DE102019002942A1 - Measuring device and method for performing optical coherence tomography with a coherence tomograph - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, insbesondere für ein Bearbeitungssystem (12, 12') zum Bearbeiten eines Werkstücks (14, 14') mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (16, 16'), wobei die Messvorrichtung (10, 10') einen optischen Kohärenztomographen (18, 18') aufweist, der umfasst: eine Strahlerzeugungseinheit (20, 20') zur Erzeugung eines Messstrahls (22, 22') und eines Referenzstrahls (24, 24'); einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit (20, 20') erstreckenden Messarm (26, 26'), in dem der Messstrahl (22, 22') optisch führbar ist, sodass dieser auf ein Messobjekt (28, 28') projizierbar ist; und einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit (20, 20') erstreckenden Referenzarm (30, 30'), in dem der Referenzstrahl (24, 24') optisch führbar ist und der den Messarm (26, 26') zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet, sodass der Messstrahl (22, 22') und der Referenzstrahl (24, 24') nach Durchlaufen des Messarms (26, 26') bzw. des Referenzarms (30, 30') zur Erzeugung eines Interferenzsignals überlagert werden können. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Messarm (26, 26') und der Referenzarm (30, 30') zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen optischen Faser (32, 32') verlaufen.The invention relates to a measuring device, in particular for a machining system (12, 12 ') for machining a workpiece (14, 14') by means of a high-energy machining beam (16, 16 '), the measuring device (10, 10') being an optical coherence tomograph ( 18, 18 '), comprising: a beam generating unit (20, 20') for generating a measuring beam (22, 22 ') and a reference beam (24, 24'); a measuring arm (26, 26 ') which extends from the beam generating unit (20, 20') and in which the measuring beam (22, 22 ') can be guided optically so that it can be projected onto a measuring object (28, 28'); and a reference arm (30, 30 ') extending from the beam generating unit (20, 20'), in which the reference beam (24, 24 ') can be guided optically and in which the measuring arm (26, 26') at least in its optical path length simulated so that the measuring beam (22, 22 ') and the reference beam (24, 24') can be superimposed after passing through the measuring arm (26, 26 ') or the reference arm (30, 30') to generate an interference signal. According to the invention, it is provided that the measuring arm (26, 26 ') and the reference arm (30, 30') run at least in sections in a common optical fiber (32, 32 ').
Description
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, insbesondere für ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, wobei die Messvorrichtung einen optischen Kohärenztomographen aufweist.The invention relates to a measuring device, in particular for a machining system for machining a workpiece by means of a high-energy machining beam, the measuring device having an optical coherence tomograph.
Optische Kohärenztomographen umfassen üblicherweise eine Strahlerzeugungseinheit zur Erzeugung eines Messstrahls und eines Referenzstrahls. Ferner weisen derartige optische Kohärenztomographen einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit erstreckenden Messarm, in dem der Messstrahl optisch führbar ist, sodass dieser auf ein Messobjekt projizierbar ist, und einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit erstreckenden Referenzarm auf, in dem der Referenzstrahl optisch führbar ist und der den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet, sodass der Messstrahl und der Referenzstrahl nach Durchlaufen des Messarms bzw. des Referenzarms zur Erzeugung eines Interferenzsignals überlagert werden können.Optical coherence tomographs usually include a beam generating unit for generating a measuring beam and a reference beam. Furthermore, such optical coherence tomographs have a measuring arm extending from the beam generating unit, in which the measuring beam can be guided optically so that it can be projected onto a measurement object, and a reference arm extending from the beam generating unit, in which the reference beam can be guided optically and the simulates the measuring arm at least in its optical path length, so that the measuring beam and the reference beam can be superimposed after passing through the measuring arm or the reference arm to generate an interference signal.
Zudem sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls bekannt, die beispielsweise bei Lasermaterialbearbeitungsprozessen Anwendung finden. Hierbei wird etwa ein hochenergetischer Laserbearbeitungsstrahls verwendet, um auf ein oder mehrere Werkstücke oder Werkstückteile einzuwirken, beispielsweise um diese miteinander zu verschweißen, Laserbohrungen einzubringen, Oberflächen zu bearbeiten etc. Die Vorrichtung kann dabei einen bewegbaren Bearbeitungskopf umfassen, der zum Beispiel von einem Industrieroboter getragen und relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück bewegbar sein kann. Derartige Vorrichtungen verfügen zudem über eine Bearbeitungsstrahloptik, mittels derer der Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück optisch führbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Werkstück relativ zu dem Bearbeitungskopf bewegbar sein.In addition, devices for machining a workpiece by means of a high-energy machining beam are known from the prior art, which devices are used, for example, in laser material machining processes. Here, for example, a high-energy laser processing beam is used to act on one or more workpieces or workpiece parts, for example to weld them together, to make laser holes, to process surfaces, etc. The device can include a movable processing head that is carried by an industrial robot, for example can be movable relative to a workpiece to be machined. Such devices also have processing beam optics, by means of which the processing beam can be guided optically onto the workpiece. Alternatively or additionally, the workpiece can also be movable relative to the machining head.
In entsprechenden Bearbeitungssystemen kann ein optischer Kohärenztomograph zum Einsatz kommen, dessen Messstrahl in die Bearbeitungsstrahloptik einkoppelbar ist. Hierdurch können die Bearbeitungsprozesse dreidimensional überwacht werden, indem zusätzlich zu einer üblichen zweidimensionalen Überwachung mittels Kameras oder dergleichen der Kohärenztomograph eingesetzt wird, um Höheninformationen während des Bearbeitungsprozesses zu erhalten, die beispielsweise eine Oberfläche des Werkstücks oder eine Tiefe eines beim Laserschweißen erzeugten Keyholes betreffen.In corresponding processing systems, an optical coherence tomograph can be used, the measuring beam of which can be coupled into the processing beam optics. This allows the machining processes to be monitored three-dimensionally by using the coherence tomograph in addition to conventional two-dimensional monitoring by means of cameras or the like in order to obtain height information during the machining process, for example relating to a surface of the workpiece or a depth of a keyhole generated during laser welding.
In diesem Fall kann es erforderlich sein, die optische Weglänge des Referenzarms an Änderungen der optischen Weglänge des Messarms anzupassen, beispielsweise wenn sich die optische Weglänge des Messarms aufgrund dessen ändert, dass sich der Abstand zwischen Bearbeitungsstrahloptik und dem bearbeiteten Werkstück ändert. Ebenso kann eine Dispersionsanpassung sinnvoll sein, um Dispersionsunterschieden zwischen Referenzarm und Messarm Rechnung zu tragen. Bezüglich solcher Anpassungen des Referenzarms wird beispielsweise auf die Dokumente
Um einen hohen Grad an Genauigkeit der mit dem optischen Kohärenztomographen durchgeführten Messungen zu erzielen, ist es grundsätzlich zielführend, die optischen Eigenschaften des Referenzarms und des Messarms einander möglichst genau anzugleichen, da andernfalls unerwünschte Laufzeitunterschiede und/oder Dispersionsunterschiede zwischen Messarm und Referenzarm auftreten können. Ein solches optisches Angleichen stellt jedoch in der Praxis eine große Herausforderung dar, da Referenzarm und Messarm unterschiedlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt sein können. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich der Referenzarm in einem ortsfesten Teil des optischen Kohärenztomographen befindet, ein Teil des Messarms jedoch zu einem bewegbaren Bearbeitungskopf oder dergleichen geführt ist und sich ggf. mit einem Roboterarm mitbewegt.In order to achieve a high degree of accuracy of the measurements carried out with the optical coherence tomograph, it is fundamentally expedient to match the optical properties of the reference arm and the measuring arm as precisely as possible, since otherwise undesirable differences in transit time and / or dispersion differences between the measuring arm and reference arm can occur. Such an optical matching, however, poses a great challenge in practice, since the reference arm and measuring arm can be exposed to different environmental influences. This applies in particular when the reference arm is located in a stationary part of the optical coherence tomograph, but part of the measuring arm is guided to a movable processing head or the like and possibly moves with a robot arm.
In
Ein anderer Ansatz, wie ihn
Ausgehend vom oben beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, Messarm und Referenzarm eines optischen Kohärenztomographen in einfacher und zuverlässiger Weise hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften aufeinander abzustimmen und insbesondere einen Einfluss von äußeren Bedingungen auf Messergebnisse zu reduzieren.Starting from the prior art described above, the present invention is therefore based on the object of coordinating the measuring arm and reference arm of an optical coherence tomograph in a simple and reliable manner with regard to their optical properties and, in particular, of reducing the influence of external conditions on measurement results.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.This object is achieved according to the invention by a measuring device with the features of claim 1 and with a method with the features of
Die Erfindung geht aus von einer Messvorrichtung der eingangs beschriebenen Art. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Messarm und der Referenzarm zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen optischen Faser verlaufen.The invention is based on a measuring device of the type described at the outset. According to the invention, it is proposed that the measuring arm and the reference arm run at least in sections in a common optical fiber.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Durchführung optischer Kohärenztomographie mit einem Kohärenztomographen, insbesondere zur Überwachung einer Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls. Bei dem optischen Kohärenztomographen kann es sich um den optischen Kohärenztomographen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:
- - Erzeugen eines Messstrahls und eines Referenzstrahls mittels einer Lichtquelle des optischen Kohärenztomographen;
- - optisches Führen des Messstrahls in einem Messarm derart, dass der Messstrahl auf ein Messobjekt projiziert wird; und
- - optisches Führen des Referenzstrahls in einem Referenzarm, der den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet, sodass der Messstrahl und der
- - Generating a measuring beam and a reference beam by means of a light source of the optical coherence tomograph;
- - Optical guidance of the measuring beam in a measuring arm in such a way that the measuring beam is projected onto a measuring object; and
- - Optical guidance of the reference beam in a reference arm, which simulates the measuring arm at least in its optical path length, so that the measuring beam and the
Referenzstrahl nach Durchlaufen des Messarms bzw. des Referenzarms zur Erzeugung eines Interferenzsignals überlagert werden können.Reference beam can be superimposed after passing through the measuring arm or the reference arm to generate an interference signal.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Messstrahl und der Referenzstrahl zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen optischen Faser optisch geführt werden.According to the invention, it is proposed that the measuring beam and the reference beam are optically guided at least in sections in a common optical fiber.
Die Erfindung ermöglicht es, die Auswirkung äußerer Einflüsse wie beispielsweise einer Umgebungstemperatur oder einer mechanischen Belastung auf Komponenten auf die Messergebnisse eines optischen Kohärenztomographen zu reduzieren. Dies wird erfindungsgemäß insbesondere dadurch erreicht, dass sich äußere Einflüsse gleichermaßen auf den Referenzarms und den Messarm auswirken. Ferner kann ein optischer Kohärenztomograph bereitgestellt werden, der mit einer einzelnen optischen Faser zur Ausbildung des Referenzarms und des Messarms versehen ist, sodass andernfalls auftretende Abweichungen zwischen optischen Fasern vermieden werden können. Darüber hinaus kann auf aufwändige Verfahren zur Kompensation von auftretenden Abweichungen zwischen den optischen Eigenschaften des Messarms und des Referenzarms zumindest weitgehend verzichtet werden, da deren optische Eigenschaften aufgrund der gemeinsamen optischen Faser im Wesentlichen identisch sind.The invention makes it possible to reduce the effect of external influences such as, for example, an ambient temperature or a mechanical load on components on the measurement results of an optical coherence tomograph. According to the invention, this is achieved in particular in that external influences affect the reference arm and the measuring arm equally. Furthermore, an optical coherence tomograph can be provided which is provided with a single optical fiber for forming the reference arm and the measuring arm, so that deviations between optical fibers that would otherwise occur can be avoided. In addition, complex methods for compensating for deviations that occur between the optical properties of the measuring arm and the reference arm can at least largely be dispensed with, since their optical properties are essentially identical due to the common optical fiber.
Der Referenzarm kann den Messarm auch bezüglich seiner Dispersion im Wesentlichen nachbilden.The reference arm can also essentially simulate the measuring arm with regard to its dispersion.
Der Messstrahl kann über eine Ablenkeinrichtung ablenkbar sein. Die Ablenkeinrichtung kann dabei beweglich sein. Hierbei kann es sich um eine Ablenkeinrichtung eines Bearbeitungskopfes des genannten Bearbeitungssystems handeln.The measuring beam can be deflected via a deflection device. The deflection device can be movable. This can be a deflection device of a machining head of the named machining system.
Die Strahlerzeugungseinheit kann einen Strahlteiler umfassen, der einen von der Lichtquelle kommenden Quellstrahl in den Messstrahl und den Referenzstrahl teilt. Der Strahlteiler kann den Quellstrahl in einem geeigneten Verhältnis in den Referenzstrahl bzw. den Messstrahl aufteilen. Aufgrund oftmals unvollständige Reflexion des Messstrahls am Messobjekt ist es hierbei zweckmäßig, dass ein größerer Teil des Quellstrahl auf den Messstrahl entfällt. Der Lichtweg, über den der Quellstrahl zu dem Strahlteiler führbar ist, ist in diesem Fall weder dem Referenzarm noch dem Messarm zuzuschlagen. Vielmehr erstrecken sich sowohl der Referenzarm als auch der Messarm insbesondere ausgehend von dem Strahlteiler. Vorzugsweise ist die Lichtquelle in einem ortsfesten Teil des optischen Kohärenztomographen angeordnet. The beam generating unit can comprise a beam splitter which splits a source beam coming from the light source into the measuring beam and the reference beam. The beam splitter can split the source beam into the reference beam or the measuring beam in a suitable ratio. Due to the often incomplete reflection of the measuring beam on the measuring object, it is useful here that a larger part of the source beam falls on the measuring beam. The light path over which the source beam can be guided to the beam splitter is in this case not to be added to either the reference arm or the measuring arm. Rather, both the reference arm and the measuring arm extend in particular starting from the beam splitter. The light source is preferably arranged in a stationary part of the optical coherence tomograph.
Dieser ortsfeste Teil kann zudem ein Spektrometer und/oder einen Zirkulator umfassen. Somit kann vorgesehen sein, dass der ortsfeste Teil des optischen Kohärenztomographen einen OCT-Sensor bildet.This stationary part can also comprise a spectrometer and / or a circulator. It can thus be provided that the stationary part of the optical coherence tomograph forms an OCT sensor.
Die gemeinsame optische Faser kann eine einzige gemeinsame optische Faser sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch mehrere gemeinsame optische Fasern vorgesehen sein, die beispielsweise in Reihe derart angeordnet sind, dass diese gemeinsam den optischen Weg des Referenzarms und des Messarms zumindest abschnittsweise definieren. Die zumindest eine gemeinsame optische Faser kann einen Großteil der Gesamtlänge des optischen Wegs des Referenzarms und/oder des Messarms umfassen. Die gemeinsame optische Faser kann gemäß einer Ausführungsform von einem ortsfesten Teil des optischen Kohärenztomographen zu dem Bearbeitungskopf führen. Ist der Bearbeitungskopf bewegbar ausgebildet, kann dessen Bewegung zu einer mechanischen Beanspruchung der optischen Faser führen, beispielsweise wenn diese aufgrund der Bewegung des Bearbeitungskopfes gekrümmt, gedehnt, gestaucht und/oder tordiert wird, wobei sich diese Bewegung der optischen Faser erfindungsgemäß gleichsam auf den Referenzarms und den Messarm auswirkt. Die optischen Eigenschaften des Referenzarms und des Messarms werden somit in gleicher Weise verändert, wenn die gemeinsame optische Faser einer mechanischen Belastung ausgesetzt ist. Selbiges gilt analog für andere äußere Einflüsse, wie beispielsweise für die Auswirkung einer Umgebungstemperatur auf den Referenzarm und den Messarm bzw. auf die gemeinsame optische Faser.The common optical fiber can be a single common optical fiber. In other embodiments of the invention, however, several common optical fibers can also be provided, for example in series in this way are arranged so that they jointly define the optical path of the reference arm and the measuring arm, at least in sections. The at least one common optical fiber can comprise a large part of the total length of the optical path of the reference arm and / or of the measuring arm. According to one embodiment, the common optical fiber can lead from a stationary part of the optical coherence tomograph to the processing head. If the processing head is designed to be movable, its movement can lead to mechanical stress on the optical fiber, for example if it is curved, stretched, compressed and / or twisted due to the movement of the processing head, this movement of the optical fiber according to the invention being applied to the reference arm and affects the measuring arm. The optical properties of the reference arm and the measuring arm are thus changed in the same way when the common optical fiber is exposed to mechanical stress. The same applies analogously to other external influences, such as for example the effect of an ambient temperature on the reference arm and the measuring arm or on the common optical fiber.
Ein zuverlässiger optischer Aufbau, der ein gemeinsames optisches Führen des Referenzstrahls und des Messstrahls in der gemeinsamen optischen Faser erlaubt, kann insbesondere dann bereitgestellt werden, wenn der optische Kohärenztomographen einen polarisierenden Strahlkombinierer umfasst, der derart angeordnet ist, dass der Messstrahl und der Referenzstrahl mit unterschiedlicher Polarisation in die gemeinsame Faser eingekoppelt werden. Der polarisierende Strahlkombinierer kann von der Strahlerzeugungseinheit aus betrachtet an einem proximalen Ende der gemeinsamen optischen Faser angeordnet sein. Insbesondere verlassen der Referenzstrahl und/oder der Messstrahl den Strahlteiler linear polarisiert. Der polarisierende Strahlkombinierer kann derart ausgebildet sein, dass er die Polarisationsrichtung des Messstrahls und/oder des Referenzstrahls verändert. Ferner kann der polarisierende Strahlkombinierer die Funktionen eines polarisierenden Strahlteilers übernehmen, wenn Referenzstrahl und Messstrahl durch die gemeinsame optische Faser zurücklaufen. Werden der Messstrahl und der Referenzstrahl in der gemeinsamen optischen Faser mit unterschiedlicher Polarisation geführt, kann deren Wechselwirkung innerhalb der gemeinsamen optischen Faser vorteilhaft reduziert werden, sodass das gemeinsame optische Führen in der gemeinsamen optischen Faser nicht zu fehlerhaften Messergebnissen führt.A reliable optical structure that allows common optical guidance of the reference beam and the measuring beam in the common optical fiber can be provided in particular if the optical coherence tomograph comprises a polarizing beam combiner which is arranged such that the measuring beam and the reference beam with different Polarization are coupled into the common fiber. The polarizing beam combiner can be arranged at a proximal end of the common optical fiber as viewed from the beam generating unit. In particular, the reference beam and / or the measuring beam leave the beam splitter in a linearly polarized manner. The polarizing beam combiner can be designed in such a way that it changes the polarization direction of the measuring beam and / or the reference beam. Furthermore, the polarizing beam combiner can take over the functions of a polarizing beam splitter when the reference beam and measuring beam run back through the common optical fiber. If the measuring beam and the reference beam are guided in the common optical fiber with different polarization, their interaction within the common optical fiber can advantageously be reduced so that the common optical guidance in the common optical fiber does not lead to incorrect measurement results.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der polarisierende Strahlteiler derart eingerichtet ist, dass die Polarisation des Messstrahls und die Polarisation des Referenzstrahls in der gemeinsamen optischen Faser um 90° zueinander verdreht sind. Insbesondere können der Messstrahl bzw. der Referenzstrahl bezüglich des Strahlteilers senkrecht bzw. parallel oder parallel bzw. senkrecht polarisiert sein. Hierdurch können der Referenzstrahl und der Messstrahl in zuverlässiger und leicht nachvollziehbarer Weise unabhängig voneinander in der gemeinsamen optischen Faser geführt werden.In a further development of the invention, it can be provided that the polarizing beam splitter is set up in such a way that the polarization of the measuring beam and the polarization of the reference beam in the common optical fiber are rotated by 90 ° to one another. In particular, the measuring beam or the reference beam can be polarized perpendicular or parallel or parallel or perpendicular with respect to the beam splitter. As a result, the reference beam and the measuring beam can be guided independently of one another in the common optical fiber in a reliable and easily traceable manner.
Ungewollte Interferenz zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl in der gemeinsamen optischen Faser kann insbesondere dann in einfacher und zuverlässiger Weise vermieden oder zumindest reduziert werden, wenn sich ein optischer Weg des Referenzarms und ein optischer Weg des Messarms von der Strahlerzeugungseinheit zu der gemeinsamen Faser um einen Betrag unterscheiden, der größer als der Arbeitsbereich des Kohärenztomographen ist. Der Unterschied der optischen Wege kann sich um einen Betrag unterscheiden, der größer ist als die Kohärenzlänge des Referenzstrahls und des Messstrahls. Der Messstrahl und der Referenzstrahl laufen dann mit einem Wegunterschied in der gemeinsamen optischen Faser, der bewerkstelligt, dass die später zur Interferenz gebrachten Strahlkomponenten sich nicht bereits in der gemeinsamen optischen Faser überlagern.Unwanted interference between the measurement beam and the reference beam in the common optical fiber can be avoided or at least reduced in a simple and reliable manner, in particular, if an optical path of the reference arm and an optical path of the measurement arm from the beam generating unit to the common fiber differ by an amount differentiate, which is larger than the working range of the coherence tomograph. The difference in the optical paths can differ by an amount that is greater than the coherence length of the reference beam and the measuring beam. The measuring beam and the reference beam then travel with a path difference in the common optical fiber, which ensures that the beam components that are later brought to interference do not already overlap in the common optical fiber.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Referenzarm ein zumindest teilreflektierendes Element umfasst, das den Referenzstrahl nach Durchlaufen der gemeinsamen optischen Faser wieder durch die gemeinsame optische Faser zurückschickt. Der Referenzstrahl kann somit die gemeinsame optische Faser zweimal durchlaufen. Hierdurch können die optischen Eigenschaften von Referenzarm und Messarm einander weiter angeglichen werden, da der Messstrahl üblicherweise ebenfalls durch die gemeinsame optische Faser zurückläuft.In a further development of the invention it can be provided that the reference arm comprises an at least partially reflective element which sends the reference beam back through the common optical fiber after passing through the common optical fiber. The reference beam can thus pass through the common optical fiber twice. As a result, the optical properties of the reference arm and measuring arm can be further matched to one another, since the measuring beam usually also runs back through the common optical fiber.
Zudem kann erfindungsgemäß zwischen einem Ende der gemeinsamen Faser und dem zumindest teilreflektierenden Element ein polarisierender Strahlteiler angeordnet sein. Bei dem Ende kann es sich um das von der Strahlerzeugungseinheit aus betrachtet distale Ende des gemeinsamen Faser handeln. Ein erster Ausgang des polarisierenden Strahlteilers kann dazu eingerichtet sein, den Messstrahl in Richtung des Messobjekts auszukoppeln, beispielsweise über einen OCT-Scanner. Ein zweiter Ausgang des polarisierenden Strahlteilers kann dazu eingerichtet sein, den Referenzstrahl in Richtung des zumindest teilreflektierenden Elements auszukoppeln. Der polarisierende Strahlteiler kann zudem für den am zumindest teilreflektierenden Element reflektierten Referenzstrahl und den am Messobjekt reflektierten Messstrahl die Funktionen eines polarisierenden Strahlkombinierers übernehmen, sodass Messstrahl und Referenzstrahl mit unterschiedlicher Polarisation durch die gemeinsame Faser zurücklaufen. Im Ergebnis können der Messstrahl und der Referenzstrahl die optische Faser jeweils zweimal durchlaufen, benutzen also die Faser gemeinsam, bleiben aber durch ihre unterschiedliche Polarisationsrichtung physikalisch unterschieden und somit wieder vollständig trennbar.In addition, according to the invention, a polarizing beam splitter can be arranged between one end of the common fiber and the at least partially reflective element. The end can be the distal end of the common fiber as viewed from the beam generating unit. A first output of the polarizing beam splitter can be set up to couple out the measurement beam in the direction of the measurement object, for example via an OCT scanner. A second output of the polarizing beam splitter can be configured to couple out the reference beam in the direction of the at least partially reflective element. The polarizing beam splitter can also assume the functions of a polarizing beam combiner for the reference beam reflected on the at least partially reflective element and the measurement beam reflected on the measurement object, so that Measuring beam and reference beam with different polarization run back through the common fiber. As a result, the measuring beam and the reference beam can each pass through the optical fiber twice, i.e. they use the fiber together, but remain physically different due to their different polarization directions and are thus completely separable again.
In einer alternativen Ausführungsform kann das zumindest teilreflektierende Element unmittelbar an einem Ende der gemeinsamen Faser angeordnet sein, wodurch ein einfacher Aufbau erzielt werden kann. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn sich wie beschrieben die optischen Wege von Referenzarm und Messarm um einen Betrag unterscheiden, der größer als der Arbeitsbereich des Kohärenztomographen ist. Vorzugsweise kommt hierbei ein teilreflektierendes Element zum Einsatz, das für den Referenzstrahl beispielsweise lediglich bis zu 5 %, bis zu 10 %, bis zu 15 % oder bis zu 20 % bezogen auf eine Intensität reflektierend ist.In an alternative embodiment, the at least partially reflective element can be arranged directly at one end of the common fiber, whereby a simple structure can be achieved. This is particularly useful when, as described, the optical paths of the reference arm and measuring arm differ by an amount that is greater than the working range of the coherence tomograph. A partially reflective element is preferably used here, which is reflective for the reference beam for example only up to 5%, up to 10%, up to 15% or up to 20% based on an intensity.
Das zumindest teilreflektierende Element kann in besonders einfach Weise erzeugt werden, indem es durch einen geraden Schliff des Endes der gemeinsamen Faser gebildet ist. Die optischen Eigenschaften des zumindest teilreflektierenden Elements können zudem präzise und anwendungsspezifisch angepasst werden, wenn das zumindest teilreflektierende Element alternativ oder zusätzlich durch eine Beschichtung des Endes der gemeinsamen Faser gebildet ist. Die Beschichtung kann eine Beschichtung mit einer Schichtdicke im Nanometerbereich umfassen, die etwa durch Aufdampfen oder Sputtern erzeugt ist. In Abhängigkeit vom zu reflektierenden Wellenlängenbereich kommen Metalle wie beispielsweise Silber, Aluminium, Gold etc. oder auch Dielektrika infrage, etwa zur Erzeugung von Bragg-Spiegeln.The at least partially reflective element can be produced in a particularly simple manner in that it is formed by a straight cut of the end of the common fiber. The optical properties of the at least partially reflective element can also be adapted precisely and specifically to the application if the at least partially reflective element is alternatively or additionally formed by coating the end of the common fiber. The coating can comprise a coating with a layer thickness in the nanometer range, which is produced for example by vapor deposition or sputtering. Depending on the wavelength range to be reflected, metals such as silver, aluminum, gold etc. or dielectrics can be used, for example to produce Bragg mirrors.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der optische Kohärenztomograph eine Weglängeneinstellvorrichtung mit einem zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen verlagerbaren Einstellelement, dessen Verlagerung eine Änderung der optischen Weglänge des Referenzarms und/oder des Messarms bewirkt. Hierdurch können die optischen Weglängen des Referenzarms und des Messarms in einfacher und zuverlässiger Weise aufeinander abgestimmt werden.In a further development of the invention, the optical coherence tomograph comprises a path length adjusting device with an adjusting element which can be displaced between different setting positions and whose displacement causes a change in the optical path length of the reference arm and / or the measuring arm. As a result, the optical path lengths of the reference arm and the measuring arm can be matched to one another in a simple and reliable manner.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Einstellelement einen Spiegel umfasst. Zudem kann das Einstellelement eine Sammellinse umfassen, in deren Brennpunkt der Spiegel angeordnet ist. Spiegel und Sammellinse können dann gemeinsam zwischen Einstellpositionen bewegt werden, sodass es zur Weglängenverstellung nicht erforderlich ist, ein Faserende zu bewegen. Hierdurch wird eine hohe Zuverlässigkeit des zugrundeliegenden optischen Aufbaus erzielt. Zudem können ein großer Verstellbereich und eine große Verstellgeschwindigkeit erzielt werden, da die Verlagerung des Spiegels um eine bestimmte Strecke eine Weglängenänderung von doppeltem Umfang bewirken kann. Zudem kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein auf den Spiegel zulaufender Strahl an einer anderen Stelle durch die Sammellinse hindurchtritt als ein von dem Spiegel weglaufender Strahl. Beispielsweise können die Strahlen auf gegenüberliegenden Seiten einer Mittelachse der Sammellinse geführt werden. Alternativ können die Strahlen koaxial geführt sein.According to the invention it can be provided that the setting element comprises a mirror. In addition, the setting element can comprise a converging lens, in the focal point of which the mirror is arranged. The mirror and the converging lens can then be moved together between setting positions so that it is not necessary to move a fiber end to adjust the path length. This achieves a high level of reliability in the underlying optical structure. In addition, a large adjustment range and a high adjustment speed can be achieved, since the displacement of the mirror by a certain distance can cause a path length change of twice the circumference. In addition, it can be provided according to the invention that a beam approaching the mirror passes through the converging lens at a different point than a beam running away from the mirror. For example, the rays can be guided on opposite sides of a central axis of the converging lens. Alternatively, the beams can be guided coaxially.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Weglängeneinstellvorrichtung eine Verzögerungsplatte umfasst, insbesondere ein λ/4-Plättchen. Insbesondere in Kombination mit einem einen Spiegel umfassenden Einstellelement kann hierdurch ein zuverlässiger optischer Aufbau der Weglängeneinstellvorrichtung erzielt werden, der es erlaubt, die Weglängeneinstellvorrichtung an unterschiedlichen geeigneten Positionen im optischen Aufbau des optischen Kohärenztomographen anzuordnen. Die Weglängeneinstellvorrichtung kann einen polarisierenden Strahlkombinierer umfassen, hinter dessen kombinierendem Ende die Verzögerungsplatte und bevorzugt auch der Spiegel angeordnet sind. Es kann hierdurch auf ein bewegtes Faserende verzichtet werden, wobei zugleich die Polarisation des Strahls, der die Weglängeneinstellvorrichtung durchläuft, in vorteilhafter Weise derart beim Durchlaufen der Weglängeneinstellvorrichtung beeinflusst wird, dass die beim Eintritt in die Weglängeneinstellvorrichtung vorhandene Polarisation der Polarisation beim Austritt entspricht.According to one embodiment of the invention, it is proposed that the path length adjustment device comprises a retardation plate, in particular a λ / 4 plate. In particular in combination with an adjusting element comprising a mirror, a reliable optical structure of the path length adjustment device can be achieved, which allows the path length adjustment device to be arranged at different suitable positions in the optical structure of the optical coherence tomograph. The path length setting device can comprise a polarizing beam combiner, behind the combining end of which the retardation plate and preferably also the mirror are arranged. This makes it possible to dispense with a moving fiber end, whereby at the same time the polarization of the beam which passes through the path length adjustment device is advantageously influenced when passing through the path length adjustment device in such a way that the polarization present when entering the path length adjustment device corresponds to the polarization at the exit.
Die Erfindung betrifft ferner ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, das eine Bearbeitungsstrahlquelle, eine Bearbeitungsstrahloptik und eine erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst, wobei der Messstrahl derart in dem Messarm optisch führbar ist, dass der Messstrahl in den Bearbeitungsstrahl einkoppelbar und über die Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück projizierbar ist.The invention also relates to a processing system for processing a workpiece by means of a high-energy processing beam, which comprises a processing beam source, processing beam optics and a measuring device according to the invention, wherein the measuring beam can be guided optically in the measuring arm in such a way that the measuring beam can be coupled into the processing beam and via the processing beam optics the workpiece is projectable.
Das Bearbeitungssystem kann einen Bearbeitungskopf umfassen, wobei die gemeinsame optische Faser von dem ortsfesten Teil der Messvorrichtung zu dem Bearbeitungskopf führt. Der Bearbeitungskopf kann relativ zu dem Werkstück verlagerbar sein. Beispielsweise kann der Bearbeitungskopf hierfür auf einem Roboterarm angeordnet oder anderweitig verlagerbar sein. Aufgrund einer entsprechenden Bewegung erzeugte auf die gemeinsame optische Faser wirkende Kräfte wirken sich daher ebenso wie sämtliche andere Umwelteinflüsse in gleicher Weise auf den Referenzarm und den Messarm aus, da diese beide durch die gemeinsame Faser verlaufen.The processing system can comprise a processing head, the common optical fiber leading from the stationary part of the measuring device to the processing head. The machining head can be displaceable relative to the workpiece. For example, the processing head can be arranged on a robot arm for this purpose or can be displaced in some other way. Forces acting on the common optical fiber due to a corresponding movement therefore act in the same way as all other environmental influences Point out the reference arm and the measuring arm, as they both run through the same fiber.
Es versteht sich, dass der Gegenstand der Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die im Zusammenhang mit Weiterbildungen der Erfindung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale können vom Fachmann beliebig kombiniert werden, ohne dabei vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen, wie ihn die unabhängigen Ansprüche festlegen.It goes without saying that the subject matter of the invention is not limited to the embodiments described above. The embodiments and features described in connection with developments of the invention can be combined as desired by the person skilled in the art without deviating from the subject matter of the invention as defined by the independent claims.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:
-
1 ein erfindungsgemäßes Bearbeitungssystem mit einer Messvorrichtung in einer schematischen Darstellung; -
2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bearbeitungssystem mit einer Messvorrichtung in einer schematischen Darstellung; -
3 eine schematische Darstellung einer ersten Weglängeneinstellvorrichtung, die erfindungsgemäß verwendet werden kann; und -
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Weglängeneinstellvorrichtung, die erfindungsgemäß verwendet werden kann.
-
1 a processing system according to the invention with a measuring device in a schematic representation; -
2 a further embodiment of a processing system according to the invention with a measuring device in a schematic representation; -
3 a schematic representation of a first path length adjustment device that can be used according to the invention; and -
4th a schematic representation of a second path length adjustment device that can be used according to the invention.
Im Folgenden werden mehrere Aspekte der Erfindung dargestellt. Hierbei werden unterschiedliche Ansätze zum gemeinsamen optischen Führen von Referenzstrahl und Messstrahl in einer gemeinsamen optischen Faser dargestellt. Zudem werden unterschiedliche Weglängeneinstellvorrichtungen beschrieben. Der Fachmann wird die beschriebenen Ausführungsformen auch anders als dargestellt kombinieren, sofern dies zweckmäßig erscheint. In den Ausführungsbeispielen werden Messvorrichtung gezeigt, die in Laserbearbeitungssystemen eingesetzt werden. Die gezeigten Messvorrichtungen eignen sich jedoch auch zum Einsatz in anderen Bereichen, sodass die Ausgestaltung als Teil eines Laserbearbeitungssystems als beispielhaft zu verstehen ist.Several aspects of the invention are presented below. Different approaches for the common optical guidance of the reference beam and the measuring beam in a common optical fiber are presented. Different path length adjustment devices are also described. The person skilled in the art will also combine the described embodiments differently than shown, provided this appears expedient. In the exemplary embodiments, measuring devices are shown that are used in laser processing systems. The measuring devices shown are, however, also suitable for use in other areas, so that the configuration as part of a laser processing system is to be understood as an example.
Das Bearbeitungssystem
Die Strahlerzeugungseinheit
Ferner umfasst der optische Kohärenztomograph
Der optische Kohärenztomograph
Außerdem umfasst der optische Kohärenztomographen
Im Folgenden wird des Öfteren auf polarisierende Strahlkombinierer (PBC) und polarisierende Strahlteiler (PBS) Bezug genommen. Entsprechenden Begriffe beziehen sich dabei üblicherweise auf einen optischen Weg, der von der Strahlerzeugungseinheit
Der optische Kohärenztomographen
Des Weiteren umfasst der optische Kohärenztomograph
Ausgehend von einem ersten Ausgang des polarisierenden Strahlteilers
Ausgehend von einem zweiten Ausgang des polarisierenden Strahlteilers
Der polarisierende Strahlkombinierer
Wie in
Die Messvorrichtung
Um eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen Strahlkomponenten des Messstrahls
Gemäß der weiteren Ausführungsform ist ein proximales Ende der gemeinsamen optischen Faser
Der von dem teilreflektierenden Element
Vom Spiegel
Somit wird ein Versatz zwischen korrespondierenden Strahlkomponenten dadurch erzeugt, dass der Referenzstrahl
In einer Abwandlung dieser Ausführungsform kann anstelle des teilreflektierenden Elements
Die
Ein aus dem kombinierenden Ausgang des polarisierenden Strahlkombinierers
Anschließend wird der kollimierte Strahl zu einer zweiten Linse
Vom Einstellelement aus läuft der Strahl zurück zum polarisierenden Strahlkombinierer
Ist der zur Weglängeneinstellvorrichtung
Die erste alternative Weglängeneinstellvorrichtung
Der Strahl tritt dabei jeweils zu einer Mittelachse der Hauptlinse
Zusätzlich zu den beschriebenen Weglängeneinstellvorrichtungen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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