DE102019109795A1

DE102019109795A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102019109795A1
Application number: DE102019109795.9A
Authority: DE
Inventors: David Blázquez-Sánchez
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-04-13
Also published as: CN113891776A; US20220196468A1; WO2020207662A1; JP7308286B2; JP2022526846A; DE102019109795B4; KR20210149839A; CN113891776B; EP3953670A1

Abstract

Es ist eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls in einem Laserbearbeitungskopf, offenbart, wobei die Vorrichtung umfasst: ein optisches Auskopplungselement zum Auskoppeln eines Teilstrahls aus einem Strahlengang des Laserstrahls, einen Detektor zum Erfassen von zumindest einem Strahlparameter des Teilstrahls, und zumindest ein optisches Element mit einstellbarer Brennweite, welches in einem Bereich des Strahlengangs des Teilstrahls zwischen dem optischen Auskopplungselement und dem Detektor angeordnet ist. Ferner ist ein Laserbearbeitungskopf umfassend eine solche Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls umfasst.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls in einem Laserbearbeitungskopf, und ein Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls. Die Erfindung betrifft ferner einen Laserbearbeitungskopf umfassend eine solche Vorrichtung. Derartige Vorrichtungen und Verfahren können zur Bestimmung und Regelung der Fokuslage in einem Laserbearbeitungskopf bei der Lasermaterialbearbeitung eingesetzt werden.
Stand der Technik
Ein Problem bei der Lasermaterialbearbeitung ist die sogenannte „thermische Linse“ (thermisch induzierte Brechkraftänderung), die auf die Erwärmung von optischen Elementen zur Laserstrahlführung und -fokussierung durch die Laserleistung, insbesondere im Multi-Kilowatt-Bereich, und auf die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl optischer Gläser zurückzuführen ist. Die thermische Linse führt bei der Lasermaterialbearbeitung zu einer Fokusverschiebung entlang der Strahlausbreitungsrichtung, die sich negativ bei der Bearbeitung eines Werkstücks auswirkt. Zur Sicherstellung der Bearbeitungsqualität ist daher eine Kontrolle über die Fokuslage durch ihre Vermessung erwünscht. Es ist also erforderlich, die jeweilige Fokuslage zu erfassen und die Fokuslagenverschiebung auszugleichen, also eine schnelle und präzise Fokuslagenregelung bereitzustellen.
Die thermische Linse hat ihre Ursache in einem thermischen Gradienten entlang der radialen Richtung der optischen Komponenten. Wegen der radialen Laserleistungsverteilung ist die Temperatur und somit die Brechungsindexänderung in der Mitte der Optiken deutlich stärker als am Rand. Wird nur ein Bruchteil des Laserstrahls vermessen, geht Information über die thermische Linse verloren und es ist nicht möglich, ihren Einfluss auf die Fokuslage präzise zu ermitteln. Bei einer sehr ausgeprägten thermischen Linse ist eine sphärische Aberration zu erwarten. Die Randstrahlen und die achsnahen Strahlen treffen sich also nicht im gleichen Fokus wegen der unterschiedlichen Temperaturen am Rand und in der Mitte der optischen Komponenten. Zudem ist der Leistungsanteil von Randstrahlen kleiner als der der achsnahen Strahlen. Wird die Fokuslage nur mit der Information der Randstrahlen ermittelt, ist also auch nur eine geringe Genauigkeit der Messung zu erwarten. Die thermische Linse führt nicht nur zu einer Fokusverschiebung, sondern auch aufgrund von Abbildungsfehlern zu einer Verschlechterung der Strahlqualität. Dies hat eine Änderung der gesamten Strahlkaustik, also auch des Fokusdurchmessers zur Folge. Die Ermittlung der Fokuslage durch einen Vergleich mit Referenzwerten ist daher ungenau.
Zur Bestimmung der Fokuslage eines Laserstrahls sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Das Problem ist die Integration dieser Verfahren und Vorrichtungen in einen Laserbearbeitungskopf, um eine präzise Fokuslagenvermessung in Echtzeit während eines Lasermaterialbearbeitungsprozesses sicherzustellen.
Der internationale Standard ISO 11146 legt Verfahren zur Vermessung von Laserstrahlen, insbesondere Prüfverfahren für Laserstrahlparameter, fest. Dabei ist insbesondere angegeben, wie Strahlabmessungen, beispielsweise Strahlbreiten oder -durchmesser, Divergenzwinkel, Strahlpropagationsfaktor, Beugungsmaßzahl und Strahlqualität, zu messen sind. Zur Bestimmung der Fokuslage, also der Lage des kleinsten Durchmessers des Strahls, wird der Strahldurchmesser an mindestens zehn Stellen längs des Strahlverlaufes bestimmt. Die Änderung des Strahldurchmessers wird in Abhängigkeit von der Strahlausbreitungsrichtung bzw. Strahlpropagationsrichtung mathematisch mit der sogenannten Strahlkaustik beschrieben. Durch Anpassung der gemessenen Strahldurchmesser an die Strahlkaustik können sowohl die Fokuslage als auch alle anderen Laserstrahlparameter ermittelt werden.
Gemäß der DE 10 2015 106 618 B4 erfolgt eine Fokuslagenregelung aufgrund der Laserleistung unter Verwendung eines entsprechenden Kennfeldes, das die Fokusverschiebung in Abhängigkeit von der Laserleistung beschreibt.
Mit Verfahren und Vorrichtungen, die ohne die Vermessung der Ist-Fokuslage eine Fokuslageregelung ermöglichen, lässt sich zwar eine Verbesserung in der Bearbeitungsqualität mit minimalem bautechnischem Aufwand erreichen, jedoch lässt sich keine hohe Präzision in der Fokuslagenregelung und deswegen auch keine hone Bearbeitungsqualität erzielen.
Die DE 196 30 607 C1 beschreibt eine Vorrichtung zum Überwachen der Energie eines Laserstrahls. Durch Schrägstellung eines Fensters in Bezug auf die Achse des Laserstrahls wird ein Teil aus dem Laserstrahl ausgekoppelt und auf einen Detektor gerichtet. Der Detektor ist dabei in einer Bildebene einer den Laserstrahl auf ein Substrat abbildenden Optik angeordnet, die der Oberfläche des Substrats entspricht.
Darüber hinaus sind, insbesondere beim Laserschneiden, Laserbearbeitungsköpfe mit einem möglichst großen Autofokusbereich bevorzugt. Je größer der Autofokusbereich, desto schwieriger ist es jedoch, eine einfache und kompakte Fokuslagenmessung bereitzustellen. Mit anderen Worten führt ein größerer Autofokusbereich zu einem größeren bautechnischen Volumen. Zum Beispiel benötigt ein Laserbearbeitungskopf zum Laserschneiden mit einem Autofokusbereich von 50 mm eine Fokuslagen-Messvorrichtung, die innerhalb dieses Bereichs eine gleichbleibende Messauflösung erreicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist also eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstahls eines Laserbearbeitungskopfes, vorzugsweise in Echtzeit, bereitzustellen, die sich mit minimalem bautechnischen Aufwand und auf kompakte und auf einfache Weise umsetzen oder in einen Laserbearbeitungskopf integrieren lässt, sowie einen Laserbearbeitungskopf mit derselben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur einfachen und präzisen Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls eines Laserbearbeitungskopfs, vorzugsweise in Echtzeit, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, den Laserbearbeitungskopf gemäß Anspruch 11 und das Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls eines Laserbearbeitungskopfes, umfasst gemäß einer Ausführungsform: ein optisches Auskopplungselement zum Auskoppeln eines Teilstrahls aus einem Strahlengang des Laserstrahls, einen Detektor zum Erfassen von zumindest einem Strahlparameter des Teilstrahls, und zumindest ein optisches Element mit einstellbarer Brennweite, welches in einem Strahlengang des Teilstrahls zwischen dem optischen Auskopplungselement und dem Detektor angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, basierend auf mehreren Werten des zumindest einen erfassten Strahlparameters des Teilstrahls und entsprechenden dazugehörigen Werten der eingestellten Brennweite des optischen Elements die Fokuslage des Laserstrahls zu bestimmen.
Mittels des optischen Elements mit einstellbarer oder variabler Brennweite im Strahlengang des Teilstrahls und dem nachfolgend angeordneten Detektor ist es möglich, den Strahlparameter entlang der Ausbreitungsrichtung oder Propagationsrichtung des Teilstrahls bzw. entlang der optischen Achse des Teilstrahls bei verschiedenen eingestellten Brennweiten des optischen Elements zu erfassen. Beispielsweise kann für jede eingestellte Brennweite des optischen Elements ein entsprechender Wert für den Strahlparameter des Teilstrahls ermittelt werden. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Strahlkaustik des Teilstrahls abtasten oder bestimmen. Da die Strahlkaustik des ausgekoppelten Teilstrahls mit der Strahlkaustik des Laserstrahls korrespondiert, lässt sich anhand der Strahlkaustik des ausgekoppelten Teilstrahls die aktuelle bzw. tatsächliche Strahlkaustik des Laserstrahls bestimmen.
Auch kann die Auswerteinheit eingerichtet sein, eine eingestellte Brennweite des optischen Elements zu bestimmen, bei der der zumindest eine erfasste Strahlparameter einen Maximal- oder einen Minimalwert annimmt. Anhand des erfassten Strahlparameters und der entsprechenden eingestellten Brennweite des optischen Elements kann die tatsächliche Fokuslage des Laserstrahls, insbesondere des Bearbeitungslaserstrahls, bestimmt werden. Vorzugsweise kann zur Bestimmung der Fokuslage eine eingestellte Brennweite des optischen Elements bestimmt werden, bei der der Strahlparameter des Teilstrahls einen Extremwert annimmt, z.B. bei der die Laserintensität des Teilstrahls einen Maximalwert und/oder bei der der Strahldurchmesser des Teilstrahls einen Minimalwert annimmt. Basierend auf diesem Wert für die eingestellte Brennweite kann schließlich die Fokuslage des Laserstrahls bzw. des Bearbeitungslaserstrahls bestimmt werden.
Andererseits lässt sich während eines Bearbeitungsprozesses mittels des Bearbeitungslaserstrahls des Laserbearbeitungskopfs bestimmen, ob sich die Fokuslage des Laserstrahls verändert hat. Dazu kann die Brennweite des optischen Elements konstant gehalten werden, d.h. sie ist fest eingestellt. Zu Beginn oder vor dem Start des Bearbeitungsprozesses wird eine gewünschte Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls, z.B. auf einem zu bearbeitenden Werkstück, eingestellt und durch den Detektor ein Referenzwert des Strahlparameters des Teilstrahls ermittelt. Hierbei kann das optische Element mit einstellbarer Brennweite so eingestellt sein, dass die einstellbare Brennweite unendlich beträgt, bzw. keine Brechkraft eingestellt ist. Im Verlauf des Bearbeitungsprozesses kann sich die Brechkraft eines optischen Elements des Laserbearbeitungskopfes verändern, insbesondere aufgrund des Phänomens der thermischen Linse, was zu einer Änderung der Fokuslage des Laserstrahls führt. Dies führt ebenfalls zu einer Veränderung des vom Detektor erfassten Strahlparameters des Teilstrahls. Die Veränderung kann durch Vergleich des durch den Detektor kontinuierlich erfassten Strahlparameters mit dem zuvor gemessenen Referenzwert bestimmt werden und ist ein Maß für die Veränderung der Fokuslage des Teilstrahls. Dadurch kann eine Veränderung der Fokuslage des Laserstrahls bestimmt werden. Zudem kann ein Unterschied zwischen der aktuellen Fokuslage und der Fokuslage zu Beginn des Bearbeitungsprozesses des Laserstrahls anhand des Vergleichs des durch den Detektor kontinuierlich erfassten Strahlparameters mit dem zuvor ermittelten Referenzwert bestimmt werden.
Die Auswerteinheit kann eingerichtet sein, die Fokuslage des Laserstrahls auch basierend auf zumindest einem der folgenden Werte zu bestimmen: Orientierung des optischen Auskopplungselements, Abstand des optischen Auskopplungselements zum Detektor, Abstand des optischen Auskopplungselements zur Fokussiereinheit, Abstand des optischen Auskopplungselements zum optischen Element mit einstellbarer Brennweite und Abstand des optischen Elements mit einstellbarer Brennweite zum Detektor, wobei der Abstand hier die Weglänge entlang der Strahlausbreitungsrichtung des ausgekoppelten Teilstrahls bezeichnet.
Die Laserintensität kann auch als Flächenleistungsdichte oder kurz „Leistungsdichte“ bezeichnet werden. Die Flächenleistungsdichte kann beispielsweise mit der Einheit „Watt pro Quadratmeter“ angegeben werden.
Um also eine einfache und bautechnisch kompakte Lösung zum präzisen Bestimmen einer Fokuslage, vorzugsweise in Echtzeit, während des Laserbearbeitungsprozesses zu erhalten, wird in einem ersten Schritt ein Teilstrahl aus dem Laserstrahl ausgekoppelt. In einem zweiten Schritt wird die Fokuslage des ausgekoppelten Teilstrahls mit Hilfe eines optischen Elements mit einstellbarer Brennweite und eines Detektors ermittelt.
Das optische Element mit einstellbarer Brennweite kann stationär im Strahlengang des Teilstrahls, zumindest aber stationär in Strahlausbreitungsrichtung des Teilstrahls, angeordnet sein. Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest eine optische Element mit variabler Brennweite bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls stationär angeordnet. Mit anderen Worten kann die Position des optischen Elements entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls fest oder festgelegt sein. Auch die Position des Detektors kann entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls fest oder festgelegt bzw. stationär sein. Vorzugsweise ist der Detektor im Strahlengang des Teilstrahls angeordnet, sodass der Teilstrahl auf den Detektor trifft, nachdem er das optische Element mit einstellbarer Brennweite passiert hat. Mit anderen Worten kann der Detektor im Strahlengang des Teilstrahls hinter dem optischen Element angeordnet sein. Das optische Element mit einstellbarer Brennweite kann eine Autofokusfunktion aufweisen.
Durch das optische Element mit variabler Brennweite ist es möglich, die Fokuslage des Laserstrahls bzw. die Strahlkaustik zu bestimmen, ohne das optische Element mit einstellbarer Brennweite oder den Detektor entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls bzw. axial zu verschieben. Dadurch wird eine kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht. Ferner wird es dadurch möglich, die Fokuslage des Laserstrahls in Echtzeit zu ermitteln, da es nicht erforderlich ist, ein Element der Vorrichtung mittels eines Aktuators oder Motors zu verschieben. Außerdem kann die Vorrichtung und, somit auch der Laserbearbeitungskopf mit derselben, weniger komplex und einfacher aufgebaut sein, da beispielsweise keine Führungselemente für die Verschiebung von Elementen erforderlich sind.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in Laserbearbeitungsköpfen mit Autofokusfunktion oder in modularen Laserbearbeitungsköpfen verwendet werden. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne großen bautechnischen bzw. konstruktiven Aufwand und Einfluss bei Laserbearbeitungsköpfen mit unterschiedlichen Fokussierungsbrennweiten verwendet werden. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl bei einem Laserbearbeitungskopf mit einer Brennweite von 150mm als auch bei einem Laserbearbeitungskopf mit einer Brennweite von 200mm verwendet werden. Der Unterschied in der Brennweite kann mittels des optischen Elements mit einstellbarer bzw. variabler Brennweite, beispielsweise mittels einer Flüssiglinse, kompensiert werden.
Der Detektor kann eingerichtet sein, um eine Laserintensität und/oder einen Strahldurchmesser des Teilstrahls zu erfassen. Gemäß einer Ausführungsform ist der Detektor eingerichtet, die Laserintensität und/oder den Strahldurchmesser des Teilstrahls bei verschiedenen eingestellten Brennweiten des zumindest einen optischen Elements zu erfassen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, einen eingestellten Wert der Brennweite des optischen Elements entsprechend einer maximalen Laserintensität des Teilstrahls und/oder entsprechend einem minimalen Strahldurchmesser des Teilstrahls zu bestimmen.
Beispielsweise ist der Detektor als ein Einzelpixel-Sensor ausgestaltet. Dadurch wird eine Auswertung der vom Detektor erzeugten Signale oder Daten vereinfacht. Der Detektor kann ein nicht-ortsauflösender Sensor sein. In diesem Fall ist eine Sensorfläche des Detektors vorzugsweise kleiner als eine dem minimalen Strahldurchmesser entsprechende Querschnittsfläche des Teilstrahls. Mit anderen Worten kann ein Querschnitt der Sensorfläche kleiner als der Strahldurchmesser des Teilstrahls sein. Die Sensorfläche des Detektors kann innerhalb der Querschnittsfläche bzw. innerhalb des Strahldurchmessers des Teilstrahls angeordnet sein, vorzugsweise ist die Sensorfläche auf der optischen Achse des Teilstrahls angeordnet.
Die Vorrichtung kann ferner eine Blende umfassen, die zwischen dem optischen Element mit einstellbarer Brennweite und dem Detektor angeordnet ist. Die Blende ist vorzugsweise koaxial zur bzw. auf der optischen Achse des ausgekoppelten Teilstrahls angeordnet. Die Fläche der Blendenöffnung kann gleich wie oder kleiner als eine dem minimalen Strahldurchmesser entsprechende Querschnittsfläche des Teilstrahls sein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Detektor stets eine Laserintensität des Teilstrahls ermittelt, die von der Fokuslage des Teilstrahls bzw. der Fokuslage des Laserstrahls abhängig ist, auch wenn kein ortsauflösender Detektor oder ein Einzelpixelsensor mit größerer Fläche verwendet wird.
In einem anderen Beispiel kann als Detektor ein bestrahlungsstärkeempfindlicher Photodetektor, der ein Einzelpixelsensor sein kann, verwendet werden. Bei dieser Art von Photodetektor ist der Sensorausgang nicht nur abhängig von dem Gesamtfluss der einfallenden Photonen, sondern auch von der Größe der Fläche, auf die sie eintreffen. Das bedeutet, dass das Signal des Sensorausgangs entlang der Strahlausbreitung des Teilstrahls variiert, wenn der Strahldurchmesser variiert. Dadurch wird eine Messung der Bestrahlungsstärke ermöglicht. Die Bestrahlungsstärke erreicht ein Maximum in Fokus entlang der Ausbreitungsrichtung. Somit erreicht die Laserintensität ein Maximum dort, wo der Strahldurchmesser entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls am kleinsten ist.
Die Bestrahlungsstärkeempfindlichkeit ist eine nichtlineare Photoempfindlichkeit, wie sie typisch für viele Dünnschichtsolarzellentechnologien, beispielsweise eine Grätzel-Zelle (auch elektrochemische Farbstoffsolarzelle, englisch „dye-sensitized solar cell“), ist. Die elektrochemische Farbstoffsolarzelle verwendet zur Absorption von Licht kein Halbleitermaterial, sondern organische Farbstoffe. Die Ladungsübermittlungsprozesse bei diesen Photodetektor-Technologien führen in Vergleich zu anderen Halbleiter-Technologien (Silizium, InGaAs, etc.) zu einer bestrahlungsstärkeabhängigen Empfindlichkeit aufgrund von stark lokalisierten Ladungsträgern und Ladungsübermittlungsprozessen.
Der Detektor kann auch einen ortauflösenden Sensor umfassen, z.B. einen Mehrpixel-Sensor oder eine CCD-Kamera. Dies ermöglicht eine Erfassung des Strahldurchmessers des Teilstrahls. In diesem Fall kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, basierend auf einem durch den Sensor erfassten Strahldurchmesser die Fokuslage zu bestimmen. Der Detektor kann auch ein Photodioden-Array umfassen. In diesem Fall kann die Pixelzahl kleiner sein als bei einer CCD-Kamera. Dadurch kann die Auswertung des Detektorsignals vereinfacht werden.
Vorzugsweise weist das zumindest eine optische Element eine kontinuierliche und/oder beliebig einstellbare bzw. variable Brennweite auf. Die Brennweite des optischen Elements kann zum Beispiel zwischen -1m und +1m variieren.
Das zumindest eine optische Element mit einstellbarer Brennweite kann ein deformierbares bzw. verformbares optisches Element umfassen. Beispielsweise kann das optische Element mit variabler Brennweite eine deformierbare Linse umfassen. Ein Beispiel für eine deformierbare Linse ist eine Flüssiglinse. Das Licht brechende Material kann eine Flüssigkeit sein. Das Licht brechende Material kann ebenfalls ein deformierbares Polymer sein. In diesem Fall ist die deformierbare Linse eine Polymerlinse. Ebenso kann das optische Element mit variabler Brennweite einen deformierbaren Spiegel umfassen. Der deformierbare Spiegel kann beispielsweise ein piezoelektrisch verformbarer Spiegel oder ein MEMS („microoptoeletromechanical adaptive“) -basierter Spiegel sein. Der deformierbare Spiegel kann auch ein Spiegel mit durch Druck variablen Radius sein. Somit können gemäß der vorliegenden Erfindung reflektierende deformierbare optische Elemente und transmissive deformierbare optische Elemente als das zumindest eine optische Element mit einstellbarer Brennweite verwendet werden.
Das zumindest eine optische Element mit variabler Brennweite kann mehrere gegeneinander verdrehbare optische Elemente umfassen. Beispielsweise kann das optische Element mit variabler Brennweite fokussierbare Moire-Linsen oder ein Moire-Linsenpaar umfassen. Diese Linsen lassen sich über einen breiten Brennweitenbereich durch Verdrehung fokussieren.
Das zumindest eine optische Element mit variabler Brennweite kann eines oder mehrere der vorstehend genannten Elemente umfassen oder kann eine Kombination verschiedener der vorstehend genannten Elemente umfassen. Beispielsweise kann das zumindest eine optische Element mit variabler Brennweite als eine Linsengruppe ausgebildet sein, wobei eine der Linsen der Linsengruppe eine Flüssiglinse ist.
Die Vorrichtung kann ferner eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, die Brennweite des zumindest einen optischen Elements mit einstellbarer Brennweite einzustellen.
Mit anderen Worten kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Brennweite des optischen Elements zu steuern. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Brennweite des optischen Elements kontinuierlich oder diskret einzustellen. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit eingerichtet sein, verschiedene Werte für die Brennweite des optischen Elements einzustellen. Dadurch ist es möglich, die Strahlkaustik des Teilstrahls zu vermessen bzw. abzutasten.
Gemäß einer Ausführungsform kann das zumindest eine optische Element mit einstellbarer Brennweite ein erstes optisches Element mit einstellbarer Brennweite und ein zweites optisches Element mit einstellbarer Brennweite umfassen. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Brennweite des ersten optischen Elements unabhängig von der Brennweite des zweiten optischen Elements einzustellen. Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, die Brennweite des ersten optischen Elements basierend auf einer Soll-Fokuslage des Laserstrahls des Laserbearbeitungssystems einzustellen. Dieser Wert für die Brennweite des ersten optischen Elements kann anschließend konstant gehalten werden. Die Brennweite des zweiten optischen Elements kann, z.B. kontinuierlich, variiert werden, um so verschiedene Werte für den zumindest einen Strahlparameter zu erfassen.
Mit anderen Worten kann die Steuereinheit eingerichtet sein, durch Einstellen der Brennweite des ersten optischen Elements, eine Abbildung eines Endes einer Lichtleitfaser des Laserbearbeitungskopfes auf dem Detektor der Vorrichtung zu ermöglichen. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf die eingestellte Fokuslage des Laserstrahls, d.h. auf den Soll-Wert der Fokuslage, des Bearbeitungslaserstrahls eingestellt werden. Dies entspricht einer Voreinstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend der eingestellten Fokuslage oder Soll-Fokuslage des Laserstrahls. Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, die Brennweite des zweiten optischen Elements, z.B. kontinuierlich, zu verändern, so dass, wie vorstehend dargestellt, beispielsweise aus dem Maximum der Laserintensität entlang der Strahlausbreitungsrichtung, die tatsächliche bzw. aktuelle Fokuslage des Laserstrahls, d.h. den Ist-Wert der Fokuslage, bestimmt werden kann.
Die Funktionalität der Steuereinheit kann auch durch die Auswerteeinheit ausgeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das optische Auskopplungselement eingerichtet, den Teilstrahl mittels Teilreflexion aus dem Strahlengang des Laserstrahls auszukoppeln. Das optische Auskopplungselement kann semitransparent für den Laserstrahl ausgebildet sein. Der ausgekoppelte Teilstrahl kann der reflektierte oder der transmittierte Anteil des auftreffenden Laserstrahls sein. Das optische Auskopplungselement kann als Strahlteiler ausgebildet sein, oder kann einen Strahlteiler umfassen.
Das optische Auskopplungselement kann eingerichtet sein, den Teilstrahl mit einer Strahlausbreitungsrichtung, die einen Winkel größer 0° und kleiner 180°, vorzugsweise größer oder gleich 90° und kleiner 180°, oder zwischen 45° und 135°, mit einer Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls nach Durchtreten durch das optische Auskopplungselement einschließt. Das optische Auskopplungselement kann gegen die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls geneigt angeordnet sein. Mit anderen Worten kann das optische Auskopplungselement im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls schräg angeordnet sein oder das optische Auskopplungselement kann bezüglich der optischen Achse schräg, gekippt oder geneigt angeordnet sein.
Vorzugsweise ist das optische Auskoppelelement derart ausgebildet, dass die Auskopplung des Teilstrahls über die gesamte Querschnittsfläche des Laserstrahls erfolgt. Dadurch werden neben den Randstrahlen des Laserstrahls auch die mittleren Strahlen des Laserstrahls ausgekoppelt und vom Detektor vermessen.
Das optische Auskopplungselement kann ein Schutzglas und/oder einen Spiegel umfassen.
Beispielsweise umfasst das optische Auskopplungselement die letzte oder eine der letzten transparenten optischen Flächen eines Laserbearbeitungskopfs, die sich in Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls vor dem zu bearbeitenden Werkstück befindet bzw. befinden. Beispielsweise ist dazu das letzte Schutzglas des Laserbearbeitungskopfes schräg oder geneigt zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes bzw. zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls angeordnet.
Bei der Auskopplung des Teilstrahls, beispielsweise mittels eines Schutzglases, kann es zur Auskopplung von mehreren Teilstrahlen durch Reflexion an verschiedenen Flächen des Auskopplungselements kommen. Der Teilstrahl kann hier auch als Rückreflex bezeichnet werden. Erfindungsgemäß ist nur ein ausgekoppelter Teilstrahl notwendig bzw. erwünscht, um zur Erfassung des zumindest einen Strahlparameters verwendet zu werden. Um zu verhindern, dass mehrere Teilstrahlen ausgekoppelt werden bzw. um zu verhindern, dass unerwünschte ausgekoppelte Teilstrahlen zum Detektor gelangen, kann das Auskopplungselement, beispielsweise ein Schutzglas, mit einer vorgegebenen oder erhöhten Dicke verwendet werden, sodass die Rückreflexe der beiden Seiten des Schutzglases einfach und zuverlässig räumlich getrennt werden können. Als alternative Maßnahmen zur Trennung der zusätzlichen Rückreflexe sind unterschiedliche Beschichtungen an den entlang der optischen Achse hintereinander angeordneten Flächen des optischen Auskopplungselements bzw. des Schutzglases möglich, oder es kann ein keilförmiges Schutzglas als Auskopplungselement verwendet oder zusätzlich ein Keil im Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls angeordnet werden.
Eine Alternative zur Auskopplung eines Teilstrahls mittels Schutzglases ist die Umlenkung des Bearbeitungslaserstrahls mithilfe eines halbdurchlässigen Spiegels und die Anordnung des Detektors hinter dem Spiegel. Das Auskopplungselement kann also einen halbdurchlässigen Spiegel umfassen, wobei der Detektor auf einer Verlängerung der optischen Achse des Bearbeitungslaserstrahls vor Auftreffen auf dem Spiegel, aber in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem Spiegel angeordnet ist. In diesem Fall entspricht der Teilstrahl dem transmittierten Teil des auf dem Spiegel auftreffenden Laserlichts, der reflektierte Teil des auf dem Spiegel auftreffenden Laserlichts wird als Bearbeitungslaserstrahl zur Materialbearbeitung verwendet.
Die Auswerteeinheit kann mit dem Detektor und der Steuereinheit verbunden sein. Die Auswerteeinheit kann vom Detektor erfasste Werte der Laserintensität des Teilstrahls und/oder erfasste Werte des Strahldurchmessers des Teilstrahls erhalten. Die Auswerteeinheit kann von der Steuereinheit eingestellte Werte der Brennweite des optischen Elements erhalten. Basierend auf den vom Detektor und der Steuereinheit erhaltenen Werten kann die Auswerteeinheit eine Strahlkaustik des Teilstrahls und/oder kann eine maximale Laserintensität des Teilstrahls und/oder einen minimalen Strahldurchmesser des Teilstrahls bestimmen. Die Auswerteeinheit kann ferner den Ort dieser maximalen Laserintensität und/oder des minimalen Strahldurchmessers in Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls oder die eingestellte Brennweite des optischen Elements entsprechend dieser maximalen Laserintensität bzw. entsprechend diesem minimalen Strahldurchmesser bestimmen.
Die Erfindung betrifft ferner einen Laserbearbeitungskopf, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst. Gemäß einer Ausführungsform ist der Laserbearbeitungskopf eingerichtet, einen Laserstrahl bzw. einen Bearbeitungslaserstrahl zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks zu erzeugen. Das optische Auskopplungselement ist erfindungsgemäß im Strahlengang des Laserstrahls bzw. des Bearbeitungslaserstrahls angeordnet.
Der Laserbearbeitungskopf kann ferner eine Fokussiereinheit zum Einstellen einer Fokuslage des Laserstrahls, z.B. bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstücks, umfassen. Die Fokussiereinheit kann ein oder mehrere optische Elemente umfassen, wie beispielsweise eine Kollimationsoptik bzw. Kollimationslinse bzw. Kollimationslinsengruppe und/oder eine Fokussieroptik bzw. Fokussierlinse oder Fokussierlinsengruppe. Die Fokussiereinheit, bzw. zumindest eines oder mehrere Elemente oder Teile der Fokussiereinheit, kann entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls verschiebbar sein. Der Laserbearbeitungskopf kann ferner eine Regeleinheit umfassen. Die Regeleinheit kann eingerichtet sein, basierend auf der durch die Vorrichtung bestimmten Fokuslage die Fokussiereinheit einzustellen oder zu verschieben. Beispielsweise kann die Regeleinheit die durch die Vorrichtung bestimmte tatsächliche Fokuslage, mit anderen Worten ein Ist-Wert der Fokuslage, mit einem Soll-Wert der Fokuslage vergleichen und basierend auf diesem Vergleich durch Einstellen der Fokussiereinheit die Fokuslage einstellen. Mit anderen Worten ist die Regeleinheit eingerichtet, durch die Fokussiereinheit die Fokuslage basierend auf der durch die Vorrichtung bestimmten tatsächlichen bzw. aktuellen Fokuslage zu regeln. Dadurch kann beispielsweise ein Fokusshift oder eine unerwünschte Änderung der Fokuslage des Laserstrahls aufgrund des Phänomens der thermischen Linse ausgeglichen bzw. kompensiert werden.
Die Regeleinheit kann von der Vorrichtung einen durch die Vorrichtung bestimmten Wert der Fokuslage, d.h. einen Ist-Wert der Fokuslage, des Bearbeitungslaserstrahls empfangen und kann den bestimmten Wert der Fokuslage mit einem Soll-Wert der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls vergleichen. Basierend auf diesem Vergleich kann die Regeleinheit die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls einstellen bzw. regeln.
Der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf ermöglicht eine automatische Regelung bzw. Nachführung der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls. Durch den erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf ist eine kontinuierliche Messung und Regelung der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls möglich. Mit anderen Worten ist eine Messung und Regelung der Fokuslage in Echtzeit möglich.
Der Laserbearbeitungskopf kann ein modularer Laserbearbeitungskopf oder ein Laserbearbeitungskopf mit Autofokusfunktion, insbesondere ein Laserbearbeitungskopf mit großem Autofokusbereich von ungefähr 50 mm oder mehr, sein.
Vorzugsweise ist das optische Auskopplungselement im zum Fokus hin konvergierenden Teil des Laserstrahls angeordnet. Mit anderen Worten kann das optische Auskopplungselement in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls hinter der Fokussiereinheit im konvergenten Bereich des Strahlengangs des Laserstrahls angeordnet sein.
Die Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in der Steuereinheit der Vorrichtung, im Detektor der Vorrichtung oder in der Regeleinheit des Laserbearbeitungskopfes angeordnet oder integriert sein. Die vorstehend beschriebene Funktion der Auswerteeinheit der Vorrichtung kann durch die Steuereinheit der Vorrichtung, durch den Detektor der Vorrichtung oder durch die Regeleinheit des Laserbearbeitungskopfes ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Regeleinheit des Laserbearbeitungskopfes direkt mit der Steuereinheit des optischen Elements mit variabler Brennweite und dem Detektor verbunden sein, um die entsprechenden Signale zu empfangen. Die Funktion der Auswerteinheit kann auch durch mehrere dieser Elemente gemeinsam ausgeführt werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls in einem Laserbearbeitungskopf. Das Verfahren umfasst die Schritte: Auskoppeln eines Teilstrahls aus dem Laserstrahl, Einstellen einer Brennweite von zumindest einem optischen Element mit einstellbarer Brennweite und Führen des Teilstrahls durch das zumindest eine optische Element, Erfassen zumindest eines Strahlparameters des Teilstrahls entsprechend der eingestellten Brennweite, und Bestimmen der Fokuslage des Laserstrahls basierend auf dem erfassten Strahlparameter und der eingestellten Brennweite. Vorzugsweise wird die Fokuslage basierend auf einem Extremwert, d.h. einem Minimum oder Maximum, des erfassten Strahlparameters bestimmt.
Das Verfahren kann ferner den folgenden Schritt umfassen: Wiederholen der Schritte des Einstellens und des Erfassens mit zumindest einer weiteren eingestellten Brennweite des optischen Elements, wobei sich die eingestellte zweite Brennweite von der eingestellten ersten Brennweite unterscheidet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner in dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls verwendet werden.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben. Darin ist bzw. sind

1A und 1B schematische Ansichten eines Laserbearbeitungskopfs mit einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls des Laserbearbeitungskopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen Fokuslagen des Bearbeitungslaserstrahls;
2 eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfs mit einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls des Laserbearbeitungskopfes gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3A und 3B schematische Ansichten eines Ausschnitts der Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
4A und 4B schematische Ansichten eines Laserbearbeitungskopfs mit einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls des Laserbearbeitungskopfes gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5A ein Diagramm einer Strahlkaustik, die durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde; und
5B ein Graph einer Laserintensität, die durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
1A ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls eines Laserbearbeitungskopfes und ein Laserbearbeitungskopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Laserbearbeitungskopf 101 ist eingerichtet, einen Bearbeitungslaserstrahl 102 zu erzeugen. Der Bearbeitungslaser 102 wird auf ein Werkstück (nicht gezeigt) eingestrahlt, um das Werkstück zu bearbeiten. Der Bearbeitungslaserstrahl 102 weist eine Ausbreitungsrichtung 11 auf. Die Ausbreitungsrichtung 11 kann im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks sein.
Der Laserbearbeitungskopf 101 umfasst eine Fokussiereinheit 20. Die Fokussiereinheit 20 ist eingerichtet, die Fokuslage des Bearbeitungslasers 102 einzustellen. Wie in 1A gezeigt weist der Bearbeitungslaser 102 eine erste Fokuslage 12 auf. Die Fokussiereinheit 20 umfasst ein entlang der Ausbreitungsrichtung 11 verschiebbares Element 21, beispielsweise eine Kollimationsoptik, und ein entlang der Ausbreitungsrichtung 11 stationäres Element 22, beispielsweise eine Fokussieroptik. Bei den optischen Elementen 21 und 22 kann es sich um Linsen handeln. Durch Verschieben des verschiebbaren Elements 21 entlang der Ausbreitungsrichtung 11 wird die Position des Fokus des Laserstrahls 102 bzw. seine Fokuslage eingestellt bzw. verändert.
Der Laserbearbeitungskopf 101 umfasst ferner eine Regeleinheit 31. Die Regeleinheit ist dazu eingerichtet, die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102 einzustellen bzw. zu regeln. Zu diesem Zweck kann die Regeleinheit 31 mit der Fokussiereinheit 20 verbunden sein. Die Regeleinheit 31 kann mit dem verschiebbaren Element 21 der Fokussiereinheit 20 verbunden sein, um die Position des verschiebbaren Elements 21 entlang der Ausbreitungsrichtung 11 des Bearbeitungslaserstrahls 102 einzustellen. Mit anderen Worten kann die Regeleinheit 31 die Fokussiereinheit 20 einstellen, um die Fokuslage des Bearbeitungslasers 102 einzustellen. Die Fokussiereinheit 20, insbesondere das verschiebbare Element 21, kann somit als Aktuator betrachtet werden.
Die Vorrichtung 81 zur Bestimmung einer Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102 des Laserbearbeitungskopfs 101 umfasst ein optisches Auskopplungselement 814. Das optische Auskopplungselement 814 ist dazu eingerichtet, einen Teilstrahl 51 aus dem Bearbeitungslaserstrahl 102 auszukoppeln. Das optische Auskopplungselement 814 ist gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform ein halbtransparentes optisches Element. In diesem Beispiel wird der Teil des auf das optische Auskopplungselement 814 auftreffenden Laserlichts als Teilstrahl 51 ausgekoppelt.
Gemäß der in 1A gezeigten Ausführungsform ist das optische Auskopplungselement 814 eines oder das letzte transparente optische Element entlang der Ausbreitungsrichtung 11 des Bearbeitungslaserstrahls 102, bevor der Bearbeitungslaserstrahl 102 auf das zu bearbeitende Werkstück trifft. Das optische Auskopplungselement 814 kann beispielsweise ein Schutzglas des Laserbearbeitungskopfes 101 sein. Vorzugsweise ist das optische Auskopplungselement 814 entlang der Ausbreitungsrichtung 11 hinter der Fokussiereinheit 20, d.h. im fokussierten Bereich des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls 102 angeordnet.
Wie gezeigt ist das optische Auskopplungselement 814 zur Ausbreitungsrichtung 11 oder optischen Achse des Bearbeitungslaserstrahls 102 geneigt angeordnet, um den Teilstrahl 51 aus dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 102 auszukoppeln. Dies bedeutet, dass der Bearbeitungslaserstrahl 102 mit einem Winkel auf eine Fläche des optischen Auskopplungselements 814 auftrifft, der ungleich 90 Grad ist.
Der ausgekoppelte Teilstrahl 51 wird gemäß der in 1A gezeigten Ausführungsform durch ein Umlenkelement 815 umgelenkt oder gefaltet. Dies hat den Vorteil, dass eine räumlich kompakte Strahlführung des Teilstrahls 51 ermöglicht wird, bzw. dass ein räumlich kompakter Strahlengang des Teilstrahls 51 geschaffen wird, sodass die Vorrichtung 81 räumlich kompakt ausgebildet werden kann. Das Umlenkelement 815 kann beispielsweise als Spiegel ausgebildet sein. Das Umlenkelement 815 ist jedoch nicht erforderlich.
Die Vorrichtung 81 umfasst ferner ein optisches Element 812 mit einstellbarer bzw. variabler Brennweite. Das optische Element 812 ist im Strahlengang des Teilstrahls 51 angeordnet. Mit anderen Worten wird der Teilstrahl 51 durch das optische Element 812 gebrochen bzw. fokussiert. Das optische Element 812 kann also mittels der einstellbaren Brennweite eine Fokuslage des Teilstrahls 51 verändern. Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform weist das optische Element 812 eine kontinuierlich einstellbare Brennweite auf und ist als deformierbare Linse, beispielsweise eine Flüssig- oder Polymerlinse, ausgebildet. Durch die Deformation des optischen Elements 812 kann die Brennweite eingestellt werden. Das optische Element 812 kann aber ebenso mehrere Moire-Linsen umfassen, wovon zumindest eine drehbar gelagert ist. Hier wird durch Verdrehen der Linsen gegeneinander die Brennweite des optischen Elements 812 eingestellt.
Nach dem Auskoppeln aus dem Laserstrahl 102 wird der Teilstrahl 51 also gegebenenfalls durch eine Umlenkeinheit 815 umgelenkt und wird anschließend durch das optische Element 812 mit einstellbarer Brennweite geführt bzw. durchläuft das optische Element 812. Danach trifft der Teilstrahl 51 auf einen Detektor 811, der entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls 51 hinter dem optischen Element 812 angeordnet ist.
Die Vorrichtung 81 kann derart ausgestaltet sein, dass wenn die Brennweite des optischen Elements 812 auf unendlich eingestellt ist (d.h. wenn das optische Element 812 den Teilstrahl 51 nicht bricht), eine optische Wegstrecke des Bearbeitungslaserstrahls zwischen der Fokussiereinheit 20 (z.B. dem stationären Element 22 der Fokussiereinheit 20) und der Soll-Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls gleich einer optischen Wegstrecke des Teilstrahls 51 zwischen der Fokussiereinheit 20 (z.B. dem stationären Element 22 der Fokussiereinheit 20) und dem Detektor 811 ist. In diesem Fall ist der Detektor im Fokus des Teilstrahls 51 angeordnet. Eine Abweichung des Bearbeitungslaserstrahls von der Soll-Fokuslage kann durch eine entsprechende Veränderung des vom Detektor 811 erfassten Strahlparameters erkannt werden.
Der Detektor 811 ist gemäß der in 1A gezeigten Ausführungsform ein Detektor, der dazu eingerichtet ist, eine Laserintensität oder Laserleistungsdichte des auftreffenden Teilstrahls 51 zu erfassen. Beispielsweise ist der Detektor 811 als Photodiode oder als ein bestrahlungsstärkeempfindlicher Photodetektor ausgebildet. Der Detektor 811 kann ebenfalls dazu eingerichtet sein, einen Durchmesser des auftreffenden Teilstrahls 51 zu erfassen. In diesem Fall kann der Detektor 811 als ortsauflösender Detektor, beispielsweise als CCD-Kamera oder als Photodioden-Array, ausgebildet sein.
Sowohl das optische Element 812 mit variabler Brennweite als auch der Detektor 811 sind bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls 51 stationär ausgebildet. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise der Vorrichtung 81, da keine entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls 51 beweglichen oder verschiebbaren Elemente erforderlich sind.
Die Vorrichtung 81 umfasst ferner eine Auswerteeinheit 813. Die Auswerteeinheit 813 ist mit dem optischen Element 812 und dem Detektor 811 verbunden.
Die Auswerteeinheit 813 ist dazu eingerichtet, verschiedene Brennweiten des optischen Elements 812 einzustellen. Diese Funktion kann auch durch eine separate Steuereinheit (nicht gezeigt) ausgeführt werden. Ferner ist die Auswerteeinheit 813 dazu eingerichtet, für jeweils eingestellte Brennweiten des optischen Elements 812 die vom Detektor 811 gemessene Laserintensität bzw. den gemessenen Strahldurchmesser des Teilstrahls 51 auszuwerten. Insbesondere kann die Auswerteeinheit 813 dazu eingerichtet sein, basierend auf den verschiedenen, jeweils eingestellten Brennweiten des optischen Elements 812 und den entsprechenden, durch den Detektor 812 erfassten Werten für die Laserintensität bzw. den Strahldurchmesser des Teilstrahls 51 einen Wert für die eingestellte Brennweite des optischen Elements 812 zu bestimmen, bei der die Laserintensität einen Maximalwert bzw. der Strahldurchmesser des Teilstrahls 51 einen Minimalwert annimmt. Zudem kann die Auswerteeinheit 813 eine Strahlkaustik des Teilstrahls 51 bestimmen. Die Auswerteeinheit 813 ist dazu eingerichtet, die vorstehend genannte Bestimmung des Werts der eingestellten Brennweite des optischen Elements 812 entsprechend einem Maximalwert der Laserintensität bzw. einem Minimalwert des Strahldurchmessers des Teilstrahls 51 kontinuierlich und/oder in Echtzeit während einer Lasermaterialbearbeitung durch den Bearbeitungslaserstrahl 102 des Laserbearbeitungskopfes 101 durchzuführen.
Die Auswerteeinheit 813 kann anhand des Werts der eingestellten Brennweite, bei der die Laserintensität einen Maximalwert bzw. der Strahldurchmesser des Teilstrahls 51 einen Minimalwert annimmt, und basierend auf einem Abstand zwischen dem optischen Auskopplungselement 814 und dem Detektor 811 entlang der Strahlausbreitungsrichtung des Teilstrahls 51 in Echtzeit bzw. kontinuierlich die aktuelle Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102 bestimmen. Der Abstand zwischen dem optischen Auskopplungselement 814 und dem Detektor 811 entlang der Strahlausbreitungsrichtung des Teilstrahls 51 kann als optische Wegstrecken des Teilstrahls 51 betrachtet werden.
Dadurch ist es möglich, stets den Ist-Wert der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102 in Echtzeit zu bestimmen bzw. zu ermitteln. Somit ist es möglich, die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102 in Echtzeit und präzise zu regeln.
Zu diesem Zweck kann die Auswerteeinheit 813 mit der Regeleinheit 31 verbunden sein. Die Regeleinheit 31 empfängt von der Auswerteeinheit 813 den Ist-Wert bzw. den bestimmten Wert der tatsächlichen Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102 und vergleicht den empfangenen Ist-Wert mit dem eingestellten Wert bzw. dem Soll-Wert für die Fokuslage. Ergibt der Vergleich, dass der eingestellte Soll-Wert vom Ist-Wert abweicht, beispielsweise wegen einer Fokuslagenverschiebung aufgrund einer thermischen Linse, steuert die Regeleinheit 31 die Fokussiereinheit 20 derart, dass der Fokus bzw. die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102 nachgeführt bzw. dass die Abweichung kompensiert wird.
1B zeigt die Vorrichtung 81 und den Laserbearbeitungskopf 101 gemäß der in 1A gezeigten Ausführungsform bei einer eingestellten zweiten Fokuslage 13 des Bearbeitungslaserstrahls 102.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfs mit einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 2 gezeigte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform bis auf die im Folgenden beschriebenen Unterschiede.
Das optische Auskopplungselement 814 der in 2 gezeigten Ausführungsform unterscheidet sich vom optischen Auskopplungselement 814 der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform dadurch, dass das optische Auskopplungselement einen Spiegel umfasst. Der Spiegel ist semitransparent bzw. halbdurchlässig. Der Spiegel reflektiert einen Teil des auftreffenden Laserlichts als den Bearbeitungslaserstrahl 102. Der nicht reflektierte Teil des auftreffenden Laserlichts wird als Teilstrahl 51 ausgekoppelt. Mit anderen Worten ist hier der ausgekoppelte Teilstrahl 51 der transmittierte Teil des auf den Spiegel auftreffenden Laserlichts und der Bearbeitungsstrahl 102 wird vom Spiegel reflektiert und auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet. Gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 81 kein Umlenkelement. Es ist jedoch möglich, auch in der Vorrichtung gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform ein Umlenkelement 815 wie in 1A und 1B gezeigt vorzusehen.
3A und 3B zeigen jeweils eine schematische Ansicht eines Ausschnitts der Vorrichtung von 1A und 1B. 3A und 3B zeigen jeweils die Umlenkeinheit 815, das optische Element 812 und den Detektor 811, die nacheinander im Strahlengang des Teilstrahls 51 angeordnet sind. Das optische Element 812 weist in dem in 3A gezeigten Zustand eine andere eingestellte Brennweite als in dem in 3B gezeigten Zustand auf. Die jeweils eingestellten Brennweiten des optischen Elements 812 führen dazu, dass der Teilstrahl 51 am Detektor einen minimalen Strahldurchmesser aufweist. Somit kann der Teilstrahl 51 mit Hilfe des optischen Elements 812 mit einstellbarer Brennweite auf den Detektor 811 fokussiert werden, unabhängig von der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102. Entscheidend ist hier der (bekannte) Abstand des Auskopplungselements 814 zum Detektor 811 im Vergleich zum Abstand des Auskopplungselements 814 zur Fokuslage 12 des Bearbeitungslaserstrahls. Der Strahldurchmesser des Teilstrahls 51 bzw. die Laserintensität des Teilstrahls 51, der bzw. die vom Detektor 811 erfasst wird, ist einerseits abhängig von der eingestellten Brennweite des optischen Elements 812, andererseits von der Einstellung der Fokussiereinheit 20 des Laserbearbeitungskopfes 101 und dem Phänomen der thermischen Linse, welches beispielsweise bei der Fokussiereinheit 20 auftreten kann. Deshalb weist der von dem optischen Auskopplungselement ausgekoppelte Teilstrahl 51 in 3A und 3B auch verschiedene Strahldurchmesser auf. Die Fokuslage 12 wird allerdings basierend auf dem minimalen Strahldurchmesser bzw. der maximalen Intensität bestimmt.
4A und 4B sind schematische Ansichten eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 4A und 4B gezeigte weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform bis auf die im Folgenden beschriebenen Unterschiede.
Im Unterschied zum transmissiven optischen Element 812 mit einstellbarer Brennweite gemäß der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform umfasst das optische Element 812 mit einstellbarer Brennweite gemäß der in 4A und 4B gezeigten Ausführungsform ein reflektives optisches Element, wie etwa einen deformierbaren Spiegel. Der deformierbare Spiegel kann beispielsweise ein piezoelektrisch verformbarer Spiegel oder ein MEMS („microoptoeletromechanical adaptive“) -basierter Spiegel sein. Der deformierbare Spiegel kann auch ein Spiegel mit einem auf Druck variablen Radius sein. Durch die Verformung bzw. Deformation des optischen Elements 812 kann die Brennweite des optischen Elements 812 eingestellt werden.
4A zeigt die Vorrichtung 81 und den Laserbearbeitungskopf bei einer eingestellten ersten Fokuslage 12. 4B zeigt die Vorrichtung 81 und den Laserbearbeitungskopf 101 gemäß der in 4A gezeigten Ausführungsform bei einer eingestellten zweiten Fokuslage 13, die länger ist als die erste Fokuslage 12.
5A ist ein Diagramm einer Strahlkaustik, die durch eine Vorrichtung 81 zum Bestimmen einer Fokuslage gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde. 5B ist ein Graph der Laserintensität des Teilstrahls 51 entlang seiner Strahlausbreitungsrichtung, der durch eine Vorrichtung 81 zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde.
Die Änderung des Strahldurchmessers wird in Abhängigkeit von der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls bzw. des Teilstrahls mathematisch mit der sogenannten Strahlkaustik beschrieben. 5A ist eine Veranschaulichung einer solchen Strahlkaustik des Teilstrahls 51, die durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde.
Erfindungsgemäß kann auch die Strahlkaustik des Teilstrahls 51 erhalten werden, indem mittels der Vorrichtung 81 bei verschiedenen Werten für die eingestellte Brennweite des optischen Elements 812 mittels des Detektors 811 die jeweiligen Werte für den Strahldurchmesser des Teilstrahls 51 erfasst bzw. gemessen werden (entsprechend den Kreisen in 5A). Mit Hilfe der ermittelten Strahldurchmesser und eines mathematischen Modells kann die Strahlkaustik als Einhüllende in 5A bestimmt werden, um den Teilstrahl 51 zu charakterisieren. Allerdings ist eine Auswertung basierend auf dem Extremwert des Strahlparameters einfacher und schneller.
Entsprechend kann erfindungsgemäß, wie in 5B gezeigt, vom Detektor 811 die Laserintensität des Teilstrahls 51 in Abhängigkeit von der eingestellten Brennweite des optischen Elements 812 bestimmt werden. Die Laserintensität erreicht ein Maximum für eine Brennweite des optischen Elements 812, bei der der Durchmesser des Teilstrahls 51 minimal ist.
Erfindungsgemäß verwendet die Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls eines Laserbearbeitungskopfes, ein optisches Element mit einstellbarer Brennweite und einen Detektor, die nacheinander in Ausbreitungsrichtung eines Teilstrahls, der aus dem Laserstrahl ausgekoppelt wird, angeordnet sind. Der Detektor ist dazu eingerichtet, einen Strahlparameter, wie eine Laserintensität und/oder einen Strahldurchmesser, des Teilstrahls zu erfassen. Eine Auswerteeinheit kann ferner vorgesehen sein, um eine eingestellte Brennweite des optischen Elements zu bestimmen, bei der die Laserintensität einen Maximalwert, bzw. bei der der Strahldurchmesser einen Minimalwert annimmt. Basierend auf der eingestellten Brennweite des optischen Elements ist es möglich, eine Fokuslage des Laserstrahls zu bestimmen. Da zur Bestimmung der Fokuslage keine Elemente verschoben werden müssen, wird eine einfache und kompakte Bauweise der Vorrichtung ermöglicht. Ferner wird eine präzise Echtzeit-Bestimmung der Fokuslage ermöglicht und die Bestimmung der Fokuslage ist unabhängig von Abbildungsfehlern, die durch eine Veränderung einer Strahlkaustik des Laserstrahls oder des Teilstrahls, insbesondere eines Fokusdurchmessers, aufgrund des Phänomens der thermischen Linse hervorgerufen werden.
Bezugszeichenliste

11: Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls
12: erste Fokuslage
13: zweite Fokuslage
101: Laserbearbeitungskopf
102: Bearbeitungslaserstrahl
20: Fokussiereinheit
21: verschiebbares Element
22: stationäres Element
31: Regeleinheit
51: ausgekoppelter Teilstrahl
81: Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls
811: Detektor
812: optisches Element mit einstellbarer Brennweite
813: Auswerteeinheit
814: optisches Auskopplungselement
815: Umlenkelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015106618 B4 [0006]
DE 19630607 C1 [0008]

Claims

Vorrichtung (81) zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls (102) eines Laserbearbeitungskopfes (101), die Vorrichtung (81) umfassend: - ein optisches Auskopplungselement (814) zum Auskoppeln eines Teilstrahls (51) aus einem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (102), - einen Detektor (811) zum Erfassen von zumindest einem Strahlparameter des Teilstrahls (51), und - zumindest ein optisches Element (812) mit einstellbarer Brennweite, welches in einem Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls (51) zwischen dem optischen Auskopplungselement (814) und dem Detektor (811) angeordnet ist.
Vorrichtung (81) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend eine Auswerteeinheit (813), die eingerichtet ist, basierend auf verschiedenen eingestellten Brennweiten des optischen Elements (812) und den entsprechenden Werten des zumindest einen Strahlparameters des Teilstrahls (51) die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (102) zu bestimmen.
Vorrichtung (81) gemäß Anspruch 2, wobei der Detektor (811) eingerichtet ist, Werte des zumindest einen Strahlparameters bei verschiedenen eingestellten Brennweiten des zumindest einen optischen Elements (812) zu erfassen, und wobei die Auswerteeinheit (813) eingerichtet ist, einen Wert der eingestellten Brennweite des optischen Elements (812) entsprechend einem Extremwert des zumindest einen Strahlparameters zu bestimmen.
Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Strahlparameter des Teilstrahls (51) eine Laserintensität und/oder einen Strahldurchmesser des Teilstrahls (51) umfasst.
Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine optische Element (812) mit einstellbarer Brennweite ein deformierbares optisches Element, eine deformierbare Linse, einen deformierbaren Spiegel, einen MEMS-basierten deformierbaren Spiegel, einen piezoelektrisch deformierbaren Spiegel, einen druckbasierten deformierbaren Spiegeln, mehrere gegeneinander verdrehbare optische Elemente und/oder ein Moire-Linsenpaar umfasst.
Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine optische Element (812) mit einstellbarer Brennweite stationär bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls (51) angeordnet ist.
Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, verschiedene Brennweiten des optischen Elements (812) einzustellen.
Vorrichtung (81) gemäß Anspruch 7, wobei das zumindest eine optische Element (812) mit einstellbarer Brennweite ein erstes optisches Element mit einstellbarer Brennweite und ein zweites optisches Element mit einstellbarer Brennweite umfasst, und wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Brennweite des ersten optischen Elements basierend auf einer Soll-Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (102) einzustellen und die Brennweite des zweiten optischen Elements zu variieren.
Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Auskopplungselement (814) eingerichtet ist, den Teilstrahl (51) mittels Teilreflexion aus dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (102) auszukoppeln, und/oder wobei das optische Auskopplungselement (814) ein Schutzglas und/oder einen Spiegel umfasst.
Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Detektor (811) einen nicht-ortsauflösenden Sensor, einen Einzelpixel-Sensor, einen bestrahlungsstärkeempfindlichen Photodetektor, ein Photodiodenarray, oder eine CCD-Kamera umfasst, und/oder wobei eine Blende zwischen dem Detektor (811) und dem optischen Element (812) mit einstellbarer Brennweite angeordnet ist.
Laserbearbeitungskopf (101) zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (102), umfassend: eine Fokussiereinheit (20) zum Einstellen einer Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (102); und eine Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Auskopplungselement (814) im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (102) angeordnet ist.
Laserbearbeitungskopf (101) gemäß Anspruch 11, ferner umfassend: eine Regeleinheit (31), die eingerichtet ist, mittels der Fokussiereinheit (20) basierend auf der durch die Vorrichtung (81) bestimmten Fokuslage die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (102) bezüglich des Werkstücks zu regeln.
Laserbearbeitungskopf (101) gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei das optische Auskopplungselement (814) im zum Fokus hin konvergierenden Teil des Bearbeitungslaserstrahls (102) und/oder zwischen der Fokussiereinheit (20) und dem Werkstück und/oder als letztes optisches Element im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (102) vor dem Werkstück und/oder nach allen abbildenden oder strahlformenden optischen Elementen im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (102) angeordnet ist.
Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls (102) eines Laserbearbeitungskopfes (101), das Verfahren umfassend die Schritte: - Auskoppeln eines Teilstrahls (51) aus dem Bearbeitungslaserstrahl (102), - Einstellen einer Brennweite von zumindest einem optischen Element (812) mit einstellbarer Brennweite, das im Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls (51) angeordnet ist, - Erfassen zumindest eines Strahlparameters des Teilstrahls (51) entsprechend der eingestellten Brennweite nach Durchlaufen des zumindest einen optischen Elements (812) mit einstellbarer Brennweite, und - Bestimmen der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (102) basierend auf dem erfassten Strahlparameter und der eingestellten Brennweite.
Verfahren gemäß Anspruch 14, ferner umfassend den folgenden Schritt: - Wiederholen der Schritte des Einstellens und des Erfassens mit zumindest einer weiteren eingestellten Brennweite des optischen Elements (812), wobei die eingestellten Brennweiten voneinander verschieden sind.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei Werte des zumindest einen Strahlparameters bei verschiedenen eingestellten Brennweiten des zumindest einen optischen Elements (812) erfasst werden, und ein Wert der eingestellten Brennweite des optischen Elements (812) entsprechend einem Extremwert des zumindest einen Strahlparameters bestimmt wird, um darauf basierend die Fokuslage zu bestimmen.