig. Zudem bedarf es zusätzlicher Sensoren, die den Gesamtaufbau verteuern.
Eine hierzu alternative Lösung ist in dem deutschen Patent DE 10 2015 012 565 B3 beschrieben. Dieser Stand der Technik sieht vor, zusätzlich zu dem optischen Kohärenztomographen noch einen optischen ortsauflösenden Sensor, beispielsweise eine Kamera vorzusehen. Der optische Sensor erfasst die Position des Bearbeitungsbereichs auf dem Werkstück und stellt Informationen bereit, die eine Ermittlung eines Versatzes zwischen dem Bearbeitungsstrahl und dem Messstrahl zulassen. Die Bereitstellung eines zusätzlichen optischen Sensors, beispielsweise einer Kamera, führt zu erhöhten Vorrichtungskosten.
Ferner beschreibt das Dokument WO 2017/182107 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Einschweißtiefe relativ zur Bearbeitungsoberfläche. Dabei ist vorgesehen, dass Interferenzeffekte zwischen einem am Grund der Einschweißstelle reflektierten Messstrahlanteil in an sich bekannter Weise zur Bestimmung der Einschweißtiefe ermittelt werden. Durch Vergleich mehrerer Messungen lässt sich eine Veränderung der Einschweißtiefe ermitteln, woraus geschlossen werden kann, dass gegebenenfalls der Messstrahls nicht mehr hinreichend exakt auf das Key-Hole gerichtet ist. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es einen relativ hohen Auswertungsaufwand erfordert und dass anhand des Auswertungsergebnisses nicht zwingend darauf geschlossen werden kann, dass die Ablenkeinrichtung nicht mehr hinreichend exakt ausgerichtet und demnach neu zu kalibrieren ist, weil auch andere Gründe für unterschiedliche Messergebnisse an der Einschweißstelle vorliegen können.
DE 10 2013 015 656 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls. Messlicht eines optischen Kohärenztomographen wird über eine sich drehende Keilplatte in den Laserstrahl eingekoppelt. Ein erster Anteil des Messlichts wird an einer vorderen Planfläche der Keilplatte reflektiert, die ihre Orientierung bei der Rotation nicht ändert, wodurch ein erster Messstrahl erzeugt wird. Ein zweiter Anteil des Messlichts wird an einer hinteren Planfläche der Keilplatte reflektiert, deren Orientierung durch die Rotation beeinflusst ist. Hierdurch wird ein zweiter Messstrahl erzeugt, dessen Ausbreitungsrichtung von einem Drehwinkel der Keilplatte abhängt.
Aus US 2016/0039045 A1 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung bekannt, die ein Werkstück mittels eines Hochleistungs-Laserstrahls bearbeiten kann. Zur Prozess-überwachung ist ein optischer Kohärenztomograph (OCT) vorgesehen, dessen Messstrahl über einen OCT-Scanner verlagerbar und in den Laserstrahl einkoppelbar ist. Beide Strahlen treten durch ein Abdeckglas hindurch in Richtung Werkstück aus der Vorrichtung aus.
US 2011/0249236 A1 offenbart ein optisches Element, das eine Linse, ein Glassubstrat sowie mehrere Lagen lichtstreuender Schichten umfasst. Die optischen Eigenschaften des optischen Elements sind einem Auge nachempfunden, sodass das optische Element zu Testzwecken mittels eines bildgebenden OCT-Systems vermessen werden kann.
Schließlich ist aus DE 11 2012 001 136 T5 ein System zum Durchführen einer Justierung zweier Wafer bekannt. Das System umfasst neben einem Waferjustiersystem ein OCT-System, mittels dessen Koordinaten von Justiermarkierungen identifiziert werden können.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen eine einfachere und zuverlässige Kalibrierung der beweglichen Ablenkeinrichtung möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen werden aus den Unteransprüchen 2 bis 9 und 11 bis 15 sowie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, die ferner ein zumindest teilweise reflektierendes optisches Element umfasst, auf das der Messstrahl mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung ausrichtbar ist, wobei Interferenzeffekte zwischen an dem optischen Element reflektierten Messstrahlanteilenim optischen Kohärenztomographen zur Überprüfung der Ausrichtung des Messstrahls mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung auswertbar sind.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß die hinreichend exakte Ausrichtung des Messstrahls daran ermittelt, ob beim Auftreffen auf das optische Element die daran reflektierten Messstrahlanteile zu verwertbaren Interferenzeffekten führen. Das optische Element ist dabei in einer vorbestimmten Position angeordnet oder anordenbar, die für den Fall einer optimalen Ausrichtung des Messstrahls zwangsläufig Interferenzeffekte der daran reflektierten Messstrahlanteile mit sich bringt, die wiederum zur Kalibrierung nutzbar sind. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass dann wenn keine Interferenzeffekte auftreten, obgleich nach Maßgabe der eingestellten Ausrichtung der beweglichen Ablenkeinrichtung Interferenzeffekte zu erwarten wären, die bewegliche Ablenkeinrichtung nicht an ihrer Sollposition ist und den Messstrahl nicht in seiner entsprechenden Solllage ausrichtet, sondern aufgrund äußerer Einflüsse, Verschleiß, Toleranzen oder dergleichen den Messstrahl in einer von seiner Solllage abweichenden Istlage ausrichtet. Mittels der Erfindung lässt sich dann die bewegliche Ablenkeinrichtung, in der Praxis auch OCT-Scanner genannt, so lange neu kalibrieren, bis die erwarteten Interferenzeffekte auftreten. Dann kann davon ausgegangen werden, dass der Messstrahl in seine Solllage ausgerichtet ist. Mit der Erfindung ist es demnach einfach und unter geringem gerätetechnischen Aufwand möglich, eine Kalibrierung der beweglichen Ablenkeinrichtung und des OCT-Systems vorzunehmen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das optische Element von einer Glasplatte mit parallelen Oberflächen, vorzugsweise von einem beschichteten oder unbeschichteten optischen Schutzglas, vorzugsweise mit einer geringen Dicke, beispielsweise von 0,1mm bis 2mm, gebildet ist. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die Platte an ihrer Oberfläche den Messstrahl zu einem Anteil von bis zu 50% und an ihrer Unterseite den verbleibenden Messstrahlanteil zu einem Anteil von bis zu 100% reflektiert. Wird die Platte dauerhaft in den Strahlengang des Messstrahls eingebunden, und somit auch während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses von den Messstrahl dauerhaft durchlaufen, so kann der Anteil der Reflexion an der Oberseite und an der Unterseite der Platte entsprechend reduziert gewählt werden, beispielsweise im Bereich von 2 % bis 8 %, vorzugsweise bei 4 %. Die Verwendung eines optischen Schutzglases geringer Dicke empfiehlt sich insbesondere dann, wenn dieses dauerhaft im Strahlengang angeordnet ist, d. h. auch während der Bearbeitung. Wird jedoch das optische Element derart angeordnet, dass es nicht dauerhaft im Strahlengang liegt, wie nachfolgend noch im Detail erläutert, kann es auch mit größerer Materialstärke ausgebildet werden.
Es ist im Rahmen der Erfindung grundsätzlich darauf zu achten, dass die durch die Platte hervorgerufenen Interferenzeffekte bei der tatsächlichen Überwachung des Bearbeitungsprozesses über den optischen Kohärenztomographen berücksichtigt werden, sodass das Überwachungsergebnisses nicht verfälscht wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass sich bei der Kalibrierung kurzzeitig der zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses genutzte optische Kohärenztomograph auf die an dem optischen Element entstehenden Interferenzeffekte „konzentriert“. Beispielsweise lässt sich kurzzeitig der Fokuspunkt der Bearbeitungsstrahloptik verstellen, wodurch der Bearbeitungsstrahl von der Werkstückoberfläche nicht mehr oder nur noch in sehr geringem Maße zurück zum Kohärenztomographen reflektiert wird.
Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das optische Element von einer im Strahlengang des Messstrahls angeordneten Komponente einer Messstrahloptik oder von einer Komponente der Bearbeitungsstrahloptik gebildet ist. So ist es beispielsweise möglich, ein bereits in der Messstrahloptik strahlabwärts der beweglichen Ablenkeinrichtung angeordnetes Schutzglas oder ein in der Bearbeitungsstrahloptik angeordnetes Schutzglas oder ein anderweitiges optisches Element, wie beispielsweise eine Linse, bei dem Reflexionseffekte auftreten, als optisches Element im Sinne der vorliegenden Erfindung zur Interferenzerzeugung zu verwenden.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann - wie vorstehend bereits angedeutet - vorgesehen sein, dass das optische Element dauerhaft im Strahlengang des Messstrahls während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses angeordnet ist. Dies ermöglicht ohne großen gerätetechnischen Aufwand die Durchführung von Interferenzmessungen der vorstehend beschriebenen Art.
Alternativ zu einer dauerhaften Anordnung des optischen Elements sieht eine Ausführungsvariante der Erfindung vor, dass das optische Element an einer Position und in einer Ausrichtung derart angeordnet ist, dass das optische Element während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses außerhalb des Strahlengangs des Messstrahls liegt und das der Messstrahl mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung gezielt auf das optische Element ausrichtbar ist. So lässt sich beispielsweise garantieren, dass das optische Element im Rahmen eines Normalbetriebs die Überwachung des Bearbeitungsprozesses nicht beeinträchtigt, weil bereits am optischen Element ein Teil des Messstrahls reflektiert wird und somit nicht mehr für eine Tiefenmessung am Bearbeitungsprozess nutzbar ist. Darüber hinaus können dadurch Verfälschungen des Überwachungsergebnisses hinsichtlich des Bearbeitungsprozesses, die bei korrekter Ausrichtung am optischen Element infolge der beschriebenen Interferenzeffekte auftreten können, ausgeschlossen werden. Bei dieser Ausführungsvariante wird der Messstrahl lediglich dann auf das optische Element gerichtet, wenn eine Überprüfung der Positionierungsgenauigkeit durch die bewegliche Ablenkeinrichtung durchgeführt und nach Maßgabe dessen eine entsprechende Kalibrierung vorgenommen wird. In diesem Zusammenhang ist es möglich, das optische Element beispielsweise in einer bestimmten Winkelneigung zur optischen Achse fest zu positionieren, beispielsweise in einem Winkel von 1° bis 5°.
Eine weitere Alternative der Erfindung sieht vor, dass das optische Element wahlweise zwischen einer ersten Position, an der es während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses im Strahlengang des Messstrahls angeordnet ist, und einer zweiten Position verlagerbar ist, an der es während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses außerhalb des Strahlengangs des Messstrahls angeordnet ist. Diese Erfindungsvariante zielt ebenfalls darauf ab, das optische Element dann und nur dann in den Strahlengang des Messstrahls zu bewegen und in einer vorbestimmten Stellung zu halten, um eine Interferenzmessung vornehmen zu können, wenn eine Kalibrierung der beweglichen Ablenkvorrichtung gewünscht ist. Im Rahmen des Normalbetriebs, d. h. bei der Überwachung des Bearbeitungsprozesses, ist das optische Element an die Position außerhalb des Strahlengangs des Messstrahls verlagert. Das optische Element kann beispielsweise mit einem elektromechanischen Stellglied und einer Linearführung verlagert werden.
Ferner sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass dem optischen Element ein optisches Zielobjekt zugeordnet ist, auf das der Messstrahl trifft, wenn er außerhalb der Überwachung des Bearbeitungsprozesses auf das optische Element trifft. Mit anderen Worten kann ein bestimmtes Kalibrier-Zielobjekt bereitgestellt werden, mit dem eine zuverlässige Kalibrierung durchgeführt wird.
Hinsichtlich der Auswertung sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass der optische Kohärenztomograph dazu ausgebildet ist, anhand der am optischen Element reflektierten Messstrahlanteile eine Ausrichtung des Messstrahls relativ zum optischen Element zu ermitteln und nach Maßgabe der ermittelten Ausrichtung erforderlichenfalls eine Korrektur der Steuerung der beweglichen Ablenkeinrichtung vorzunehmen. So kann der optische Kohärenztomograph und eine diesem zugeordnete Steuerungseinrichtung selbsttätig eine Kalibrierung der beweglichen Ablenkeinrichtung vornehmen und etwaige Abweichungen kompensieren, die beispielsweise durch Temperaturschwankungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, durch Verschleiß oder durch Toleranzen an den eingebundenen mechanischen Komponenten ausgelöst werden.
Wahlweise kann das optische Element in der Messvorrichtung oder in der Bearbeitungsvorrichtung angeordnet sein. So ist es möglich, den optischen Kohärenztomographen mit der Messvorrichtung als separate Einheit auszubilden und diese Einheit bereits mit dem optischen Element auszurichten, um die Kalibrierfunktion darin vollständig zu implementieren. Alternativ ist es aber auch möglich, dass optische Element für die erfindungsgemäßen Interferenzmessungen zur Kalibrierung in der Bearbeitungsvorrichtung in oder nahe der Bearbeitungsoptik vorzusehen, um etwaige zusätzliche Komponenten, die zu einer Verfälschung des Überwachungsergebnisses führen können, mit zu berücksichtigen, beispielsweise die optische Schnittstelle zwischen der Messvorrichtung und der Bearbeitungsvorrichtung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Durchführen und Überwachen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, vorzugsweise mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

- Erzeugen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, der eine optische Achse aufweist,
- Projizieren und/oder Fokussieren des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück,
- Erzeugen eines Messstrahls in einem optischen Kohärenztomographen, der über eine bewegliche Ablenkeinrichtung ablenkbar und zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses den Bearbeitungsstrahl einkoppelbar ist,
- Bereitstellen zumindest eines teilweise reflektierenden optischen Elements,
- Ausrichten des Messstrahls mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung auf das optische Element, und
- Auswerten der an dem optischen Element reflektierten Messstrahlanteile im optischen Kohärenztomographen zur Überprüfung der Ausrichtung des Messstrahls durch die bewegliche Ablenkeinrichtung.

Es versteht sich, dass dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Kalibrierung der beweglichen Ablenkeinrichtung ein entsprechender Kompensationsschritt nachgelagert werden kann, bei dem eine Abweichung des Messstrahls von seiner Solllage, die bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren im Rahmen der Auswertung ermittelt wird, kompensiert wird. Mit anderen Worten sieht das erfindungsgemäße Verfahren optional ferner vor, dass der optische Kohärenztomograph anhand der am optischen Element reflektierten Messstrahlanteile eine Ausrichtung des Messstrahls relativ zum optischen Element ermittelt und nach Maßgabe der ermittelten Ausrichtung erforderlichenfalls eine Korrektur der Steuerung der beweglichen Ablenkeinrichtung vornimmt.
Gemäß dem vorstehenden Verfahren kann das optische Element dauerhaft im Strahlengang des Messstrahls während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses angeordnet sein. Alternativ ist es gemäß dem vorstehenden Verfahren auch möglich, dass das optische Element an einer Position und in einer Ausrichtung derart angeordnet ist, das optische Element während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses außerhalb des Strahlengangs des Messstrahls liegt und dass der Messstrahl mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung gezielt auf das optische Element ausgerichtet wird. Als weitere Alternative ist es erfindungsgemäß im Rahmen des Verfahrens möglich, dass das optische Element wahlweise zwischen einer ersten Position, an der es während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses im Strahlengang des Messstrahls angeordnet ist, und einer zweiten Position bewegt wird, an der es während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses außerhalb des Strahlengang des Messstrahls angeordnet ist.
Ferner kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass dem optischen Element ein optisches Zielobjekt zugeordnet ist, auf das der Messstrahl ausgelenkt wird, wenn er außerhalb der Überwachung des Bearbeitungsprozesses auf das optische Element trifft.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ferner darauf hinzuweisen, dass üblicherweise bei scannenden optischen Kohärenztomograph-Systemen der OCT-Sensor, also das eigentliche Messsystem des optischen Kohärenztomographen, der die eigentliche Tiefenmessung an der Bearbeitungsstelle des Werkstücks durchführt, mit dem OCT-Scanner, also der beweglichen Ablenkeinrichtung, der den Messstrahl ablenkt, synchronisiert werden.
Hierzu gibt es verschiedene Ansätze:

1. Der OCT-Sensor ist freilaufend und sendet nach jeder Tiefenmessung ein Triggersignal an den OCT-Scanner, damit dieser an die nächste Position einer vorgegebenen Scanfigur, beispielsweise einer Linie fährt.
2. Der OCT-Sensor ist freilaufend und sendet an den OCT-Scanner ein Startsignal. Der OCT-Scanner scannt nun freilaufend/selbständig eine vorgegebene Linie ab und wartet auf das nächste Startsignal sobald die Linie abgelaufen ist. Während des Scans der vorgegebenen Linie erfasst der OCT-Sensor mit einer festen Frequenz Höhenmessungen.
3. Der OCT-Scanner ist freilaufend und sendet an den OCT-Sensor für jede Höhenmessung ein Triggersignal.
4. Der OCT-Scanner ist freilaufend und sendet an den OCT-Sensor ein Startsignal damit dieser selbstständig eine feste Anzahl von Aufnahmen durchführt und dann wieder auf das nächste Startsignal wartet.
5. Ein eigener Mikrocontroller oder ein FPGA (Field Programmable Gate Array) kennt die zu messende vorgegebene Scanfigur und überwacht die Encodersignale der Scannermotoren, d. h. der mechanischen Stellglieder für die bewegliche Ablenkeinrichtung. Sobald die Encoder einen XY-Wert erreicht haben der auf der Scanfigur liegt wird eine Höhenmessung ausgelöst.

Es versteht sich, dass der Gegenstand der Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale können vom Fachmann beliebig kombiniert werden, ohne dabei vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:

1 eine Übersichtsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück;
2 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines optischen Kohärenztomographen;
3 eine schematische Ansicht einer Schweißnaht zur Erläuterung der Erfindung;
4 eine schematische Ansicht zur Darstellung der Reflexion des Messstrahls an einem als dünne Platte ausgebildeten optischen Element bei fehlender Kalibrierung der beweglichen Ablenkeinrichtung;
5 eine schematische Ansicht zur Darstellung der Reflexion des Messstrahls an einem als dünne Platte ausgebildeten optischen Element nach korrekter Kalibrierung der beweglichen Ablenkeinrichtung;
6 eine Übersichtsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück; und
7 eine Übersichtsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück;

1 zeigt eine Gesamtanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Vorrichtung 10 umfasst in dem gezeigten Beispiel eine Bearbeitungsvorrichtung 12 und eine mit der Bearbeitungsvorrichtung 12 verbundene Messvorrichtung 14.
Die Bearbeitungsvorrichtung 12 umfasst eine Bearbeitungsstrahlquelle 16 zum Erzeugen eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18. Eine Transportfaser bzw. ein Lichtleiter 20 verbindet die Bearbeitungsstrahlquelle 16 mit einer Bearbeitungsstrahloptik 22 der Bearbeitungsvorrichtung 12, um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 über eine Bearbeitungsstrahloptik-Schnittstelle 24 in die Bearbeitungsstrahloptik 22 einzukoppeln.
Der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 18 breitet sich ausgehend von der Bearbeitungsstrahloptik-Schnittstelle 24 aus und durchtritt in der Bearbeitungsstrahloptik 22 eine optische Anordnung 26, die in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine verlagerbare optische Komponente in Form einer Kollimationslinse 30. Die Kollimationslinse 30 ist in Richtung des Doppelpfeils 36 verlagerbar, d.h. in Richtung einer optischen Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18.
Im Anschluss an die Kollimationslinse 30 trifft der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 18 auf einen halbdurchlässigen Spiegel 38 und wird von diesem umgelenkt bzw. in Richtung einer Fokuslinse 40 reflektiert. Die Fokuslinse 40 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Richtung der gezeigten Pfeile 42, 43 quer zu der Richtung der optischen Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 verlagerbar. Es versteht sich, dass die Pfeile 42, 43 lediglich beispielhafte Verlagerungsrichtungen der Fokuslinse 40 darstellen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Fokuslinse 40 jedoch in beliebige Richtungen quer zu der optischen Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 verlagerbar ausgebildet sein. Ferner kann die Fokuslinse 40 in weiteren Ausführungsformen der Erfindung in Richtung der optischen Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 verlagerbar sein, um eine Brennebene des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls einzustellen.
Die Fokuslinse 40 fokussiert den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 auf ein zu bearbeitendes Werkstück W, das zwei entlang eines Hauptbearbeitungspfads (hier nicht gezeigt) miteinander zu verbindende Werkstückteile W', W'' umfasst. Aus 1 ist zu erkennen, dass zwischen den zu verbindenden Werkstückteilen W, W' ein Spalt S ausgebildet ist, der von dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 bzw. der damit erzeugten Schweißnaht zum Verbinden der Werkstückteile W', W' überbrückt werden muss.
Die mit der Bearbeitungsvorrichtung 12 verbundene Messvorrichtung 14 umfasst in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen optischen Kohärenztomographen 100. Der optische Kohärenztomograph 100 weist den bekannten Aufbau auf und ist in 1 nicht im Detail dargestellt.
Im Folgenden wird der optische Kohärenztomograph (OCT) 100 mit Bezug auf 2 näher beschrieben. Der optische Kohärenztomograph 100 umfasst eine Lichtquelle 102, beispielsweise in Form einer Superluminezenzdiode (SLD), die Licht im Bereich einer Wellenlänge von 830 nm aussendet. Über einen Lichtleiter 104 wird dieses Licht in ein Interferometer (Strahlteiler) 106 geleitet, über das das Licht im Beispielsfall zu etwa 50 % in einen optischen Leiter 108 (Messarm) geführt wird und zu etwa 50 % in einen optischen Leiter 110 (Referenzarm) geführt wird. Es sind auch andere Leistungsteilungen möglich, beispielsweise 80 % zu 20 %. Der optische Leiter 110 des Referenzarms ist verhältnismäßig lang ausgebildet und zur Einsparung von Bauraum auf einen Wickelkörper 112 aufgewickelt. Im Bereich des Wickelkörpers 112 ist optional ein Temperaturfühler 114 angeordnet, der über eine Steuerleitung 116 mit einer elektronischen Steuereinheit 118 verbunden ist und mit dem die aktuelle Temperatur des optischen Leiters 110 des Referenzarms ermittelt werden kann.
Über den optischen Leiter 110, der auch als Referenzarmfaser bezeichnet werden kann, wird das Licht einer Längenausgleichsvorrichtung 120 zugeführt. Diese umfasst zwei Kollimationslinsen 122, 124 sowie einen Spiegel 126, der über einen Motor M gemäß dem Pfeil 128 verlagerbar ist. Der Motor M wird über die elektronische Steuereinheit 118 angesteuert.
Ferner umfasst der optische Kohärenztomograph 100 ein Spektrometer 130, das mit einer Recheneinheit 132 signaltechnisch über eine Leitung 134 verbunden ist. Das Spektrometer 130 ist über einen optischen Leiter 136 mit dem Interferometer 106 verbunden.
Der optische Leiter 108 bildet einen Teil des Messarms und wird als Messarmfaser bezeichnet. Dieser erstreckt sich ausgehend von dem Interferometer 106 zunächst im Schaltschrank S, verlässt diesen an der Schnittstelle 140 und verläuft über einen verhältnismäßig langen Abschnitt 46 (1) hin zu der Messvorrichtung 14. Der optische Leiter 108 führt das Licht des Messstrahls 44. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass eine mit der Schnittstelle 140 vergleichbare Schnittstelle 50 der Messarmfaser 40 nahe ihrem anderen Ende in der Nähe des Bearbeitungskopfs 12 an der Messvorrichtung 14 vorgesehen ist.
Der optische Kohärenztomograph (OCT) 100 umfasst insbesondere ein OCT-Messgerät mit einer Messstrahlquelle zum Erzeugen eines Messstrahls 44 sowie ein Spektrometer zum Detektieren einer einem Referenzstrahl überlagerten Messstrahlung. Näheres kann dem Stand der Technik entnommen werden.
Der Lichtleiter 46 verbindet den optischen Kohärenztomographen 100 mit einer Messstrahloptik 48 der Messvorrichtung 14, um den Messstrahl 44 über eine Messstrahloptik-Schnittstelle 50 in die Messstrahloptik 48 einzukoppeln.
Der Messstrahl 44 breitet sich ausgehend von der Messstrahloptik-Schnittstelle 50 aus und durchtritt in der Messstrahloptik 48 eine Kollimationslinse 52. Anschließend trifft der Messstrahl 44 in der Messstrahloptik 48 auf eine bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung 54, die in Form eines Galvanometerscanners ausgebildet ist, der sich in Richtung der Pfeile 56, 58 bewegen lässt, um den Messstrahl 44 in gewünschter Weise abzulenken und auf unterschiedliche Messpunkte auf dem Werkstück zu verlagern. Alternativ dazu kann die Messstrahlablenkeinrichtung 54 auch in Form einer sonstigen verlagerbaren optischen Komponente ausgebildet sein, wie beispielsweise in Form eines Taumelspiegels, einer rotierenden Keilplatte oder ähnlichem. Die vorliegende Erfindung beschäftigt maßgeblich mit einer korrekten Kalibrierung der Ablenkeinrichtung 54. Hierauf wird im Folgenden im Detail eingegangen.
Die Bearbeitungsstrahloptik 22 und die Messstrahloptik 48 sind über eine gemeinsame Schnittstelle 60 verbunden. Über diese gemeinsame Schnittstelle 60 wird der Messstrahl 44 nach dem Ablenken durch die Messstrahlablenkeinrichtung 54 in die Bearbeitungsstrahloptik 22 eingekoppelt. Genauer gesagt trifft der Messstrahl 44 in der Bearbeitungsstrahloptik 22 zunächst auf eine dünne teilweise reflektierende und teilweise durchlässige Glasplatte 28 mit planparallelen Oberflächen und durchtritt diese mit einem nicht reflektierten Messstrahlanteil. Dann trifft der Messstrahl 44 auf den halbdurchlässigen Spiegel 38, den er wiederum durchtritt, wobei der Messstrahl 44 in den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 eingekoppelt wird. Da der halbdurchlässige Spiegel 38 in Bezug auf die Wellenlängenbereiche des Messstrahls 44 durchlässig ist, beeinflusst dieser den Messstrahl 44 nicht. Eine koaxiale Einkopplung des Messstrahls 44 in den Bearbeitungsstrahl 18 ist zur Erzielung guter Messergebnisse vorgegeben, wobei eine solche koaxiale Einkopplung allerdings nur dann gegeben ist, wenn die Ablenkeinrichtung 54 korrekt kalibriert und ausgerichtet ist. Im Falle von Abweichungen der Solllage von der Istlage der Ablenkeinrichtung 54 ist eine koaxiale Einkopplung des Messstrahls 44 in den Bearbeitungsstrahl 18 nicht möglich, worauf im Folgenden noch im Detail eingegangen wird.
Nach dem Durchtreten des halbdurchlässigen Spiegels 38 durchläuft der Messstrahl 44 gemeinsam mit dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 die verlagerbare Fokuslinse 40 und trifft anschließend auf das zu bearbeitende Werkstück W.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist beispielsweise dazu eingerichtet, mittels des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 eine Kehlnaht an dem in 1 gezeigten Überlappstoß zwischen den Werkstückteilen W', W'' auszubilden, d.h. entlang des Hauptbearbeitungspfads, um diese miteinander zu verbinden. Dabei muss gleichzeitig der Spalt S zwischen den Werkstückteilen W', W'' von dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 überbrückt werden, um eine optimale Schweißverbindung sicherzustellen.
Zum Erfassen des weiteren Bereichs kann die Messstrahlablenkeinrichtung 54 den Messstrahl 44 in einem bestimmten Abstand zu dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf verschiedene Messpunkte quer zum Hauptbearbeitungspfad verlagern. Somit kann der Messstrahl 44 mehrere Messpunkte abtasten, wodurch die Messvorrichtung 14 beispielsweise die Spaltbreite und die Position des Überlappstoßes zwischen den Werkstückteilen W', W'' ermitteln kann. Es versteht sich, dass die Messstrahlablenkeinrichtung 54 den Messstrahl 44 zusätzlich auf weitere Bereiche hinter und/oder in dem aktuellen Bearbeitungsbereich verlagern kann, um dort verschiedene Messpunkte abzutasten und so den Bearbeitungsprozess zu überwachen. Maßgeblich ist dabei aber, dass die Messstrahlablenkeinrichtung 54 den Messstrahl exakt in der gewünschten Solllage positionieren kann. Wie vorstehend bereits angedeutet, bedeutet dies in der Regel eine koaxiale Ausrichtung des Messstrahls 44 mit dem Bearbeitungsstrahl 18, oder gezielte anderweitige Ausrichtungen. Im Falle einer Abweichung kommt es aber zu einem Phänomen, das im folgenden an der 3 erläutert wird.
3 zeigt schematisiert dargestellt eine Schweißnaht 62, wobei dass durch den Bearbeitungsstrahl erhitzte Schmelzebad 64 mit einem Zentrum 68 als Key-Hole dargestellt ist. In der Regel befindet sich das Zentrum 68 Schmelzbads 64 an dem Auftreffpunkt der optischen Achse 34 des Bearbeitungsstrahls 44. Ferner ist schematisch ein Auftreffpunkt 66 des Messstrahls 44 gezeigt. Man erkennt, dass der Auftreffpunkt 66 des Messstrahls 44 auf dem Werkstück nicht mit dem Zentrum 68 des Bearbeitungsstrahls zusammenfällt, sondern um den Versatz V abweicht. Dies bedeutet, dass der Messstrahl 44 nicht unmittelbar Key-Hole die Tiefe messen kann und somit eine unzureichende Messung erfolgt. Der Versatz V ergibt sich insbesondere daraus, dass die Ablenkeinrichtung 54 den Messstrahl 44 nicht korrekt ausrichtet. Dies mag an Temperaturschwankungen und daraus resultierenden Abweichungen der mechanischen Stellglieder und Lagerungen von ihrer Solllage, Verschleiß, Toleranzen, oder dergleichen liegen. Um den Versatz V auszugleichen, ist eine regelmäßige Kalibrierung der Ablenkeinrichtung 54 erforderlich.
Hierzu ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel das optische Element 28 vorgesehen, dessen Funktionsweise mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben ist. Wie bereits erläutert, handelt es sich in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 bei dem optischen Element 28 um eine dünne planparallele Glasplatte mit einer Dicke von etwa 0,2 mm, die an ihrer Oberseite 70 teilreflektierend, beispielsweise mit einem Reflexionsanteil von 4% und die an ihrer Unterseite 72 ebenfalls teilreflektierend wiederum mit einem Reflexionsanteil von etwa 4% ausgebildet ist.
Man erkennt, dass der Bearbeitungsstrahl 44 nicht senkrecht auf die Oberseite 70 auftrifft, sondern einem Einfallwinkel α, von beispielsweise 85°. Demnach wird ein Teil 44₁ des Bearbeitungsstrahls 44 mit dem gleichen Ausfallwinkel zurück reflektiert. Etwa 96% des Bearbeitungsstrahls 44 tritt jedoch durch die Oberseite 70 in das optische Element 28 ein. Der Einfachheit halber sind Brechungseffekte beim Eintritt und Austritt in das optische Element 28 hier nicht näher dargestellt. Von dem eintretenden Anteil des Bearbeitungsstrahls 44 wird an der Unterseite 72 wieder ein Anteil 44₂ von etwa 4% reflektiert. Mehrfachreflexionen sollen der Einfachheit ebenfalls unberücksichtigt bleiben. Der restliche Anteil 44₃ des Bearbeitungsstrahls 44 wird zur Messung am Werkstück genutzt.
Das optische Element ist derart im Strahlengang angeordnet, dass bei einer exakten Ausrichtung der Ablenkeinrichtung 54 der Bearbeitungsstrahl 44 senkrecht auf die Oberflächen 70,72 des optischen Elements 28 trifft. In diesem Fall ergeben sich die Verhältnisse, wie in 5 dargestellt. Dabei werden die beiden Messstrahlanteile 44₁ und 44₂ an der Oberseite 70 und Unterseite 72 ebenfalls senkrecht reflektiert, d. h. sie werden in exakt der Richtung des einfallenden Messstrahls zurück reflektiert, sodass sie sich überlagern. Dadurch kommt es zu aus- bzw. verwertbaren Interferenzen dieser Strahlen, wie in 5 durch die Wellenlinie 44₁ dargestellt. Durch geeignete Wahl der Materialstärke des optischen Elements 28 in Abstimmung auf die Wellenlänge des Messstrahls 44 lassen sich diese Interferenzeffekte im optischen Kohärenztomographen 100 erfassen. Liegt hingegen eine Situation vor, wie in 4 dargestellt, bei der der Bearbeitungsstrahl 44 nicht senkrecht auf das optische Element 28 trifft und demnach die reflektierten Anteile 44₁ und 44₂, sich nicht überlagern, so lassen sich am optischen Kohärenztomographen 100 keine Interferenzeffekte feststellen. Mit anderen Worten ist es anhand des optischen Elements 28 möglich, festzustellen, ob am optischen Element 28 Interferenzen auftreten oder nicht. Dies geht unmittelbar Rückschluss darauf, ob die Messstrahlablenkeinrichtung 54 korrekt ausgerichtet und kalibriert ist oder nicht.
Werden in einem Messzyklus keine entsprechenden Interferenzeffekte festgestellt, so kann darauf geschlossen werden, dass die Messstrahlablenkeinrichtung 54 kalibriert werden muss. Es ist dann erfindungsgemäß möglich, eine korrekte Ausrichtung der Messstrahlablenkeinrichtung 54 zu suchen, d. h. diese so lange zu kalibrieren, bis Interferenzeffekte durch Überlagerung der reflektierten Anteile 44₁ und 44₂ festgestellt werden. Dann kann davon ausgegangen werden, dass eine korrekte Kalibrierung der Messstrahlablenkeinrichtung 54 gegeben ist.
Mit der Erfindung ist es demnach möglich, durch Anordnen des optischen Elements 28 im Strahlengang des Messstrahls 44 eine einfache Möglichkeit zu schaffen, um den die Messstrahlablenkeinrichtung 54 zu kalibrieren.
Es sei angemerkt, dass das optische Element 28 in seiner Gestaltung und seinem Material so gewählt werden muss, dass dadurch die eigentliche Tiefenmessung durch den optischen Kohärenztomographen 100 am Werkstück nicht oder allenfalls unwesentlich beeinträchtigt wird. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das optische Element 28 in Form einer sehr dünnen Kalibrierscheibe mit einer Stärke von etwa 0,2 mm ausgebildet wird. Der Laufzeitunterschied zwischen der Oberseite 70 und der Unterseite 72 wird dadurch relativ gering gehalten. Ein daraus resultierendes Messsignal der Interferenzmessung fällt somit in einen Bereich des Messspektrums des optischen Kohärenztomographen 100, der das Messergebnis der Tiefenmessung am Werkstück nicht beeinträchtigt.
Ferner sei angemerkt, dass in einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 1 das optische Element 28 auch innerhalb der Messstrahloptik 48 angeordnet sein kann, statt dieses innerhalb der Bearbeitungsstrahloptik 22 anzuordnen, beispielsweise unmittelbar vor der Schnittstelle 60. Dadurch kann die Kalibrierfunktion unmittelbar in der Messvorrichtung 14 vorgesehen sein.
6 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 1. Bei dieser Abwandlung ist vorgesehen, das optische Element 28 gemäß dem Doppelpfeil 74 geführt verlagerbar anzuordnen, und zwar zwischen der mit durchgezogene Linie gezeigten Position, bei der sich das optische Element 28 im Strahlengang des Messstrahls 44 befindet, und einer mit Strichlinie gezeigten Position 28', bei der das optische Element vollständig aus dem Strahlengang des Messstrahls 44 heraus verlagert ist. Die Verlagerung kann entlang exakter Linearführungen mit geringem Spiel erfolgen. So ist es möglich, das optische Element 28 nur dann in dem Strahlengang des Messstrahls 44 zu positionieren, wenn eine Kalibrierung erfolgt. Im Normalbetrieb der Anordnung wird das optische Element 28 aus dem Strahlengang des Messstrahls 44 heraus verlagert, sodass eventuelle Störeinflüsse durch die am optischen Element 28 entstehenden Interferenzen auf die Tiefenmessung am Werkstück ausgeschlossen werden können. Für den Kalibriervorgang wird hingegen das optische Element 28 in den Strahlengang hinein verlagert, sodass die daran entstehenden Interferenzeffekte genutzt werden können, um die Kalibrierung der Messstrahlablenkeinrichtung 54 durchführen zu können.
7 zeigt eine weitere Abwandlung der Ausführungsform gemäß 1. Bei dieser Abwandlung ist vorgesehen, das optische Element 28 permanent neben dem für eine Tiefenmessung am Werkstück üblichen Verlauf des Messstrahls 44 in einer um einen Winkel β angewinkelten Lage anzuordnen. Der Winkel β ist so gewählt, dass der Messstrahl mit seiner optischen im Falle einer Auslenkung durch die Messstrahlablenkeinrichtung 54 auf das optische Element 28 zu Kalibrierung senkrecht auf dieses auftrifft, sodass die mit Bezug auf 5 erläuterten Interferenzeffekte auftreten. Zur Kalibrierung wird also die Messstrahlablenkeinrichtung 54 derart weit verlagert, dass sie den Messstrahl 44 auf das optische Element 28 ausrichtet und so lange kalibriert wird, bis über den optischen Kohärenztomographen 100 die Interferenzeffekte erfasst werden können. Im Normalbetrieb, d. h. bei der Tiefenmessung am Werkstück, liegt das optische Element 28 außerhalb des Verlaufs des Messstrahls 44 und beeinträchtigt somit die Tiefenmessung nicht.
Auch für die Ausführungsform gemäß 7 gilt, wie auch für die voranstehend beschriebenen Ausführungsform gemäß 6,dass das optische Element 28 wahlweise in der Bearbeitungsstrahloptik 22, wie gezeigt, oder auch im Gehäuse der Messstrahloptik 48 angeordnet werden kann.
Es versteht sich, dass die zuvor erläuterten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung nicht abschließend sind und den Gegenstand der Erfindung nicht beschränken. Insbesondere ist für den Fachmann ersichtlich, dass er weitere optische Komponenten in die Bearbeitungsvorrichtung und/oder die Messvorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung integrieren, einzelne beschriebene Komponenten weglassen und/oder die Anordnung bestimmter optischer Komponenten verändern kann, ohne dabei vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung (10) zum Durchführen und Überwachen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück (W) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), wobei die Vorrichtung (10) umfasst: - eine Bearbeitungsvorrichtung (12), mit einer Bearbeitungsstrahlquelle (16) zum Erzeugen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), der eine optische Achse (34) aufweist, und einer Bearbeitungsstrahloptik (22), um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (18) auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück (W) zu projizieren und/oder zu fokussieren, - einen optischen Kohärenztomographen, OCT, (100) zur Erzeugung eines Messstrahls (44), und - eine als OCT-Scanner ausgebildete bewegliche Ablenkeinrichtung (54), über die der Messstrahl (44) ablenkbar und zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses in die Bearbeitungsstrahloptik (22) einkoppelbar ist, wobei bei der Bearbeitung des Werkstücks der Messstrahl (44) in einer vorbestimmten Ausrichtung zu dem Bearbeitungsstrahl (18) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ferner ein zumindest teilweise reflektierendes optisches Element (28) umfasst, auf das der Messstrahl (44) mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung (54) ausrichtbar ist, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, dass der Messstrahl (44) mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung (54) auf das zumindest teilweise reflektierende optische Element (28) ausgerichtet wird, und dazu, dass Interferenzeffekte zwischen an dem optischen Element (28) reflektierten Messstrahlanteilen im optischen Kohärenztomographen (100) zur Überprüfung der Ausrichtung des Messstrahls (44) mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung (54) ausgewertet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (28) von einer Glasplatte mit parallelen Oberflächen (70, 72), vorzugsweise von einem beschichteten oder unbeschichteten optischen Schutzglas, sowie vorzugsweise mit einer geringen Dicke, beispielsweise von 0,1mm bis 2mm, gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (28) von einer im Strahlengang des Messstrahls (44) angeordneten Komponente einer Messstrahloptik oder von einer Komponente der Bearbeitungsstrahloptik (22) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (28) dauerhaft im Strahlengang des Messstrahls (44) während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (28) an einer Position und in einer Ausrichtung derart angeordnet ist, das optische Element während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses außerhalb des Strahlengangs des Messstrahls (44) liegt und das der Messstrahl (44) mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung (54) gezielt auf das optische Element (28) ausrichtbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (28) wahlweise zwischen einer ersten Position, an der es während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses im Strahlengang des Messstrahls (44) angeordnet ist, und einer zweiten Position verlagerbar ist, an der es während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses außerhalb des Strahlengangs des Messstrahls (44) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem optischen Element (28) ein optisches Zielobjekt zugeordnet ist, auf das der Messstrahl (44) trifft, wenn er außerhalb der Überwachung des Bearbeitungsprozesses auf das optische Element trifft.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kohärenztomograph (100) dazu ausgebildet ist, anhand des am optischen Element (28) reflektierten Messstrahlanteils eine Ausrichtung des Messstrahls (44) relativ zum optischen Element (28) zu ermitteln und nach Maßgabe der ermittelten Ausrichtung erforderlichenfalls eine Korrektur der Steuerung der beweglichen Ablenkeinrichtung (54) vorzunehmen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (28) in der Messvorrichtung (14) oder in der Bearbeitungsvorrichtung (22) angeordnet ist.
Verfahren zum Durchführen und Überwachen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück (W) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), vorzugsweise mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Erzeugen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), der eine optische Achse (34) aufweist, - Projizieren und/oder Fokussieren des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück (W), - Erzeugen eines Messstrahls (44) in einem optischen Kohärenztomographen, OCT, - Ablenken des Messstrahls (44) über eine als OCT-Scanner ausgebildete bewegliche Ablenkeinrichtung (54) und Einkoppeln des Messstrahls (44) in den Bearbeitungsstrahl (18) zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses, - Bereitstellen zumindest eines teilweise reflektierenden optischen Elements (28), - Ausrichten des Messstrahls (44) mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung (54) auf das optische Element (28), und - Auswerten von an dem optischen Element (28) reflektierten Messstrahlanteilen im optischen Kohärenztomographen (100) zur Überprüfung der Ausrichtung des Messstrahls (44) durch die bewegliche Ablenkeinrichtung (54) anhand von Interferenzeffekten.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, das optische Element (28) dauerhaft im Strahlengang des Messstrahls (44) während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element an einer Position und in einer Ausrichtung derart angeordnet ist, das optische Element während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses außerhalb des Strahlengangs des Messstrahls (44) liegt und dass der Messstrahl (44) mittels der beweglichen Ablenkeinrichtung (54) gezielt auf das optische Element ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element wahlweise zwischen einer ersten Position, an der es während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses im Strahlengang des Messstrahls (44) angeordnet ist, und einer zweiten Position bewegt wird, an der es während der Überwachung des Bearbeitungsprozesses außerhalb des Strahlengang des Messstrahls (44) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem optischen Element (28) ein optisches Zielobjekt zugeordnet ist, auf das der Messstrahl (44) ausgelenkt wird, wenn er außerhalb der Überwachung des Bearbeitungsprozesses auf das optische Element trifft (28).
Verfahren nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kohärenztomograph (100) anhand des am optischen Element (28) reflektierten Messstrahlanteils eine Ausrichtung des Messstrahls (44) relativ zum optischen Element (28) ermittelt und nach Maßgabe der ermittelten Ausrichtung erforderlichenfalls eine Korrektur der Steuerung der beweglichen Ablenkeinrichtung (54) vornimmt.