DE102019111501A1

DE102019111501A1 - Verfahren zur Optimierung einer mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgeführten Laserbearbeitung, sowie Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019111501A1
Application number: DE102019111501.9A
Authority: DE
Inventors: Stephan Eifel; Jens Holtkamp; Joachim Ryll
Original assignee: Pulsar Photonics GmbH
Current assignee: Pulsar Photonics GmbH
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-11-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgeführten Laserbearbeitung, wobei im Zuge der Laserbearbeitung von einer Laserstrahlungsquelle (1) Laserstrahlung (10) erzeugt und entlang eines optischen Pfades (2) in Richtung einer Arbeitsebene (3) ausgesendet wird, wobei die Laserstrahlung (10) mittels eines in dem optischen Pfad (2) nachgelagert zur Laserstrahlungsquelle (1) angeordneten Spatial Light Modulators (4) moduliert wird, und wobei die modulierte Laserstrahlung (20) auf die Arbeitsebene (3) fokussiert wird, umfassend die folgenden, in einer closed-loop Regelschleife ausgeführten Schritte:i. Ermitteln von zumindest einem Ist-Merkmal der Laserstrahlung (10) und/oder der modulierten Laserstrahlung (20) unter Einsatz von zumindest einer Kameraeinheit (K1, K2, K3, KA);ii. Vergleichen des zumindest einen Ist-Merkmals der Laserstrahlung (10) und/oder der modulierten Laserstrahlung (20) mit zumindest einem vorgegebenen Soll-Merkmal und Bestimmen einer jeweiligen Merkmalsabweichung;iii. Bewerten der Merkmalsabweichung und gegebenenfalls Anpassen zumindest eines Stellparameters.Weiterhin betrifft die Erfindung eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.Mit dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren sowie der Laserbearbeitungsvorrichtung wird eine vereinfachte Überwachung und Regelung bei der Ausrichtung und Formung von Laserstrahlung ermöglicht. Das Verfahren bietet dabei eine Grundlage für eine Laserbearbeitung mit geformter Laserstrahlung mit hoher Prozessstabilität.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgeführten Laserbearbeitung, sowie eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Ausführung einer Laserbearbeitung eines Werkstücks.
Im Wege der kontinuierlich fortschreitenden Entwicklung der Lasertechnologie ist es seit vielen Jahren bekannt, Laser zur Bearbeitung verschiedenster Materialien einzusetzen, beispielsweise im Bereich der Fertigung elektronischer Bauelemente oder von Displayelementen.
Bei der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung (beispielsweise der Laser-Ablation, dem Laser-Schweißen, dem Laser-Löten, Laser-Reinigen, Laser-Bohren, Laser-Sintern oder dem Laser-Schmelzen) wird aktuell meist Laserstrahlung mit einer gaußförmigen Intensitätsverteilung eingesetzt. Für viele dieser Prozesse ist es aber von Vorteil, die Intensitätsverteilung im Bearbeitungsbereich des Werkstücks an den konkret vorliegenden Bearbeitungsprozess bzw. das zu bearbeitende Material anzupassen. Daher werden zunehmend Optimierungen der Laserverfahren durch Änderung der Intensitätsverteilung in der Bearbeitungsebene untersucht. Zur Anpassung der Intensitätsverteilung ist es dabei bekannt, die von einer Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung einer Strahlformung zu unterziehen, was ein erhebliches Optimierungspotenzial für die Laserprozessentwicklung bietet. Die sich daraus ergebenden Vorteile einer Strahlformung liegen beispielsweise in höheren Prozessgeschwindigkeiten oder in besseren Bearbeitungsergebnissen.
Wie bereits erwähnt, weist die von einer Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung in Bezug auf ihren Strahlenquerschnitt typischerweise eine gaußförmige Intensitätsverteilung bzw. ein gaußförmiges Strahlprofil auf. Über geeignete Strahlformungstechniken können Laserstrahlen jedoch unter Abänderung der Intensitätsverteilung geformt werden. Zur Formung einer Intensitätsverteilung eines Laserstrahls können entweder seine Phase, seine Amplitude oder beide Größen zusammen moduliert werden. Entsprechend kommen Phasenmodulatoren, Amplitudenmodulatoren oder Phasen- und Amplitudenmodulatoren zum Einsatz, beispielsweise in Form von diffraktiven Strahlformern. Diffraktive Strahlformer (Diffractive Optical Elements, kurz DOE) zur Einstellung von Fernfeldintensitäten können als Phasenelemente in Glas oder anderen transparenten Materialien hergestellt werden.
Weiterhin kann die Form einer Intensitätsverteilung durch Brechung und Reflektion an optischen Elementen erfolgen. Entsprechend kommen geformte refraktive oder reflektive Elemente wie beispielsweise deformierte oder deformierbare Spiegel oder transmissive Elemente mit einer geometrischen Verformung der Oberfläche oder Form zum Einsatz. Die einzelnen Teilstrahlen eines auf das refraktive oder reflektive optische Element einfallenden Laserstrahl fallen dabei auf jeweils unterschiedlich gewölbte Oberflächen und werden an diesen reflektiert oder gebrochen. Die Gesamtheit der Teilstrahlen bildet nach der Formung durch das Element eine neue Intensitätsverteilung. Ein Beispiel für ein solche Strahlformung ist die Umformung eines gaußförmigen Laserstrahls in einen Top-Hat förmigen Laserstrahl, auch Gauß-zu-Top-Hat Strahlformer genannt. Die für die Strahlformung notwendige geometrische Verformung der Oberfläche kann mit analytischen, numerischen oder iterativen Verfahren (z.B. Überlagerung von Zernikepolynomen) berechnet werden. Kennzeichnend für die Strahlformung mit refraktiven und reflektiven Elementen ist die starke Abhängigkeit der neuen Intensitätsverteilung nach dem strahlformenden Element von der Intensitätsverteilung des auf das Element einfallenden Laserstrahls und von der lateralen Positionierung des strahlformenden Elements relativ zum einfallenden Laserstrahl.
Diffraktive strahlformende Elemente können beispielsweise als Strahlteiler ausgeführt sein, beispielhaft seien in diesem Zusammenhang binäre Gitter genannt. Aufgrund der Geometrie der diffraktiven Struktur kommt es auf einem rechteckigen Gitter im Ortsfrequenzraum (k-Raum) zu konstruktiver Interferenz. Durch numerische Algorithmen (z.B. einem Iterativen Fourier-Transformations Algorithmus (IFTA)) können unterschiedlichste Anordnungen von aktiven Beugungsordnungen (konstruktive Interferenz) verwirklicht werden. Hierbei muss die Winkeltrennung der Beugungsordnungen groß genug gegenüber der Fernfelddivergenz der einfallenden Laserstrahlung sein, da andernfalls Interferenz die Anordnung der aktiven Beugungsordnungen stört. Diffraktiv strahlformende Elemente können weiterhin beispielweise auch die gleiche optische Wirkung wie refraktive strahlformende Elemente erzielen. Dazu kann man die geometrische Verformung der Oberfläche des refraktiven Elements in eine diffraktive Phasenverteilung überführen (z.B. durch eine Modulo Operation mit der Wellenlänge des Lichtes als Divisor und dem Profilverlauf der Oberfläche als Dividenden). Als Beispiel für eine solche Überführung sei die Fresnel-Linse genannt, die eine sphärische Linse in eine diffraktive Version überführt. Die sich ergebende Phasenverteilung für eine solche Überführung wird im Folgenden auch refraktive Lösung genannt.
Solche unveränderbaren DOEs werden jedoch zunehmend durch programmierbare Modulationseinheiten zur dynamischen Formung der Laserstrahlung ersetzt. Mit programmierbaren Modulationseinheiten kann die örtliche und zeitliche Intensitätsverteilung von seitens einer Laserstrahlungsquelle ausgesendeten Laserstrahlung eingestellt werden. Derart programmierbare Modulationseinheiten werden auch als „Spatial Light Modulator (SLM)“ bezeichnet, weshalb nachfolgend auf diese Terminologie zurückgegriffen wird.
Bekannt sind dabei insbesondere Spatial Light Modulatoren auf Basis von Flüssigkristallen (z.B. Liquid Crystal on Silicon (LCoS)-Phasenmodulator Chiparray) oder in Form von „Digital Micromirror Devices“. Letztere geben eine ein- oder zweidimensionale Anordnung beweglicher Mikrospiegel an. Mit einem Spatial Light Modulator (gleich welcher Natur) können örtliche Phasenänderungen durch Änderung der optischen Weglänge oder von Brechungsindices bewirkt werden. Bei Kenntnis der Eigenschaften des Eingangsstrahls kann mit ihnen eine gewünschte Form einer Wellenfront eines Laserstrahls eingestellt werden. Auch kann mit einem solchen SLM in einer Arbeitsebene, also auf einem zu bearbeitenden Werkstück, eine gewünschte Intensitätsverteilung des Laserstrahls und damit eine gewünschte Strahlform eingestellt werden.
Es existieren verschiedenste Algorithmen, die für die Programmierung derartiger SLMs in Abhängigkeit der gewünschten Intensitätsverteilung geeignet sind. Ein aus dem Bereich der diffraktiven optischen Elemente bekannter Ansatz für die iterative Berechnung einer Phasenverteilung eines strahlformenden DOEs zur Generierung einer gewünschten Zielverteilung im Fernfeld oder im Fokus einer nachgelagerten Linse ist der Gerchberg-Saxton Algorithmus, oder auch Iterativer Fourier-Transformations-Algorithmus (IFTA) genannt. Hierbei wird mit dem IFTA zu einer vorgegebenen Intensitätsverteilung und einer vorgegebenen reellen Amplitude des auf das DOE einfallenden Laserstrahls (üblicherweise einer ebenen Welle mit gaußförmiger Amplitudenverteilung) iterativ eine Phasenverteilung errechnet, so dass die Fourier-Transformation der komplexen Amplitude eine der Anwendung angemessene Näherung der gewünschten Fernfeld-Verteilung ergibt. Kalibrierungenauigkeiten oder ein Drift des Laserstrahls relativ zum strahlformenden Element während der Laserbearbeitung können dabei das Bearbeitungsergebnis negativ beeinflussen und eine dem entgegenwirkende Justierung der Laserbearbeitungsvorrichtung notwendig machen, beispielsweise über die Anpassung eines geeigneten Stellparameters.
Für bestimmte Strahlformungen kann die Qualität der ausgeführten Strahlformung stark von einer korrekten Justierung der auf den Spatial Light Modulator einfallenden Laserstrahlung abhängen. Weiterhin ist die Qualität der Strahlformung abhängig von der Justierung der verwendeten optischen Komponenten, insbesondere vom Abgleich der Strahlmitte bzw. der Schwerpunktlage des auf den Spatial Light Modulator einfallenden Laserstrahls und der Strahlmitte bzw. Schwerpunktlage des auf dem Spatial Light Modulator eingeblendeten Formungsmusters. Weiterhin geht auch der Radius und die Form des einfallenden Laserstrahls in das Ergebnis der Strahlformung ein. Eine unzureichende Justierung sowie Temperaturdrift kann letztlich zu einer Verminderung der Bearbeitungsqualität einer mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgeführten Laserbearbeitung führen.
Der bereits erwähnte Iterative Fourier-Transformations-Algorithmus (IFTA) kann zudem zur Berechnung einer Phasenverteilung verwendet werden, die zur Modulation von auf den SLM auftreffender Laserstrahlung verwendet wird.
Im Allgemeinen können Abweichungen der Ist-Lage eines von einer Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahls von einer Soll-Lage auf einem optischen Element durch die so genannte „Pointing Instability“ des Laserstrahls, durch Schwingungen, Bewegungen oder Erschütterungen der zugehörigen Laserbearbeitungsvorrichtung (z.B. Bewegung des Laserbearbeitungskopfes relativ zum Werkstück und/oder Laser im Prozess), durch Umbau- oder Reparaturarbeiten an der Laserbearbeitungsvorrichtung sowie durch einen thermischen Drift entstehen. Gleichermaßen kann es auch bei der Berechnung einer auf einen Laserstrahl zur Erzeugung einer gewünschten Intensitätsverteilung im Fernfeld aufzumodulierenden Phasenverteilung zu Abweichungen der erzielten Ist-Intensitätsverteilung von der gewünschten Intensitätsverteilung kommen. Bei den bekannten Berechnungsverfahren fließen insbesondere theoretische und ideale Annahmen bezüglich des auf den Spatial Light Modulator einfallenden Laserstrahls (z.B. Form, Lage und Wellenfront), dem Aufbau des Modulators sowie die dem SLM nachgelagerten optischen Elemente ein. Reale Randbedingungen bleiben dabei meist unberücksichtigt.
Entsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Optimierung einer mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgeführten Laserbearbeitung, sowie eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Ausführung einer Laserbearbeitung bereitzustellen, mit dem eine vereinfachte Überwachung und Regelung bei der Ausrichtung und Formung von Laserstrahlung ermöglicht wird. Das Verfahren bietet dabei eine Grundlage für eine Laserbearbeitung mit geformter Laserstrahlung mit hoher Prozessstabilität.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 sowie eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 39 vorgeschlagen.
Wie bereits erwähnt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Optimierung einer mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgeführten Laserbearbeitung, wobei im Zuge der Laserbearbeitung von einer Laserstrahlungsquelle Laserstrahlung erzeugt und entlang eines optischen Pfades in Richtung einer Arbeitsebene ausgesendet wird, wobei die Laserstrahlung mittels eines in dem optischen Pfad nachgelagert zur Laserstrahlungsquelle angeordneten Spatial Light Modulators moduliert wird, und wobei die modulierte Laserstrahlung auf die Arbeitsebene fokussiert wird, umfassend die folgenden in einer closed-loop Regelschleife ausgeführten Schritte:

i. Ermitteln von zumindest einem Ist-Merkmal der Laserstrahlung und/oder der modulierten Laserstrahlung unter Einsatz von zumindest einer Kameraeinheit;
ii. Vergleichen des zumindest einen Ist-Merkmals der Laserstrahlung und/oder der modulierten Laserstrahlung mit zumindest einem vorgegebenen Soll-Merkmal und Bestimmen einer jeweiligen Merkmalsabweichung;
iii. Bewerten der Merkmalsabweichung und gegebenenfalls Anpassen zumindest eines Stellparameters.

Das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren kann - wie erwähnt - zur Optimierung einer Laserbearbeitung bzw. einer dazu verwendeten Laserbearbeitungsvorrichtung zum Einsatz kommen. Nach der Erzeugung von vorzugsweise gepulster Laserstrahlung mit der Laserstrahlungsquelle wird die Laserstrahlung entlang eines optischen Pfades in Richtung einer Arbeitsebene ausgesendet. Bei der Arbeitsebene handelt es sich vorzugsweise um eine Werkstückebene, also einen Bereich in welchem ein zu bearbeitendes Werkstück angeordnet werden kann. Die Form und Natur des Werkstücks ist dabei nicht festgelegt, es kann sich also gleichsam um ebene Flachsubstrate oder gekrümmte Werkstücke handeln. Die Werkstücke können in einer der Laserbearbeitungsvorrichtung zugehörigen Werkstückaufnahme angeordnet sein. Mit der Werkstückaufnahme kann eine Werkstückpositionierungseinheit zusammenwirken. Diese kann dazu eingerichtet sein, eine Werkstückbewegung innerhalb einer von zwei horizontalen Raumachsen aufgespannten Ebene auszuführen. Dies kann eine eindimensionale Linearbewegung in der Ebene wie auch eine zweidimensionale Bewegung in der Ebene (beispielsweise im Sinne einer Kurvenfahrt) umfassen. Während der Laserbearbeitung kann die Werkstückbewegung (entlang eines vorgegebenen Bewegungspfades) kontinuierlich (d.h. ohne Stillstand) ausgeführt werden. Auch kann die Werkstückpositionierungseinheit eine Vertikalbewegung des Werkstücks vermitteln.
Die Laserstrahlungsquelle ist dazu eingerichtet, Laserstrahlung, beispielsweise gepulste Laserstrahlung, zu erzeugen und auszusenden. Dabei propagiert die ausgesendete Laserstrahlung entlang eines optischen Pfades bis zum Auftreffen auf die Arbeitsebene bzw. auf das zu bearbeitende Werkstück. Zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Arbeitsebene kann die Laserstrahlung optische Funktionselemente durchlaufen, an diesen reflektiert, gebrochen, geteilt der abgelenkt werden. Unter der erzeugten und ausgesendeten Laserstrahlung kann vorliegend kontinuierliche, insbesondere aber gepulste Laserstrahlung zu verstehen sein.
Typische Pulswiederholraten liegen dabei im Bereich zwischen einigen Hertz bis einigen Megahertz. Für eine effektive Materialbearbeitung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Pulsdauer weniger als 100 ns beträgt, bevorzugt weniger als 10 ns und insbesondere weniger als 1 ns. In diesem Pulsdauerbereich überwiegen bei der Materialbearbeitung thermisch bedingte Effekte.
Wird gepulste Laserstrahlung mit einer kürzeren Pulsdauer eingesetzt, so gewinnen Effekte an Einfluss, die mit der Deposition sehr hoher Energiemengen in sehr kurzer Zeit einhergehen, d.h. mit hohen Peakleistungen. Bei diesen Effekten kann es sich insbesondere um Sublimationseffekte handeln, bei denen das Material des Werkstücks schlagartig lokal verdampft, d.h. solche Effekte, bei denen anstelle einer Materialumlagerung ein Materialabtrag erfolgt. Hier hat sich der Einsatz von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von weniger als 100 ps, insbesondere weniger als 10 ps und besonders bevorzugt weniger als 1 ps als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere Pulsdauern im Bereich von einigen Hundert Femtosekunden bis zu etwa 10 ps, lassen einen gezielten Materialabtrag durch Sublimation zu. Die bei zum Anmeldezeitpunkt gebräuchlichen Laserstrahlungsquellen auftretenden Pulswiederholraten liegen dabei typischerweise zwischen 50 und etwa 2.000 kHz.
Zukünftig zur Verfügung stehende Laserstrahlungsquellen mit noch kürzeren Pulsdauern sind ebenfalls vorteilhaft im Zusammenhang mit der im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommenden Laserbearbeitungsvorrichtung verwendbar.
Je nach zu lösender Bearbeitungsaufgabe kann aber auch die Verwendung von gepulster Laserstrahlung mit noch längeren Pulsdauern als den vorstehend genannten 100 ns sinnvoll sein, beispielsweise wenn bestimmte Wellenlängen für die Bearbeitungsaufgabe erforderlich sind, oder eine langsamere Energiedeposition vorteilhaft ist, beispielsweise um eine gezielte lokale Erwärmung zur Initiation einer lokalen Bearbeitungsreaktion, die auch chemischer Natur sein kann wie z.B. das Auslösen einer Polymerisationsreaktion, zu erzielen und gleichzeitig einen vorzeitigen Materialabtrag zu vermeiden.
Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren bei Laserbearbeitungsvorrichtungen zum Einsatz kommen, die kontinuierliche Laserstrahlung erzeugen, d.h. bei der Laserstrahlungsquelle handelt es sich um einen Dauerstrichlaser. Dies ist insbesondere bei Verfahren vorteilhaft, bei denen das Material nicht sublimiert, sondern lediglich aufgeschmolzen werden soll z.B. bei generativen oder Fügeverfahren.
Unabhängig davon, ob die Laserstrahlungsquelle gepulste oder kontinuierliche Laserstrahlung erzeugt, ist die Erfindung nicht auf bestimmte Wellenlängen beschränkt. Vielmehr können Laserstrahlungsquellen eingesetzt werden, die Laserstrahlung erzeugen, deren Wellenlänge im Spektrum zwischen dem tiefen UV und dem fernen Infrarot liegt. Bevorzugt liegt die Wellenlänge der eingesetzten Laserstrahlung im sichtbaren Spektralbereich bis zum nahen Infrarot.
Bevorzugt ist die Laserstrahlungsquelle dazu eingerichtet, monochromatische Laserstrahlung zu erzeugen. Je nach Bearbeitungsaufgabe können aber auch breitbandige Laserstrahlungsquellen vorteilhaft sein.
Weiterhin bevorzugt ist die Laserstrahlungsquelle dazu eingerichtet, modenreine Laserstrahlung zu erzeugen (Single Mode Laser), insbesondere Laserstrahlung mit gaußförmiger Intensitätsverteilung. Besonders bevorzugt erzeugt die Laserstrahlungsquelle Laserstrahlung mit rundem Intensitätsprofil.
Die genannte Laserbearbeitungsvorrichtung, bei welcher das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren zum Einsatz kommen kann, weist ferner einen der Laserstrahlungsquelle in dem optischen Pfad, also in Strahlrichtung, nachgeordneten Spatial Light Modulator auf. Dieser ist dazu eingerichtet, aus der auf den Spatial Light Modulator auftreffenden Laserstrahlung modulierte Laserstrahlung zu formen. Der Begriff der „Strahlrichtung“ nimmt in diesem Zusammenhang auf den Verlauf des Laserstrahls Bezug. Die Angabe des in Strahlrichtung in Bezug zur Laserstrahlungsquelle „nachgeordneten“ bzw. „nachgelagerten“ Spatial Light Modulators meint, dass der Spatial Light Modulator entlang des optischen Pfades hinter der Laserstrahlungsquelle angeordnet ist. Die Laserstrahlung wird also zunächst erzeugt und tritt erst dann in den Spatial Light Modulator ein bzw. trifft auf diesem auf.
Unter dem Begriff der „Strahlformung“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Einstellung einer gewünschten (Laserstrahl)-Intensitätsverteilung zu verstehen, welche die auf die Arbeitsebene bzw. ein Werkstück abgebildete modulierte Laserstrahlung in der Arbeitsebene bzw. auf dem zu bearbeitenden Werkstück erzeugt. Zur Strahlformung ist in der Laserbearbeitungsvorrichtung ein Spatial Light Modulator vorgesehen, mit welchem die von der Laserstrahlungsquelle erzeugte und ausgesendete Laserstrahlung dahingehend geformt bzw. moduliert werden kann, dass nach dem Auftreffen auf den Spatial Light Modulator oder dem Hindurchtreten durch den Spatial Light Modulator modulierte Laserstrahlung erzeugt wird, die in der Arbeitsebene bzw. auf dem Werkstück eine vorgegebene oder gewünschte Intensitätsverteilung erzeugt. Beachtlich ist dabei, dass dem Spatial Light Modulator eine Fokussiereinheit nachgeordnet ist, mit welcher die modulierte Laserstrahlung auf das Werkstück fokussiert werden kann.
Wie schon einleitend beschrieben, ist unter dem genannten Spatial Light Modulator ist ein optisches Bauelement zu verstehen, welches die Phase und/oder die Amplitude eines Laserstrahls lokal in Abhängigkeit vom Ort variiert. Vermöge des Spatial Light Modulators kann eingehende Laserstrahlung phasen- und/oder amplitudenmoduliert werden. Aus dem Stand der Technik sind Spatial Light Modulatoren zur Durchstrahlung bekannt, die lokal eine Phasenverzögerung in einem durch den Spatial Light Modulator hindurchtretenden Laserstrahl erzeugen. Weiterhin sind Spatial Light Modulatoren bekannt, die lokal eine Amplitudenschwächung in einem durch den Spatial Light Modulator hindurchtretenden Laserstrahl erzeugen. Beide Arten von Spatial Light Modulatoren wirken als diffraktive Elemente, hinter denen sich Beugungsbilder ergeben, die von der genauen räumlichen Anordnung der verzögernden bzw. abschwächenden Bereiche abhängen. Die der Laserstrahlung durch den Spatial Light Modulator aufgeprägte Verteilung ist - mathematisch gesehen - die inverse Fouriertransformierte der Intensitätsverteilung im Fokus der nachfolgenden Linse. Entsprechend führen Linsen (auch etwaige dem Spatial Light Modulator nachgeschaltete Linsen wie z.B. eine zur Fokussierung eingesetzte Linse) im mathematischen Sinne eine Fouriertransformation aus, d.h. eine Transformation vom Winkel- zum Ortsraum und umgekehrt.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik programmierbare Spatial Light Modulatoren bekannt, bei denen sich die in der Arbeitsebene bzw. auf dem Werkstück ergebende Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung elektronisch einstellen lässt. Auch solche programmierbaren Spatial Light Modulatoren können auf einer lokal variierenden Phasenverzögerung und/oder Amplitudenabschwächung basieren. In der Regel werden solche Spatial Light Modulatoren nicht durchstrahlt, sondern in einer Reflexionskonfiguration verwendet. Beispielhaft seien an dieser Stelle Spatial Light Modulatoren genannt, die auf einer Reflexion von Laserstrahlung an einer Halbleiteroberfläche basieren, vor welcher eine Flüssigkristallschicht angeordnet ist. Dabei können die doppelbrechenden Eigenschaften der Flüssigkristallschicht gezielt lokal eingestellt werden, beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes über mikrostrukturierte Elektroden. Entsprechende Spatial Light Modulatoren werden von der Firma Holoeye und der Firma Hamamatsu unter der Bezeichnung LCOS („Liquid Crystal on Silicon“)-Spatial Light Modulator vertrieben. Weiterhin sind auch transmittierende variable Spatial Light Modulatoren bekannt, diese werden beispielsweise von der Firma Jenoptik unter der Bezeichnung „Flüssigkristall-Lichtmodulatoren Spatial Light Modulator-S“ vertrieben.
Weiterhin seien amplitudenmodulierte variable Spatial Light Modulatoren genannt, die auf mikromechanischen Mikrospiegelarrays basieren. Die einzeln ansteuerbaren Mikrospiegel erlauben es, gezielt räumliche Bereiche aus dem Querschnitt eines Laserstrahls „auszublenden“. Sodann ergibt sich ein Beugungsbild durch Beugung der einfallenden Laserstrahlung an einem „Gitter“ in einer Reflexionsanordnung.
Beide Arten von variablen Spatial Light Modulatoren erlauben die Erzeugung von in weiten Grenzen frei vorgebbaren Intensitätsverteilungen in der Arbeitsebene bzw. auf dem Werkstück durch Beugung von Laserstrahlung. Vom Umfang der Erfindung ist daher die Verwendung beider Arten von variablen Spatial Light Modulatoren in einer Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst. Es stellt einen besonderen Vorteil der Verwendung eines variablen Spatial Light Modulators dar, dass mittels eines einzigen variablen Spatial Light Modulators eine Vielzahl verschiedener Intensitätsverteilungen auf dem Werkstück erzeugt werden können.
Durch Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung an einen LCOS Spatial Light Modulator oder durch Einstellen des Mikrospiegelarrays kann die Intensitätsverteilung der auf das Werkstück auftreffenden modulierten Laserstrahlung an die Anforderungen der konkreten Bearbeitungsaufgabe angepasst werden.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass unter Einsatz eines Spatial Light Modulators, insbesondere eines LCOS Spatial Light Modulators, die Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Strahlbündeln eines Laserstrahls gezielt geändert und damit - wie bei einem diffraktiv optischen Element (DOE) - eine Strahlformung in zwei und drei Dimensionen erzielt werden kann. Der wesentliche Unterschied eines LCOS Spatial Light Modulators zu einem DOE liegt darin, dass die Phasenbeziehung mit dem Spatial Light Modulator dynamisch verändert werden können, d.h. es ist möglich ein Formungsmuster bzw. die Intensitätsverteilung der Bearbeitungsebene bzw. auf der Arbeitsfläche elektronisch zu ändern.
Das Formungsmuster bzw. die Phasenverteilung kann beispielsweise über einen geometrischen Strahlformungs-Algorithmus, einen iterativen Fourier-Transformations-Algorithmus (IFTA), einem genetischen Algorithmus oder ähnlichen Verfahren berechnet werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Berechnung einer entsprechenden Formungs- bzw. Phasenverteilung vorzugsweise eine auf IFTA basierende Berechnung zugrunde gelegt. Die über den IFTA berechnete Phasenverteilung dient der Strahlformung bzw. Modulation derart, dass im Fernfeld in der Arbeitsebene eine gewünschte Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung erzeugt wird. Der IFTA ist somit ein numerisches Verfahren, bei dem eine Ziel-Intensitätsverteilung als Datensatz gegeben ist und eine zugehörige Phasenverteilung (zur Erzeugung der Ziel-Intensitätsverteilung) über einen Propagationsoperator ermittelt wird. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der IFTA dazu eingesetzt wird, aus bekannten Intensitätsverteilungen in einer Ebene senkrecht zur Laserstrahlpropagationsrichtung auf die Phasenverteilung in einer anderen Ebene zu schließen, die diese Intensitätsverteilung bewirkt.
Bei den klassischen aus dem Stand der Technik bekannten IFTA Verfahren werden vornehmlich theoretische oder ideale Annahmen bezüglich der Intensitätsverteilung des auf den Spatial Light Modulator einfallenden Laserstrahlung zugrunde gelegt. Weiterhin berücksichtigen die Berechnungsverfahren nicht alle physikalischen Effekte eines realen Spatial Light Modulators. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass eine auf diesem Wege berechnete Verteilung in einem realen System nicht vollständig mit einer gewünschten Ziel-Intensitätsverteilung übereinstimmt, sondern von dieser abweicht. Mit der vorliegenden Erfindung - verwiesen sei diesbezüglich auf die noch folgenden Ausführungen - lassen sich diese Abweichungen reduzieren bzw. kompensieren.
Ferner kann die Laserbearbeitungsvorrichtung eine dem Spatial Light Modulator in Bezug auf den optischen Pfad nachgeordnete Strahlpositionierungseinheit umfassen, beispielsweise in Form eines Galvanometerscanners. Ein solcher Scanner erlaubt die Zustellung oder Bewegung der modulierten Laserstrahlung über das zu bearbeitende Werkstück.
Ein Nutzer einer solchen Laserbearbeitungsvorrichtung kann eine gewünschte (zweidimensionale) Ziel-Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung über einen geeigneten Datensatz vorgeben. Basierend auf der Ziel-Intensitätsverteilung kann unter Einsatz einer geeigneten Software und einer Rechen- und Steuereinheit (diese kann unmittelbarer Bestandteil der Laserbearbeitungsvorrichtung oder mit dieser signaltechnisch verbunden sein) das dazu notwendige computergenerierte Hologramm (CGH) bzw. die Phasenverteilung im Wege eines iterativen Fourier-Transformations-Algorithmus berechnet werden. Infolge dessen wird das berechnete CGH auf dem LCOS Spatial Light Modulator angezeigt, was zu einer Modulation bzw. Strahlformung der auf den Spatial Light Modulator einfallenden Laserstrahlung und letztlich zu einer Intensitätsverteilung auf dem zu bearbeitenden Werkstück führt, die möglichst mit der Ziel-Intensitätsverteilung übereinstimmt. Durch Ausführung einer Relativbewegung der Strahlverteilung über das zu bearbeitende Werkstück können auch größere Flächen des Werkstücks bearbeitet werden. Weiterhin erlaubt ein solcher Aufbau neben einer flexibel einstellbaren Strahlteilung oder einer zweidimensionalen Strahlformung grundsätzlich auch die Erzeugung dreidimensionaler Strahlverteilungen, beispielsweise Bessel-Beams oder Multi-Foki Verteilungen. Wie schon vorangehend erwähnt, ist die vorliegende Erfindung unter anderem auf die Minimierung einer zwischen der real in der Arbeitsebene erzeugten Intensitätsverteilung und der Ziel-Intensitätsverteilung vorliegenden Abweichung gerichtet.
Wie bereits erwähnt, umfasst das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren für die mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgeführte Laserbearbeitung eine Strahllagenoptimierung bzw. Strahllagenstabilisierung der von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlung in Bezug zu dem Spatial Light Modulator. Gleichermaßen kann gemäß der vorliegenden Erfindung aber auch die Modulation bzw. Strahlformung an sich optimiert werden, insbesondere dadurch, dass eine in der Arbeitsebene erzeugte Intensitätsverteilung messtechnisch erfasst und bei einer erneuten Strahlformung - im Rahmen der dabei durchgeführten (auf einem IFTA basierenden) Berechnung einer in dem Spatial Light Modulator eingeblendeten Phasenverteilung - zur erneuten Formung der Laserstrahlung berücksichtigt wird. Ausdrücklich sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Berechnung der Phasenverteilung auch durch Variationen bzw. Anpassungen des IFTA-Algorithmus oder durch andere Algorithmen wie beispielsweise dem Hybrid input-output (HIO) Algorithmus berechnet werden kann. Auch umfasst das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren die Optimierung einer auf einem zu bearbeitenden Werkstück erzeugten Intensitätsverteilung auf Basis einer Anpassung der durch den SLM bereitgestellten Phasenverteilung, insbesondere durch Verzerren, Verschieben, Drehen, Skalieren einer bestehenden Phasenverteilung auf dem SLM. Der letztgenannten Optimierungsvariante liegt keine IFTA basierte Optimierung zugrunde. Gleichwohl können alle der vorgenannten Optimierungsvarianten unmittelbar zusammenwirken um ein optimales Bearbeitungsergebnis zu erzielen.
Durch die reale Erfassung der nach der Strahlformung bzw. in der Arbeitsebene vorliegenden Intensitätsverteilung und die Berücksichtigung bei einer darauffolgenden Strahlformung, findet ein aktives Feedback bzw. eine Rückkopplung der vorliegenden Ist-Situation bezüglich der real erzeugten Intensitätsverteilung statt. Die tatsächlich erzeugte Intensitätsverteilung kann mit einer Soll-Intensitätsverteilung verglichen werden. Im Falle einer vorliegenden Abweichung zwischen Ist- und Sollverteilung kann beispielsweise durch Anpassung der in dem Spatial Light Modulator eingeblendeten Phasenverteilung, eine Korrektur der im Wege der Strahlformung im Spatial Light Modulator erzeugten Intensitätsverteilung vorgenommen werden. Bei der IFTA basierten Optimierung der Strahlformung kann dazu auf Basis der Feedback-Ergebnisse eine angepasste Ziel-Intensitätsverteilung definiert werden, für welche mittels des IFTA eine angepasste Phasenverteilung berechnet wird. Betont sei an dieser Stelle, dass die Optimierung bzw. Stabilisierung der Strahllage des auf den Spatial Light Modulator einfallenden Laserstrahls, wie auch die Optimierung der in der Arbeitsebene erzeugten Intensitätsverteilung und der Verfahrensoptimierung auf Basis der Anpassung der durch den SLM bereitgestellten Phasenverteilung durch Verzerren, Verschieben, Drehen, Skalieren einer bestehenden Phasenverteilung auf dem SLM im Wege einer aktiven Feedback Regelung eng zusammenhängen. Denn zum einen kann sich eine unzureichend eingestellte Strahllage (der auf den Spatial Light Modulator einfallenden Laserstrahlung) wie auch eine unzureichend angepasste oder eingestellte Phasenverteilung auf dem SLM unmittelbar auf die nach der Strahlformung vorliegende bzw. in der Arbeitsebene erzeugte Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung auswirken, zum anderen können - wie nachfolgend beschrieben - die mittels der zumindest einen Kameraeinheit erfassten Merkmale der von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlung sowohl für die Optimierung der Strahllage als auch in dem auf die Optimierung der Intensitätsverteilung im Fernfeld herangezogen werden.
Nachfolgend seien zunächst vorteilhafte Ausgestaltungen jener sich auf eine Optimierung bzw. Stabilisierung der Strahllage beziehenden vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, bevor im Anschluss auf vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens eingegangen wird, die sich auf eine Optimierung der Strahlverteilung auf Basis einer geometrisch, rechnerischen Anpassung einer bestehenden Phasenverteilung auf dem SLM konzentriert. Optimierung der Strahlformung konzentrieren. Abschließend seien vorteilhafte Ausgestaltungen für eine IFTA basierte Optimierung der Strahlformung beschrieben. Ausdrücklich sei an dieser Stelle betont, dass die im Patentanspruch 1 genannten Verfahrensschritte i. bis iii. in Bezug auf Optimierung der Strahllage, in Bezug auf eine optimierte Einstellung der Phasenverteilung (nicht IFTA basiert), und in Bezug auf die Optimierung der IFTA basierten Strahlformung, in einer closed-loop Regelschleife kontinuierlich oder bis zur Erzielung einer innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs liegenden Merkmalsabweichung ausgeführt werden können. Ferner wird sowohl bei der Optimierung der Strahllage als auch bei der Optimierung der Strahlformung und der Optimierung der Phasenverteilung auf Basis der vorgenannten geometrischen oder mathematischen Operationen wie dem Verschieben, Drehen, Skalieren oder Verzerren einer eingestellten Phasenverteilung (zumindest) ein Stellparameter im Verfahrensschritt iii. im Falle von zumindest einer über ein vorbestimmtes Maß hinausgehenden Merkmalsabweichung angepasst. Betont sei ferner, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein programmierbarer Spatial Light Modulator zum Einsatz kommt.
Bevor nachfolgend das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren in Bezug auf die Optimierung bzw. Stabilisierung der Strahllage anhand bestimmter vorteilhafter Ausgestaltungen genauer beschrieben wird, seien nochmals die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäß beanspruchten Verfahrens in Erinnerung gerufen.
So wird in einem ersten Verfahrensschritt i. zumindest ein Ist-Merkmal der Laserstrahlung und/oder der modulierten Laserstrahlung unter Einsatz von zumindest einer Kameraeinheit ermittelt. Daraufhin wird das zumindest eine Ist-Merkmal der Laserstrahlung und/oder der modulierten Laserstrahlung mit zumindest einem vorgegebenen Soll-Merkmal verglichen und infolgedessen einer jeweilige Merkmalsabweichung bestimmt. Liegt keine Abweichung zwischen Ist-Merkmal und Soll-Merkmal vor, so ist die Merkmalsabweichung Null. Im Anschluss wird die Merkmalsabweichung bewertet und gegebenenfalls zumindest ein Stellparameter angepasst. Es ist dabei jedoch nur notwendig zumindest einen Stellparameter anzupassen, sofern eine über ein vorbestimmtes Maß (also einen Toleranzbereich) hinausgehende Merkmalsabweichung vorliegt. Liegt keine Merkmalsabweichung vor, so kann die Iterationsschleife beendet oder für einen bestimmten Zeitraum unterbrochen werden.
Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung (bei welcher auch das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren zum Einsatz kommt), kann eine erste Kameraeinheit, eine zweite Kameraeinheit und eine dritte Kameraeinheit aufweisen. Grundsätzlich sind die Funktionen und die Anordnungspositionen der Kameraeinheiten unterschiedlich. Die erste Kameraeinheit ist dabei vorzugsweise vorgesehen, um die Intensitätsverteilung (bzw. Strahlverteilung) der von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlung zu erfassen, also eine Rohstrahlverteilung. Die zweite Kameraeinheit ist vorzugsweise im Fokus einer ersten Relayoptik angeordnet, sodass unmittelbar eine Ist-Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung erfasst werden kann, also der Fouriertransformierten der modulierten Laserstrahlung. Alternativ kann die zweite Kameraeinheit eine eigene Linse aufweisen, um die Fouriertransformation auszuführen. In diesem Fall kann auf die erste Relayoptik verzichtet werden. Die zweite Kameraeinheit erlaubt eine indirekte Messung der Intensitätsverteilung der Bearbeitungsoptik. Ferner kann eine dritte Kameraeinheit vorgesehen sein, die zur Erfassung der Strahlverteilung außerhalb des Fokus der ersten Relayoptik, jedoch in Bezug auf den optischen Pfad nachgeordnet zum SLM angeordnet ist. Entsprechend ist die dritte Kameraeinheit dazu eingerichtet, insbesondere die Position bzw. räumliche Lage der modulierten Laserstrahlung zu erfassen. Alternativ kann die zweite Kameraeinheit unter der Arbeitsebene bzw. Werkstückebene angeordnet sein. In diesem Fall kann die unmittelbar auf dem Werkstück erzeugte Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung von der zweiten Kameraeinheit erfasst werden. Auch kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, in der Werkstückebene eine zusätzliche Kameraeinheit vorzusehen und die zweite Kameraeinheit - wie beschrieben - im Fokus der ersten Relayoptik anzuordnen. In Bezug auf die in der vorliegenden Beschreibung verwendete Terminologie ist mit der „ersten“ Kameraeinheit die vorangehend beschriebene erste Kameraeinheit zu verstehen, die zweite Kameraeinheit (sei es in Anordnung im Fokus der ersten Relayoptik oder unterhalb der Arbeitsebene, letztere kann auch eine zusätzliche Kameraeinheit sein) sowie die dritte Kameraeinheit, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindungsbeschreibung auch als „weitere“ Kameraeinheit bezeichnet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann im Verfahrensschritt i. zumindest ein Ist-Merkmal der Laserstrahlung von einer ersten Kameraeinheit und zumindest ein Ist-Merkmal der modulierten Laserstrahlung von einer weiteren Kameraeinheit erfasst werden. In Bezug auf die Optimierung der Strahllage, kann es sich bei der weiteren Kameraeinheit insbesondere um die vorangehend beschriebene zweite oder dritte Kameraeinheit handeln, vorzugsweise jedoch um die dritte Kameraeinheit. Die Kameraeinheiten können dabei baulich in die Laserbearbeitungsvorrichtung integriert sein. Die Kameraeinheiten sind dazu eingerichtet, die Messungen des zumindest einen Ist-Merkmals auch während einer Laserbearbeitung durchzuführen, d.h. die Kameras beeinträchtigen den Strahlengang der Laserstrahlung bzw. modulierten Laserstrahlung zwischen Laserstrahlungsquelle, Spatial Light Modulator und Werkstück nicht, sondern führen indirekte Messungen aus. Die erste, zweite und dritte Kameraeinheit sind vorzugsweise jeweils hinter dielektrischen Spiegeln angeordnet. Dies trennt den Strahlengang der Laserstrahlung in einen High-Power Bereich und einen Low-Power Bereich. Die Kameraeinheiten sind entsprechend in den Low-Power Bereichen angeordnet, was gleichzeitig Messungen bei höherer Leistung ermöglicht. Weiterhin erlaubt diese Konfiguration, dass die Messungen - wie erwähnt - ohne Weiteres auch während der Laserbearbeitung ausgeführt werden können.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste Kameraeinheit zwischen der Laserstrahlungsquelle und dem Spatial Light Modulator angeordnet ist, und dass die weitere Kameraeinheit beabstandet zu der ersten Kameraeinheit angeordnet ist. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass die weitere Kameraeinheit im optischen Pfad nachgelagert zu dem Spatial Light Modulator angeordnet ist. Als weitere Kameraeinheit sind insbesondere die vorangehend beschriebene zweite Kameraeinheit, dritte Kameraeinheit und die zusätzliche Kameraeinheit anzusehen. Zur Strahllagenbestimmung wird bevorzugt die erste und dritte Kameraeinheit verwendet, jedoch ist auch eine Strahllagenbestimmung mit der ersten und zweiten Kameraeinheit möglich. Auch kommt eine Strahllagenbestimmung unter Verwendung der ersten, zweiten und dritten Kameraeinheit grundlegend in Betracht. Zur Bestimmung der Strahllage kann mit den Kameraeinheiten (insbesondere der ersten und dritten Kameraeinheit) jeweils ein Ortspunkt der Laserstrahlung bzw. modulierten Laserstrahlung fixiert und jeweils zumindest ein Ist-Merkmal an den fixierten Ortspunkten erfasst werden. Die erste Kameraeinheit und die weitere (insbesondere dritte) Kameraeinheit können dabei so angeordnet sein, dass die Erfassung indirekt d.h. ohne Abschattung des Strahlengangs vom Laser über den Spatial Light Modulator bis zum Werkstück erfolgt. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass die erste Kameraeinheit und die weitere (beispielsweise die zweite und/oder dritte) Kameraeinheit im optischen Strahlengang so angeordnet sind, dass nur ein kleiner Bruchteil der mittleren Leistung des Laserstrahls bzw. des modulierten Laserstrahls für die Erfassung der Intensitätsverteilung verwendet wird. Ein Beispiel dafür ist die Messung hinter einem Umlenkspiegel mit einer Reflexion von kleiner als 100%.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mit der ersten Kameraeinheit respektive der weiteren Kameraeinheit eine Intensitätsverteilung der Laserstrahlung respektive der modulierten Laserstrahlung erfasst wird. Die Intensitätsverteilung kann dabei beispielsweise in Form von zwei-dimensionalen Kamerabildern aufgenommen werden, d.h. die Strahlungsintensität ist in Form einer Farbkodierung pixelweise wiedergegeben. Die erzielbare Auflösung ist durch die Auflösung der Kamera limitiert. Auch kann vorgesehen sein, die den Kamerabildern zugrunde liegenden Daten unmittelbar nach deren Aufnahme in andere Daten- oder Wiedergabeformate umzuwandeln. Vor der weiteren, insbesondere zweiten, Kameraeinheit kann zudem eine Linse oder ein Linsensystem positioniert werden, sodass die modulierte Laserstrahlung auf die weitere (insbesondere zweite) Kameraeinheit fokussiert wird und somit die von der weiteren (insbesondere zweiten) Kameraeinheit erfasste Intensitätsverteilung der Fouriertransformierten der modulierten Laserstrahlung entspricht. Die Linse oder das Linsensystem können dabei entweder Teil der Kameraeinheit aber auch Teil der Laserbearbeitungsvorrichtung sein. Für die Bestimmung der Strahllage der Laserstrahlung werden insbesondere die erste und dritte Kameraeinheit eingesetzt.
Dabei kann das zumindest eine Ist-Merkmal der Laserstrahlung respektive der modulierten Laserstrahlung auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung der Laserstrahlung respektive der modulierten Laserstrahlung ermittelt werden. Unter „Ermitteln eines Ist-Merkmals“ ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass jene die Intensitätsverteilung wiederspiegelnden Daten einem weiteren Auswertungs- bzw. Datenextraktionsschritt zur Ermittlung zumindest eines Ist-Merkmals unterzogen werden. Vorstellbar ist beispielsweise die Kontur, Randpunkte, Maxima oder den Schwerpunkt der zweidimensionalen Intensitätsverteilung rechnerisch oder geometrisch zu bestimmen, wobei der Schwerpunkt einer Intensitätsverteilung beispielsweise ein geeignetes Ist-Merkmal darstellen kann, um die Ist-Lage der Laserstrahlung in Bezug zu dem Spatial Light Modulator zu repräsentieren. Gleichermaßen kann aber auch die räumliche Lage der Kontur der Intensitätsverteilung bzw. einer Einhüllenden der Laserstrahlung relativ zu dem Spatial Light Modulator als Maß für die Strahllage herangezogen werden. Die Strahllage bezieht sich insbesondere auf eine Position der Laserstrahlung in Bezug auf eine senkrecht zur Propagationsrichtung der Laserstrahlung stehende Ebene.
Wie bereits erwähnt, kann das Ist-Merkmal nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Ist-Lage der Laserstrahlung respektive der modulierten Laserstrahlung in Bezug zu dem Spatial Light Modulator sein. Die Ist-Lage der Laserstrahlung bzw. modulierten Laserstrahlung kann anhand verschiedenster Merkmale der von der ersten respektive weiteren (insbesondere dritten) Kameraeinheit aufgenommenen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung respektive der modulierten Laserstrahlung bestimmt werden. Unter der Ist-Lage ist die Position und der Winkel der Laserstrahlung bzw. modulierten Laserstrahlung an einer bestimmten Raumkoordinate zu verstehen (also die Strahllage). Zur Bestimmung der Strahllage kann insbesondere vorgesehen sein, zumindest ein Positionsmerkmal der Laserstrahlung und ein Positionsmerkmal der modulierten Laserstrahlung zu erfassen. Es müssen also zumindest zwei Messungen mit zwei Kameraeinheiten durchgeführt werden, beispielsweise eine Messung mit der ersten Kameraeinheit (also der in Bezug auf den optischen Pfad vorgelagert zu dem SLM angeordneten Kameraeinheit) und der zweiten oder dritten Kameraeinheit, vorzugsweise jedoch der dritten Kameraeinheit (also jener hinter dem SLM außerhalb des Fokus der ersten Relayoptik angeordneten Kameraeinheit). Vermöge der jeweiligen Kameraeinheiten wird die Intensitätsverteilung aufgenommen und der Schwerpunkt der Verteilung (das genannte Positionsmerkmal) rechnerisch oder geometrisch bestimmt und die entsprechende Strahllage (das Ist-Merkmal) ermittelt und gegebenenfalls justiert. In der Praxis kann vor der kundenseitigen Inbetriebnahme einer Laserbearbeitungsvorrichtung eine Werkskalibration durchgeführt werden, bei welcher seitens eines Herstellers durch Justieren von optischen Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung eine optimale Strahllage ermittelt und über Messungen mit der ersten und der weiteren (insbesondere dritten) Kameraeinheit festgehalten wird. Kundenseitig kann das System durch Justieren auf die werkseitig ermittelten Schwerpunkte (bzw. die Strahllage) eine kundenseitige Kalibration durchgeführt werden. Nochmals sei betont, dass zur Bestimmung der Strahllage zwingend zwei Messungen von Intensitätsverteilungen (bzw. damit einhergehende Bestimmungen der Schwerpunktlage) der Laserstrahlung und der modulierten Laserstrahlung (also eine Messung vor und eine Messung nach dem SLM) durchgeführt werden müssen. Zur Bestimmung der Strahllage muss somit die Schwerpunktlage der Laserstrahlung und der modulierten Laserstrahlung (anhand der erfassten Intensitätsverteilungen) ermittelt werden. Die Strahllage ist über eine kombinierte Messung an zwei Positionen (z.B. mit der ersten und dritten Kameraeinheit) ermittelbar. Bei der Bestimmung der Strahllage bzw. der jeweiligen Schwerpunktlagenbestimmung kann der Spatial Light Modulator einen räumlichen Bezugspunkt darstellen, anhand von welchem eine Bewertung der Lage der Laserstrahlung bzw. der modulierten Laserstrahlung ermöglicht wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine senkrecht zur Propagationsrichtung der Laserstrahlung stehende Bezugsebene mit der örtlichen Lage des Spatial Light Modulators zusammenfällt. Gleichsam kann eine solche Bezugsebene aber auch in einer Kameraebene der ersten und/oder zweiten Kameraeinheit oder an einem beliebigen weiteren ortsfesten Punkt definiert werden. Die ermittelten Schwerpunkte bzw. die Strahllage kann in Bezug zu einem in der Bezugsebene liegenden fixen Ortspunkt bewertet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Ist-Lage der Laserstrahlung respektive der modulierten Laserstrahlung anhand der Lage der erfassten Intensitätsverteilungen, beispielsweise anhand der Kontur, oder eines daraus extrahierten Lageparameters, beispielsweise dem Schwerpunkt, ermittelt werden. Die Strahllage kann in Bezug zu einem räumlichen Fixpunkt bewertet werden. Wie bereits erwähnt kann der räumlich stationäre Fixpunkt eine senkrecht zur Propagationsrichtung der Laserstrahlung stehende Ebene sein, jedoch ohne Weiteres auch ein auf einer solchen Ebene liegender bzw. festgelegter Fixpunkt. Zur Bestimmung der Ist-Lage (also der Strahllage) ist die Messung der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung und der modulierten Laserstrahlung (und damit die Bestimmung der jeweiligen Schwerpunktlagen) erforderlich. Die ermittelte Ist-Lage (also die Strahllage) kann in Bezug zu dem genannten räumlichen Fixpunkt bewertet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Fixpunkt durch die Laserstrahlungsquelle, den Spatial-Light-Modulator oder ein weiteres Bauteil der Laserbearbeitungsvorrichtung definiert werden. Auch kann der Fixpunkt in einer im Bereich der ersten, zweiten oder dritten Kameraeinheit liegenden, senkrecht zur Propagationsrichtung der Laserstrahlung bzw. modulierten Laserstrahlung stehenden Ebene definiert werden. Auf Basis der mit den Kameraeinheiten bestimmten Ist-Strahllagen der Laserstrahlung bzw. modulierten Laserstrahlung kann eine gewünschte Soll-Lage berechnet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Soll-Merkmal eine Soll-Lage der Laserstrahlung bzw. der modulierten Laserstrahlung sein, wobei die Soll-Lage durch einen Lageparameter, beispielsweise eine Soll-Schwerpunktlage, definiert ist. Die Soll-Lage ist als Soll-Strahllage zu verstehen und kann entweder von einem Nutzer vorgegeben oder mittels einer Rechenroutine automatisiert ermittelt werden. Unter Berücksichtigung vorgegebener und aktuell vorherrschender Randbedingungen, wie Temperatur, Leistung, Art und Größe des zu bearbeitenden Materials etc. kann eine ideale Soll-Lage für die konkret vorliegenden Randbedingungen berechnet und festgelegt werden.
Weiterhin kann die Soll-Lage aus den mit den Kameraeinheiten bestimmten Ist-Merkmalen, insbesondere aus der Messung der modulierten Intensitätsverteilung mit der zweiten Kameraeinheit oder der zusätzlichen Kameraeinheit, berechnet werden. Wie bereits erwähnt, sind die zweite Kameraeinheit und die zusätzliche Kameraeinheit im Fokus von entsprechenden Linsen angeordnet (die erfassten Intensitätsverteilungen entsprechen damit der Fouriertransformierten des Phasenbildes). Bei Einblendung einer Axikonverteilung auf dem Spatial Light Modulator kann mittels der zweiten und zusätzlichen Kameraeinheit ermittelt werden, in welche Richtung und um welches Maß der Laserstrahl auf dem Spatial Light Modulator verschoben werden muss. Insbesondere wird dazu die Intensitätsschwankung über die Winkelposition eines Verteilungsrings der Intensitätsverteilung herangezogen. In der Praxis kann jedoch ohne Weiteres auch die Phasenverteilung auf dem Spatial Light Modulator zur Ausrichtung bewegt werden.
Die Soll-Lage kann in regelmäßigen oder aperiodischen Abständen einer Überprüfung unterzogen und neu berechnet werden. Dieser Vorgang erfolgt vorzugsweise automatisiert.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Merkmalsabweichung eine Lageabweichung sein, beispielsweise eine Abweichung zwischen einer Ist-Schwerpunktlage und einer Soll-Schwerpunktlage. Gleichermaßen kann die Merkmalsabweichung bzw. Lageabweichung aus weiteren Merkmalsabweichungen bzw. Lageparametern berechnet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Ist-Merkmal eine Ist-Intensitätsverteilung bzw. Intensitätsschwankung bezogen auf eine ringförmige Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung in der Arbeitsebene sein. Gleichermaßen kann das Soll-Merkmal eine Soll-Intensitätsverteilung bzw. Intensitätsschwankung bezogen auf eine ringförmige Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung in der Arbeitsebene sein. Entsprechend kann sich auch die Merkmalsabweichung auf die in Intensitätsverteilung bzw. Intensitätsschwankung einer ringförmigen Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene beziehen. Beispielsweise kann durch Einblenden einer Phasenverteilung in Form eines Axikons auf dem SLM in der Werkstückebene eine ringförmige Intensitätsverteilung generiert werden. Im Falle einer nicht symmetrischen Justage des Laserstrahls relativ zum SLM oder zur Phasenverteilung weist die ringförmige Intensitätsverteilung auf der Werkstückebene Intensitätsschwankungen entlang der Winkelposition auf dem Ring auf. Durch Auswertung dieser Intensitätsschwankung (Ist-Merkmal) mit einer vorgegebenen ringförmigen Intensitätsverteilung als Soll-Merkmal - auf Basis einer Kameramessung - kann eine neue einzustellende Schwerpunktlage berechnet werden. Es wird also eine Bewertung bezüglich der Intensitätsschwankung einer ringförmigen Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene vorgenommen. Die daraus ermittelte neu einzustellende Schwerpunktlage kann durch Anpassung eines geeigneten Stellparameters erhalten werden.
Die Soll-Lage, beispielsweise die Soll-Schwerpunktlage, kann dabei auf einen bestimmten örtlichen Fixpunkt bezogen werden. Dieser Fixpunkt kann in der vorangehend beschriebenen Bezugsebene liegen, die vorzugsweise senkrecht zur Propagationsrichtung der Laserstrahlung ausgerichtet ist. Die Merkmalsabweichung, beispielsweise die Lageabweichung, wird dann von einem geeigneten Auswertungsalgorithmus bewertet und im Falle einer über ein vorbestimmtes Maß hinausgehenden Merkmalsabweichung bzw. Lageabweichung (also einer Toleranzüberschreitung) eine Anpassung eines Stellparameters zur Kompensation der Lageabweichung bzw. Neujustierung der Laserstrahlung eingeleitet. Wie vorangehend bereits erwähnt kann die Merkmalsabweichung nicht nur in einer Lageabweichung bestehen, sondern auch auf eine Abweichung einer in der Arbeitsebene vorliegenden (ringförmigen) Intensitätsverteilung bzw. Intensitätsschwankung in Bezug zu einer vorgegebenen Intensitätsverteilung beruhen.
Wie bereits erwähnt, wird erfindungsgemäß auf Basis der Merkmalsabweichung eine Bewertung vorgenommen, insbesondere dahingehend, ob die Merkmalsabweichung über ein vorbestimmtes Maß hinausgeht oder nicht. Das vorbestimmte Maß kann ein akzeptabler Toleranzbereich sein. Ist die Merkmalsabweichung größer als das vorbestimmte Maß bzw. liegt die Merkmalsabweichung außerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs, so wird zumindest ein Stellparameter angepasst, um die Merkmalsabweichung zu kompensieren. Im Anschluss können die erfindungsgemäßen Schritte wiederholt werden (z.B. im Wege einer closed-loop Regelschleife).
Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von Stellparametern im Verfahrensschritt iii. angepasst wird. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Ausrichtung der Laserstrahlung im Wege der Stellparameter-Anpassung (damit können auch mehrere Stellparameter gemeint sein) zweistufig erfolgen kann, nämlich im Wege einer Grobjustierung und einer Feinjustierung. Zunächst kann dazu die vorangehend beschriebene Optimierung der Strahllage ausgeführt werden. Mittels zweier Messungen der Strahllage (mit der ersten und der zweiten und/oder dritten Kameraeinheit), also einer in Bezug auf den optischen Pfad zu dem SLM vorgelagerten Kameraeinheit und einer nachgelagerten Kameraeinheit ausgeführten Strahllagenbestimmung, wird auf Basis der ermittelten Strahllage eine Anpassung durchgeführt. Eine solche Grobkorrektur (bei der Anpassung wird der Laserstrahl relativ zum SLM bewegt) garantiert, dass der Laserstrahl immer grob mittig auf dem SLM positioniert ist. Die damit erzielbare Genauigkeit liegt im Bereich von 20 SLM-Pixeln.
Nach Ausführung der Grobjustierung kann eine Feinjustierung durchgeführt werden (im Rahmen der Stellparameteranpassung im Verfahrensschritt iii. oder in einer gesonderten Ausführung der Verfahrensschritte i. bis iii.). Dazu wird eine auf dem SLM bestehende Phasenverteilung solange verschoben, bis eine ausreichende Soll-Homogenität erreicht ist, also die Ist-Homogenität der Phasenverteilung der Soll-Homogenität entspricht. In diesem Fall ist das Ist-Merkmal im Sinne des Verfahrensschritts i. also nicht unmittelbar ein Merkmal der Laserstrahlung bzw. modulierten Laserstrahlung, jedoch ein mittelbares Merkmal. Auf Basis eines bestimmten Merkmalstyps (z.B. der Homogenität der Phasenverteilung) wird auf einen weiteren Merkmalstyp (z.B. die Strahllage) geschlossen. Durch die Verschiebung bzw. Feinjustierung der Phasenverteilung auf dem SLM wird mittelbar die Strahllage beeinflusst. Damit ist also eine Feinausrichtung zwischen Laserstrahlung und Phasenverteilung erzielbar. Festzustellen ist, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens dem erfassten Ist-Merkmal sowie dem Stellparameter nicht der gleiche Merkmalstyp zugrunde liegen muss. Die Merkmalstypen können übergreifend gemessen, bestimmt und angepasst werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der zumindest eine Stellparameter die Ausrichtung der Laserstrahlung in Bezug zu dem Spatial-Light-Modulator sein, die unter Verwendung einer Spiegelanordnung zur Kompensation der Lageabweichung angepasst wird. Dies meint, dass die Ausrichtung der Laserstrahlung als Stellparameter bei Feststellung einer über ein vorbestimmtes Maß hinausgehenden Lageabweichung angepasst bzw. neu justiert wird. Die Verfahrensschritte i. bis iii. können dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich ausgeführt werden. Bei kontinuierlicher Ausführung kann die Strahllage in regelmäßigen Abständen neu justiert werden. Wie erwähnt, kann der zumindest eine Stellparameter gleichsam eine Verschiebung der Phasenverteilung auf dem Spatial Light Modulator betreffen.
Dabei kann die Ausrichtung der Laserstrahlung über eine jene Spiegelanordnung angepasst werden, die sich aus einem oder mehreren motorisierten Spiegel(n) zusammensetzt. Bei den Spiegeln kann es sich beispielsweise um Kippspiegel handeln, die im optischen Pfad der Laserstrahlung angeordnet werden und vermöge dessen die Ausrichtung der Laserstrahlung in Bezug auf den Spatial Light Modulator justiert werden kann.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann die Spiegelanordnung zwischen der Laserstrahlungsquelle und dem Spatial Light Modulator angeordnet sein. Zwingend ist jedoch, dass die Spiegelanordnung vorgelagert zu der ersten Kameraeinheit angeordnet ist. Die Positionen der Laserstrahlungsquelle und des Spatial Light Modulators in der Laserbearbeitungsvorrichtung sind in der Regel stationär. Entsprechend kann die Ausrichtung der Laserstrahlung zwischen diesen stationären Vorrichtungskomponenten durch bewegliche Spiegel angepasst werden.
Erfindungsgemäß kann zudem vorgesehen sein, dass ausschließlich die erste Kameraeinheit in der Laserbearbeitungsvorrichtung verbaut ist bzw. die Strahllage der Laserstrahlung ausschließlich unter Einsatz der ersten Kameraeinheit ermittelt wird. Vorzugsweise ist aber sowohl die Verwendung der ersten als auch der weiteren (insbesondere dritten) Kameraeinheit in der Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen.
Im Wege der Strahllagenoptimierung kann eine Positions- und/oder Winkelabweichung der von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlung in Bezug zu einer Sollposition bzw. einem Sollwinkel der Laserstrahlung relativ zu dem Spatial Light Modulator erfasst werden. Zum Ermitteln der Abweichung kann entweder ausschließlich ein mit der ersten Kameraeinheit erfasstes Kamerabild bzw. die zugehörigen Positions- und Winkeldaten der Laserstrahlung herangezogen werden, oder aber es werden die von der ersten und der weiteren (insbesondere zweiten oder dritten) Kameraeinheit erfassten Kamerabilder samt zugehörigen Positions- und Winkeldaten der Laserstrahlung und der modulierten Laserstrahlung zur Auswertung herangezogen. Im letzteren Fall kann der Einfluss der Strahlformung bei der Justierung der erzeugten Laserstrahlung berücksichtigt werden. Die festgestellte Abweichung kann über die Spiegelanordnung kompensiert werden.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass unter Einsatz der ersten und der weiteren (insbesondere der zweiten oder dritten) Kameraeinheit die Strahllage der von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlung und/oder der modulierten Laserstrahlung in Bezug zu dem Spatial Light Modulator erfasst und bestimmt werden kann. Dabei werden die mit den Kameraeinheiten erfassten Daten einer Regeleinheit zugeführt, in welcher die Anpassung einer geeigneten Steuergröße ermittelt und veranlasst wird. Die Regeleinheit kann Bestandteil einer der Laserbearbeitungsvorrichtung zugehörigen Rechen- und Steuereinheit sein, die in die Laserbearbeitungsvorrichtung integriert oder extern dazu angeordnet sein kann. Die Strahllage der Laserstrahlung und indirekt auch der modulierten Laserstrahlung kann insbesondere durch die genannte Spiegelanordnung justiert werden. Weiterhin kann die Phasenverteilung auf dem Spatial Light Modulator in Bezug zu dem Laserstrahl justiert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ermöglicht, die von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung vollautomatisch auszurichten, zu stabilisieren, zu positionieren und zu justieren. Die aktive closed-loop Regelung ermöglicht dabei die Laserstrahlung in Bezug auf den Spatial Light Modulator stets in einer gewünschten Position bzw. Strahlrichtung zu halten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Störungen (z.B. Vibrationen, Stöße, thermische Fluktuationen) der Strahllage kompensieren bzw. die Strahllage korrigieren. Das Verfahren eignet sich sowohl für Anwendungen bei Dauerstrichlasern, als auch bei gepulster Laserstrahlung.
Nachfolgend sei auf jene vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung Bezug genommen, die sich mit der Optimierung der Strahlverteilung auf Basis einer geometrischen bzw. rechnerischen Anpassung einer bestehenden Phasenverteilung auf dem SLM konzentrieren.
Nach einer entsprechenden Ausgestaltung der Erfindung kann der zumindest eine Stellparameter die Ausrichtung der auf dem Spatial Light Modulator eingestellten Phasenverteilung in Bezug auf die Laserstrahlung sein, die durch Justieren, insbesondere Verschieben, Spiegeln, Rotation, asymmetrisches Skalieren oder Verzerren angepasst wird. Entsprechend kann durch eine Ausrichtung der in dem Spatial Light Modulator eingeblendeten Phasenverteilung in Bezug zu der auf den Spatial Light Modulator auftreffenden Laserstrahlung ebenfalls eine Optimierung vorgenommen werden. Dabei wird die Phasenverteilung auf dem Spatial Light Modulator relativ zu der Laserstrahlung verschoben, rotiert, gespiegelt, verzerrt oder asymmetrisch skaliert. Durch ein solches Vorgehen können kleinere Abweichungen bei Verteilungen mit starker Abhängigkeit von der lateralen Ausrichtung bzw. der Lage der Phasenverteilung relativ zur Laserstrahlung kompensiert werden. Die Abweichungen können dabei in einem ersten Verfahrensschritt i. im Wege der Erfassung oder Ermittlung einer auf dem SLM vorliegenden Ist-Phasenverteilung sowie eines darauffolgenden Vergleichs (Verfahrensschritt ii.) mit einer Soll-Phasenverteilung bestimmt werden. Dabei handelt es sich vornehmlich um auf Geometrieüberlegungen basierte Lösungen bzw. refraktive Lösungen. Auch kann die Strahlverteilung durch eine Verzerrung der in dem Spatial Light Modulator eingeblendeten Phasenverteilung justiert oder optimiert werden. Als Beispiel ist hier die Optimierung einer ringförmigen Strahlverteilung auf dem Werkstück durch Einblenden einer Axikonverteilung auf dem SLM aufgeführt. So kann für den Fall, dass die Intensitätsverteilung der auf den SLM auffallende Laserstrahlung nicht ideal rund, sondern elliptisch ist, die Elliptizität der auf dem Werkstück entstehenden ringförmigen Verteilung angepasst werden. Durch eine asymmetrische Skalierung der Phasenverteilung (Axikonveteilung) auf dem Spatial Light Modulator wird die entstehende ringförmige Intensitätsverteilung auf dem Werkstück von einer elliptischen Form in die gewünschte runde Form überführt und somit der Fehler durch die nicht-runde Intensitätsverteilung des auf den SLM auffallenden Laserstrahls kompensiert. Das Ist-Merkmal ist die in diesem Fall die Elliptizität der Strahlverteilung auf dem Werkstück, die Merkmalsabweichung die Differenz der Elliptizität der Ist-Verteilung im Vergleich zum Soll-Merkmal (Elliptizität=1)
Diesbezüglich lässt sich zusammenfassend festhalten, dass unter Einsatz der ersten und zweiten Kameraeinheit die Intensitätsverteilung des auf den SLM einfallenden Laserstrahl und die Intensitätsverteilung der durch den SLM modulierten Laserstrahlung im Fokus einer Linse erfasst und bestimmt werden können. Dabei werden die mit den Kameraeinheiten erfassten Daten einer Regeleinheit zugeführt, in welcher die Anpassung einer geeigneten Steuergröße bzw. eines Stellparameters ermittelt und veranlasst wird. Die Regeleinheit kann Bestandteil einer der Laserbearbeitungsvorrichtung zugehörigen Rechen- und Steuereinheit sein, die in die Laserbearbeitungsvorrichtung integriert oder extern dazu angeordnet sein kann. Steuergrößen bzw. Stellparameter können die Anpassung Lage der Laserstrahlung auf dem SLM, oder die Verschiebung, Verzerrung, asymmetrisches Skalieren oder Rotation der Phasenverteilung auf dem SLM sein. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ermöglicht, eine Strahlverteilung auf dem Werkstück so zu optimieren, dass diese unter den gegebenen Randbedingungen bestmöglich einer gewünschten Zielverteilung entspricht. Das aktive closed-loop Regelung ermöglicht dabei Schwankungen der Randbedingungen zu kompensieren. Eine derartige Optimierung kann ohne den Einsatz eines IFTA ausgeführt werden.
Nachfolgend seien jene vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens beschrieben, die sich auf eine Optimierung der im Rahmen der Laserbearbeitung in der Laserbearbeitungsvorrichtung durchgeführten Strahlformung konzentrieren. Wie bereits eingangs erläutert, kann die von einer Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung mit einem Spatial Light Modulator, der insbesondere als LCOS Spatial Light Modulator ausgebildet sein kann, dahingehend moduliert werden, dass eine gewünschte Intensitätsverteilung im Fernfeld, d.h. einer Arbeitsebene mit einem dort positionierten zu bearbeitenden Werkstück, erzeugt werden kann. Dies erfolgt durch Einblenden bzw. Einstellen einer geeigneten Phasenverteilung auf dem SLM.
Zur Berechnung einer solchen Phasenverteilung ist es aus dem Stand der Technik bekannt, iterative Verfahren wie IFTA zu verwenden. Grundlage dieser Berechnung sind dabei theoretische oder ideale Annahmen bezüglich der Intensitätsverteilung der auf den SLM einfallenden Laserstrahlung. Weiterhin werden nicht alle physikalischen Effekte, die bei der Strahlformung mit einem realen SLM auftreten, durch die Berechnungsverfahren berücksichtigt. In der Praxis hat sich daher gezeigt, dass eine auf diesem Verfahren berechnete Phasenverteilung bzw. die dadurch erzeugte Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene, nicht vollständig mit der gewünschten Ziel-Intensitätsverteilung übereinstimmt.
Zur Bemessung der Abweichung gibt es unterschiedlichste Bewertungskriterien, beispielsweise die Uniformität (z.B. bei einer Strahlteilung die maximale Abweichung der Leistung oder Intensität der Teilstrahlen untereinander) und Homogenität der Intensitätsverteilung, aber auch die Verteilungsgeometrie (z.B. Elliptizität).
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Feedbacksystem bereitgestellt, mit welchem eine real gemessene Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene bei der Berechnung der Phasenverteilung Berücksichtigung findet, nämlich im Wege eines iterativen Prozesses. Dies bedeutet, dass ein Abgleich zwischen theoretischen Annahmen und einer real erzeugten Intensitätsverteilung vorgenommen wird. Mit einem solchen Ansatz können die Qualität und Genauigkeit der erzeugten Intensitätsverteilung nachweislich verbessert werden. Einzelheiten zu diesem erfindungsgemäßen Ansatz seien nachfolgend beschrieben.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann diesbezüglich vorgesehen sein, im Verfahrensschritt i. eine auf dem Werkstück erzeugte Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung von der weiteren Kameraeinheit zu erfassen. Insbesondere eignet sich hierzu die vorangehend als „zusätzliche“ Kameraeinheit bezeichnete Kameraeinheit. Auch kann die zweite Kameraeinheit - wie eingangs beschrieben - in einer Alternativposition unter der Arbeitsebene bzw. Werkstückebene angeordnet sein und sich somit als weitere Kameraeinheit für die genannte Erfassung der auf dem Werkstück erzeugten Intensitätsverteilung eignen. Die dazu vorgesehene Kameraeinheit kann dabei ebenfalls in die Laserbearbeitungsvorrichtung integriert sein. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, die Kameraeinheit im Bereich der Arbeitsebene anzuordnen. Auch eine Anordnung im Bereich der Fokussiereinheit ist vorstellbar. Letztlich kommt für die Anordnung der genannten Kameraeinheit jede Position in Betracht, bei welcher gewährleistet ist, dass die Kameraeinheit ein Kamerabild der in der Arbeitsebene erzeugten Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung erfassen kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die weitere Kameraeinheit auch vor der Fokussiereinheit positioniert sein. In diesem Fall verfügt die weitere Kameraeinheit über eine eigene Fokussiereinheit oder wird in den Fokus einer Relayoptik positioniert. In diesem Fall handelt es sich um die eingangs beschriebene Position zur Anordnung der zweiten Kameraeinheit. In dieser Konfiguration kann die auf dem Werkstück erzeugte Intensitätsverteilung indirekt gemessen werden. Die so ermittelte Intensitätsverteilung wird im Anschluss so transformiert, dass Sie einer möglichst exakten Näherung der Intensitätsverteilung auf dem Werkstück entspricht. Die vorgenommene Transformation spiegelt dabei den optischen Strahlengang hinter der Kameraeinheit wider, der in einer festen Laserbearbeitungsvorrichtung als bekannt vorausgesetzt werden kann und durch entsprechende Messverfahren hinreichend charakterisiert werden kann. Ohne Weiteres kann die genannte Kameraeinheit die einzige in der Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehene Kameraeinheit sein.
Vorgelagert zu dem Verfahrensschritt i. kann eine gewünschte Ziel-Intensitätsverteilung vorgegeben werden, sei es manuell oder automatisiert. Die Festlegung einer initialen Ziel-Intensitätsverteilung kann sich nach der konkreten Bearbeitungsaufgabe, der zu verwendenden Laserleistung und dem zu bearbeitenden Material richten. Diese Aufzählung ist nicht abschließend.
Gemäß den vorangehenden Ausführungen kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung also vorteilhaft sein, dass das zumindest eine Ist-Merkmal die Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung ist und/oder auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung ermittelt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, die mit der weiteren Kameraeinheit erfasste Intensitätsverteilung als Ist-Merkmal zu definieren. Erfindungsgemäß können also entweder eine, zwei oder drei Kameraeinheiten verwendet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Ist-Merkmal eine Ist-Geometrie, eine Ist-Symmetrie, eine Ist-Uniformität, und/oder eine Ist-Homogenität der modulierten Laserstrahlung auf dem Werkstück, d.h. in der Arbeitsebene, ist. Auch kann sich das Ist-Merkmal auf eine vor dem Auftreffen der modulierten Laserstrahlung auf dem Werkstück erfasste Ist-Geometrie, Ist-Symmetrie, Ist-Uniformität, und/oder Ist-Homogenität der modulierten Laserstrahlung handeln. Grundsätzlich ist zu beachten, dass sich ein Ist-Merkmal wie die Uniformität auch auf voneinander getrennte Teilstrahlen beziehen kann. Dies kann beispielsweise in jenem Fall von Relevanz sein, bei dem die auf den Spatial Light Modulator auftreffende Laserstrahlung in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird, sei es durch den Spatial Light Modulator an sich oder durch ein zugehöriges Strahlteilungselement.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Soll-Merkmal eine auf dem Werkstück zu erzeugende Ziel-Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung ist. Die Ziel Intensitätsverteilung kann von einem Nutzer vorgegeben oder aufgrund von vorgegebenen Angaben zum zu bearbeitenden Werkstück bzw. der konkret vorliegenden Bearbeitungsmethode (Laserbohren, Laserschneiden etc.) berechnet werden. Die Ziel-Intensitätsverteilung kann also von einem Nutzer der Laserbearbeitungsvorrichtung vorgegeben werden, oder anhand von seitens des Nutzers vorgegebenen Parametern ermittelt werden. Im Rahmen der IFTA basierten Optimierung kann die Ziel-Intensitätsverteilung in den einzelnen closed-loop Iterationsschleifen neu festgelegt werden, nämlich in Form einer angepassten Ziel-Intensitätsverteilung. Dies sei an späterer Stelle noch ausführlich erläutert. Erstmalig festgelegt werden kann die Ziel-Intensitätsverteilung in einem eigenem, dem Verfahrensschritt i. vorgelagerten Verfahrensschritt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Soll-Merkmal eine Ziel-Geometrie, eine Ziel-Symmetrie, eine Ziel-Uniformität und/oder eine Ziel-Homogenität der Ziel-Intensitätsverteilung ist. Beispielsweise kann sich die Ziel-Uniformität auf die Intensität der erzeugten Teilstrahlen beziehen, d.h. es wird ein Zielwert für die Leistung der einzelnen Teilstrahlen samt zulässiger Toleranzbereiche festgelegt. Die Toleranzbereiche geben also jene Abweichung des Soll-Merkmals, beispielsweise der Soll-Uniformität an, welche im Falle einer nicht über den Toleranzbereich hinausgehenden Abweichung als Merkmalsabweichung im Sinne der Erfindung deklariert wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine zu der Ziel-Intensitätsverteilung korrespondierende Phasenverteilung in dem Spatial-Light Modulator bereitgestellt wird, wobei die Laserstrahlung auf Basis der bereitgestellten Phasenverteilung moduliert wird. Dies erfolgt insbesondere unter Anwendung einer initialen Berechnung der in dem Spatial Light Modulator bereitzustellenden Phasenverteilung auf Basis des vorangehend beschriebenen IFTA. Maßgebliches Kriterium bei einer initialen (d.h. dem erfindungsgemäßen Optimierungsverfahren vorgelagerten) Berechnung der Phasenverteilung ist die vorgegebene Ziel-Intensitätsverteilung sowie theoretische und ideale Annahmen zur auf den Spatial Light Modulator einfallenden Laserstrahlung. Eine auf dieser Basis erzeugte Intensitätsverteilung im Fernfeld wird von einer Kameraeinheit in Form eines Kamerabildes erfasst (beispielsweise von der zweiten oder zusätzlichen Kameraeinheit) und fließt bei einer erneuten Berechnung der Phasenverteilung mit in deren Bestimmung ein. Entsprechend wird eine real erzeugte Intensitätsverteilung in die Berechnung der Phasenverteilung rückgekoppelt. In diesem Fall unterliegt einem auf den initialen Berechnungszyklus der Phasenverteilung folgenden Berechnungszyklus eine reale Annahme der Intensitätsverteilung. Dadurch können die real vorliegenden Verhältnisse berücksichtigt und optimiert werden.
Hierbei ist zu betonen, dass die mit der Kameraeinheit gemessenen realen Intensitätsverteilungen vor der Einspeisung in den Berechnungsalgorithmus für die Phasenverteilung aufbereitet werden müssen, da der Berechnungsalgorithmus verschiedene Randbedingungen an die ihm bereitgestellten Verteilungen stellt. Beispiele für solche Randbedingungen sind die Stetigkeit der Verteilung, Auflösung, Farbtiefe und Bildformat der bereitgestellten Bilder, Normierung der Verteilung, Ausrichtung, Zentrierung.
Die Einbringung der real erfassten und aufbereiteten Daten in den IFTA Auswertungsalgorithmus bezieht sich insbesondere auf die mit der ersten Kameraeinheit gemessene Intensitätsverteilung der von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlung sowie auf die nachgeordnet zum SLM im Fokus einer Linse erfasste Intensitätsverteilung. Ein Kamerabild der realen Intensitätsverteilung der von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlung muss vor dem Input in den IFTA neu normiert und zentriert werden. Ferner ist eine ausreichende Stetigkeit zu gewährleisten. Die genannten Randbedingungen stellen jedoch nur eine exemplarische Auswahl dar, weshalb die Randbedingungen nicht auf die genannten beschränkt sind. Die dem IFTA diesbezüglich zugrunde gelegten Feedbackdaten können dabei über Hilfsgrößen bereitgestellt werden, beispielsweise könnte die Elliptizität und der Durchmesser anhand der real gemessenen Verteilung bestimmt werden und das dem IFTA zugrunde gelegte Bild einer idealen Gaußverteilung unter Berücksichtigung der vorgenannten Messwerte verzerrt werden. Das dahingehend korrigierte Bild kann dem IFTA sodann als angepasstes Bild der Quelle zugeführt werden. Bezogen auf die nachgeordnet zum SLM im Fokus einer Linse erfasste Intensitätsverteilung muss davon ausgegangen werden, dass der IFTA durch Vorgabe der idealen Zielverteilung eine Phasenverteilung berechnet, die in der Realität nicht zur gewünschten Zielverteilung führt. Entsprechend muss dem IFTA im Wege der Optimierung eine neue Zielverteilung zugrunde gelegt werden. Neben dem o.g. Bild der Quelle ist die Zielverteilung die einzige Möglichkeit Korrekturen auf Basis von real gemessenen Daten in den IFTA einzubringen. Daher umfasst die Aufbereitung zunächst die Berechnung eines Ersatzbildes aus der hinter dem SLM gemessenen Intensitätsverteilung, wobei das Ersatzbild dem IFTA einen Vergleich mit der Zielverteilung ermöglicht. Erst nach der Bestimmung des Ersatzbildes im Wege der Aufbereitung ist ein Vergleich zwischen Soll- und Ist-Intensitätsverteilung möglich. Dem IFTA liegt entsprechend das Ziel zugrunde, eine neue Phasenverteilung zu berechnen, damit die Abweichung zwischen real erzeugter Intensitätsverteilung und Zielverteilung verringert wird. Nochmals sei betont, dass die ideale Zielverteilung auf Basis des erfindungsgemäß vorgenommenen Vergleichs bzgl. der Merkmalsabweichung korrigiert bzw. angepasst werden muss. Beispielsweise können jene Bereiche die laut gemessener Intensitätsverteilung eine zu geringe Intensität aufweisen durch die Erhöhung des Graustufenswerts (also Erhöhung des Weißheitsgrads) stärker betont werden, während Bereiche die laut gemessener Intensitätsverteilung eine zu hohe Intensität aufweisen durch Verringerung des Graustufenwerts weniger betont werden. So wird im IFTA ein entsprechender Ausgleich erhalten. Die neu festgelegte Zielverteilung, die dem IFTA zugrunde gelegt wird, weicht dabei also bewusst von der idealen Zielverteilung ab, da diese nicht zum eigentlich gewünschten Phasenbild führt.
Der sich aus der Erfassung einer realen Intensitätsverteilung und oben beschriebenen Rückkopplung der realen und aufbereiteten Intensitätsverteilung in die Berechnung der Phasenverteilung und einer erneuten Erzeugung der Intensitätsverteilung zusammensetzende Wiederholungszyklus bzw. Feedbackzyklus kann so oft wiederholt werden, bis die real erzeugte Intensitätsverteilung mit der Ziel-Intensitätsverteilung oder einer gewünschten bzw. Intensitätsverteilung übereinstimmt oder die Abweichung innerhalb eines vorgegeben Toleranzbereichs liegt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Merkmalsabweichung eine Soll-Ist Abweichung der Intensitätsverteilung, der Geometrie, der Symmetrie, der Uniformität und/oder Homogenität ist. Die Soll-ist Abweichung kann sich folglich auf Merkmale einer einem modulierten Laserstrahl zugrunde liegenden Intensitätsverteilung beziehen, gleichsam aber auch auf Merkmale verschiedener Teilstrahlen eines Strahlenbündels.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Stellparameter die in dem Spatial-Light Modulator bereitgestellte Phasenverteilung ist, die zur Kompensation der Merkmalsabweichung angepasst wird. Dabei kann der Stellparameter solange angepasst werden, bis die real erzeugte Intensitätsverteilung mit der Ziel-Intensitätsverteilung oder einer gewünschten Intensitätsverteilung übereinstimmt oder die Abweichung innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ziel-Intensitätsverteilung bei erstmaliger Ausführung des Verfahrens auf Basis theoretischer und/oder idealer Annahmen zur Intensitätsverteilung der Laserstrahlung sowie auf Basis der mit der ersten Kameraeinheit erfassten Intensitätsverteilung ermittelt wird. Dies wurde bereits vorangehend ausführlich erläutert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei Ausführung der Verfahrensschritte i. bis iii. in einer closed-loop Regelschleife, auf Basis der in der Arbeitsebene erfassten Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung eine angepasste Ziel-Intensitätsverteilung festgelegt wird, die die vormalige Ziel-Intensitätsverteilung ersetzt. Betont sei dabei jedoch, dass die erfasste Intensitätsverteilung bzw. ein Kamerabild der erfassten Intensitätsverteilung zunächst aufbereitet werden muss, bevor auf dessen Basis eine neue Ziel-Intensitätsverteilung ermittelt werden kann, mit welcher der IFTA Loop zur Berechnung einer die neue Ziel-Intensitätsverteilung bereitstellenden Phasenverteilung beaufschlagt werden kann. Dies wurde vorangehend bereits ausführlich beschrieben.
Ein Beispielhafter Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen auf die Strahlformung bezogenen Feedback-basierten Optimierungsverfahrens sei nachfolgend unter Bezugnahme auf die im Patentanspruch 1 definierten Verfahrensschritte i. bis iii. konkret beschrieben.
Dem Verfahrensschritt i. bzw. dem Ablauf des Iterationszyklus vorgelagert wird zunächst eine gewünschte Ziel-Intensitätsverteilung festgelegt. In dem Verfahrensschritt i. wird von der weiteren Kameraeinheit ein Kamerabild der in der Arbeitsebene oder an einer anderen dem Spatial Light Modulator nachgeordneten Position erzeugten Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung als Ist-Merkmal erfasst. Gegebenenfalls wird zudem von der ersten Kameraeinheit ein Kamerabild der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung als weiteres Ist-Merkmal erfasst.
In dem Verfahrensschritt ii. werden die erfassten Kamerabilder zunächst einer Aufbereitung unterzogen. Im Anschluss wird zumindest ein Ist-Merkmal der dem aufbereiteten Kamerabild der modulierten Laserstrahlung zugehörigen Intensitätsverteilung mit zumindest einem Soll-Merkmal der Ziel-Intensitätsverteilung unter Bestimmung einer Merkmalsabweichung verglichen. Wie erwähnt müssen jedoch jene die erfasste Intensitätsverteilung wiedergebenden Kamerabilder einer Aufbereitung unterzogen werden. Die Ziel-Intensitätsverteilung ist eine ideale Verteilung, das Kamerabild enthält Informationen, die zuvor durch eine Aufbereitung erst entsprechend interpretiert und zu einem neuen Bild verarbeitet werden müssen. Erst dieses neue Bild ermöglicht den Vergleich mit der idealen Zielverteilung.
In dem Verfahrensschritt iii. wird eine Bewertung der Merkmalsabweichung vorgenommen, wobei im Falle einer über ein vorgegebenes Maß (also einem Toleranzbereich) hinausgehenden Merkmalsabweichung

a. das aufbereitete Kamerabild der Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung und gegebenenfalls das aufbereitete Kamerabild der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung als Input-Parameter zur algorithmischen Bestimmung der in dem Spatial Light Modulator bereitgestellten Phasenverteilung verwendet werden und eine angepasste Ziel-Intensitätsverteilung festgelegt wird,
b. unter Berücksichtigung der Input-Parameter und der angepassten Ziel-Intensitätsverteilung eine angepasste Phasenverteilung als Stellparameter berechnet wird, und
c. der Laserstrahl basierend auf der angepassten Phasenverteilung moduliert wird.

Die Notwendigkeit der Festlegung einer angepassten Ziel-Intensitätsverteilung wurde vorangehend bereits ausführlich erläutert, weshalb diesbezüglich auf die vorangehenden Ausführungen verwiesen sei.
Die beschriebenen Verfahrensschritte i. bis iii. werden dabei iterativ bis zur Erfüllung eines Konvergenzkriteriums ausgeführt. Das Konvergenzkriterium kann dabei eine gewünschte Ziel-Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene sein.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Konvergenzkriterium erfüllt sein, sofern die auf in der Arbeitsebene vorliegende Ist-Intensitätsverteilung der Laserstrahlung der Ziel-Intensitätsverteilung entspricht oder innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Aufbereitung eine Drehung, Spiegelung, Skalierung, Ausrichtung, Invertierung, Filterung, Skalierung oder Normierung der Graustufenwerte, Differenzbildung mit Zielverteilungen und/oder eine Integration des erfassten Kamerabildes unter Berechnung eines aufbereiteten Kamerabildes umfassen. Eine Aufbereitung kann auch aus einer Folge komplexerer Auswertungs- und Berechnungsoperationen auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung beinhalten, die das gesamte Bild oder nur Teilbereiche des Bildes umfassen. Eine Aufbereitung des erfassten Kamerabildes ist in der Regel erforderlich, da der IFTA Loop ein gemessenes Kamerabild in der Regel nicht eins zu eins übernehmen und verarbeiten kann. Vielmehr muss die sich in dem Kamerabild (sei es mit der ersten, zweiten oder dritten Kameraeinheit aufgenommen worden) wiederspiegelnde Ist-Intensitätsverteilung bzw. die zweidimensionalen Intensitätsdaten zunächst entsprechend aufbereitet werden. Die Aufbereitung ist ein wesentlicher Zwischenschritt des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens.
Nachfolgend sei die Aufbereitung anhand eines einfachen Beispiels näher erläutert. Ausdrücklich sei jedoch betont, dass die Aufbereitung nicht auf den nachfolgend beschriebenen Sachverhalt beschränkt ist. Angenommen sei, dass eine über den Spatial Light Modulator bzw. einem zugehörigen optischen Strahlteilungselement bereitgestellte vier mal vier Strahlteilung hinsichtlich ihrer Uniformität optimiert werden soll (d.h. alle Teilstrahlen sollen die gleiche Intensität bzw. Leistung aufweisen). Der Input für die Zielverteilung des IFTA ist in diesem Fall ein Schwarzweißbild mit 16 einzelnen weißen Pixeln. Ein Pixel repräsentiert dabei einen Spot. Das Messbild des Feedbacksystems ist jedoch ein Kamerabild mit einer Anzahl von beugungsbegrenzten Spots (d.h. jeder Spot überspannt mehrere Pixel des Kamerabildes). Die Spots im Messbild können den gewünschten Spots (sog. erste Ordnung) aber auch unerwünschte höhere Ordnungen oder der nullten Ordnung entsprechen. Im Rahmen der Aufbereitung muss also vor der Einspeisung in den IFTA Loop das gemessene Kamerabild ausgewertet bzw. als Inputbild aufbereitet werden. Dazu muss das Bild zunächst gefiltert werden, d.h. die unerwünschten Spots müssten von den gewünschten Spots getrennt werden. Da die gewünschten Spots sich im Kamerabild jeweils über mehrere Pixel erstrecken, muss das Bild zunächst in 16 Teilbereichen integriert werden. Als Resultat erhält man ein Graustufenbild, das 16 nichtschwarze Pixel beinhaltet. Jeder dieser 16 Pixel repräsentiert einen Spot, der Graustufenwert die zugehörige relative Leistung oder Intensität des Spots gemäß der Messung durch das Kamerabild. Durch weitere Aufbereitung des Bildes erhält man als Resultat der Aufbereitung eine korrigierte Zielverteilung, die dem IFTA-Algorithmus als neue Zielverteilung zur Berechnung einer neuen, korrigierten Phasenverteilung dient. Diese neu berechnete Phasenverteilung ist gleichzeitig der Stellparameter gemäß Schritt iii.b), der in Schritt iii.c.) zur Korrektur bzw. Optimierung der Strahlverteilung führt.
Wie bereits erwähnt, wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung ebenso mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 39 gelöst. Die genannte Laserbearbeitungsvorrichtung ist zur Ausführung einer Laserbearbeitung eines Werkstücks eingerichtet und umfasst eine Laserstrahlungsquelle, einen Spatial Light Modulator, eine Fokussiereinheit, eine Rechen- und Steuereinheit, sowie zumindest eine Kameraeinheit, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung dazu eingerichtet ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 38 auszuführen.
Wie schon eingangs erwähnt, kann die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung zumindest eine Kameraeinheit, beispielsweise eine erste Kameraeinheit, eine zweite Kameraeinheit und eine dritte Kameraeinheit aufweisen. Grundsätzlich sind die Funktionen und die Anordnungspositionen (in der Laserbearbeitungsvorrichtung) der Kameraeinheiten unterschiedlich. Die erste Kameraeinheit ist dabei insbesondere vorgesehen, um die Intensitätsverteilung (bzw. Strahlverteilung) der von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlung zu erfassen, also eine Rohstrahlverteilung. Die zweite Kameraeinheit ist vorzugsweise im Fokus einer ersten Relayeinheit angeordnet, sodass unmittelbar eine Ist-Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung erfasst werden kann, also der Fouriertransformierten der modulierten Laserstrahlung. Alternativ kann die zweite Kameraeinheit eine eigene Linse aufweisen, um die Fouriertransformation auszuführen. In diesem Fall kann auf die erste Relayeinheit verzichtet werden. Die zweite Kameraeinheit erlaubt eine indirekte Messung der Intensitätsverteilung der Bearbeitungsoptik. Die zweite Kameraeinheit ist zudem nachgeordnet zu dem Spatial Light Modulator angeordnet. Ferner kann eine dritte Kameraeinheit vorgesehen sein, die zur Erfassung der Strahlverteilung außerhalb des Fokus der ersten Relayeinheit, jedoch in Bezug auf den optischen Pfad ebenfalls nachgeordnet zum SLM angeordnet ist. Entsprechend ist die dritte Kameraeinheit dazu eingerichtet, insbesondere die Position bzw. räumliche Lage der modulierten Laserstrahlung zu erfassen. Alternativ kann die zweite Kameraeinheit unter der Arbeitsebene bzw. Werkstückebene angeordnet sein. In diesem Fall kann die unmittelbar auf dem Werkstück erzeugte Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung von der zweiten Kameraeinheit erfasst werden. Auch kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, in der Werkstückebene eine zusätzliche Kameraeinheit vorzusehen und die zweite Kameraeinheit - wie beschrieben - im Fokus der ersten Relayoptik anzuordnen. In Bezug auf die in der vorliegenden Beschreibung verwendete Terminologie ist mit der „ersten“ Kameraeinheit die vorangehend beschriebene erste Kameraeinheit zu verstehen, die zweite Kameraeinheit (sei es in Anordnung im Fokus der ersten Relayeinheit oder unterhalb der Arbeitsebene, letztere kann auch eine zusätzliche Kameraeinheit sein) sowie die dritte Kameraeinheit, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindungsbeschreibung auch als „weitere“ Kameraeinheit bezeichnet.
Sämtliche der voranstehend genannten Ausgestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens auch als mögliche bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung und sind damit in dessen Gegenstand einbezogen.
Nebst den bereits eingangs erläuterten möglichen oder zwingenden Bestandteilen der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommenden Laserbearbeitungsvorrichtung, kann diese aber noch weitere Bestandteile aufweisen. So kann zwischen der Laserstrahlungsquelle und dem Spatial Light Modulator eine Vorrichtung zur Strahlaufweitung angeordnet sein. Eine solche Vorrichtung kann sowohl auf Linsen als auch auf Spiegeln basieren. Auch die Verwendung von prismenbasierten Vorrichtungen zur Strahlaufweitung ist möglich und vom Umfang der Erfindung umfasst.
Die Vorrichtung zur Strahlaufweitung kann nur in einer Raumrichtung wirksam sein, in der Regel ist sie jedoch so ausgebildet, dass sie in zwei Raumrichtungen wirksam ist. Dabei können die angewendeten Aufweitungsfaktoren in beiden Raumrichtungen gleich sein, sie können aber auch unterschiedlich sein.
Bevorzugt ist die Vorrichtung zur Strahlaufweitung so ausgebildet, dass ein einfallender paralleler Strahl oder Strahl mit geringer Divergenz in einen Strahl mit deutlich größerem Querschnitt umgewandelt wird, der aber weiterhin parallel ist oder nur eine geringe Divergenz aufweist. Die realisierte Vergrößerung des Strahlquerschnitts hängt von den optischen Gegebenheiten uns insbesondere den Abmessungen der in der verwendeten Strahlformungseinheit vorgesehenen optischen Elemente wie einem Spatial Light Modulator ab. In der Praxis hat sich eine Strahlaufweitung bewährt, die mit einer Vergrößerung des Strahlquerschnitts zumindest um den Faktor 1.5 bis 3, vorzugsweise jedoch um den Faktor 2 verbunden ist.
Weiterhin kann zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Strahlformungseinheit ein Lambda-Halbe-Verzögerungselement angeordnet sein. Dieses Verzögerungselement erlaubt die Anpassung der Polarisationsrichtung der Laserstrahlung, was insbesondere bei der Verwendung von Spatial Light Modulator auf Basis von Flüssigkristallen in der Strahlformungseinheit vorteilhaft ist.
Weiterhin kann im Strahlengang der Laserbearbeitungsvorrichtung eine Linse, bevorzugt eine F-Theta-Linse, die auch als Planfeldlinse bezeichnet wird, angeordnet sein, die dazu eingerichtet ist, die einfallende, bevorzugt im Wesentlichen parallele oder nur schwach di- oder konvergente Laserstrahlung auf das Werkstück zu fokussieren. Dabei ist unter einer Linse in diesem Zusammenhang auch ein aus mehreren Linsen zusammengesetztes komplexes Linsensystem zu verstehen.
Auch können zwischen dem Spatial Light Modulator und einem Aufnahmebereich für das Werkstück (also der Arbeitsebene) zwei Relay-Optiken angeordnet sein. Diese können als beispielsweise als Einzellinsen ausgebildet sein, z.B. als Achromaten. In der Praxis hat sich jedoch die Verwendung komplexer Linsensysteme als Relay-Optiken als vorteilhaft erwiesen.
Neben weiteren Vorteilen erlaubt es die erfindungsgemäß vorgesehene Einbringung von zwei Relay-Optiken in den Strahlengang, mittels einer zwischen den Relay-Optiken angeordneten optischen Maske unerwünschte Ordnungen aus der modulierten Laserstrahlung, d.h. dem von einem Spatial Light Modulator erzeugten Beugungsbild, auszufiltern. So zeigen praktisch alle kommerziell erhältlichen variablen Spatial Light Modulatoren neben der erwünschten ersten Beugungsordnung eine unerwünschte nullte Beugungsordnung sowie höhere Beugungsordnungen. Insbesondere kann die Maske also dazu vorgesehen und eingerichtet sein, ungebeugte Anteile der von der Strahlformungseinheit modulierten Laserstrahlung auszufi ltern.
Weiterhin hat es sich herausgestellt, dass es möglich ist, die Phasenverteilung auf dem SLM zusätzlich noch mit einer Fresnellinse zu überlagern. So können die Ordnungen getrennt bzw. die z-Fokuslage der ersten Ordnung relativ zur nullten Ordnung bei Bedarf geschoben werden. Es handelt sich dabei keineswegs um eine massebehaftete Linse im Strahlengang, sondern nur um eine Überlagerung im SLM. Eine Überlagerung im SLM kann derart ausgeführt werden, dass beide Phasenbilder addiert werden und das Ergebnis Modulo 2 pi bzw. Modulo 256 genommen wird, wobei der Graustufenwert 256 einer Phasenverschiebung von 2 Pi bzw. einer Wellenlänge entspricht.
Weitere Vorteile, Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung stehen, sind anhand der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele genauer erläutert. Dieses soll dem Fachmann die Erfindung verdeutlichen und ihn die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen, ohne jedoch die Erfindung zu beschränken. Die anhand der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale können ebenfalls zur Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wie auch der Laserbearbeitungsvorrichtung herangezogen werden. Die Ausführungsbeispiele werden anhand der Figuren näher erläutert. Dort zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommenden Laserbearbeitungsvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommenden Laserbearbeitungsvorrichtung in einer alternativen Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs und
4 eine schematische Darstellung eines im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommenden iterativen Fourier-Transformations Algorithmus.

In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel des grundlegenden Aufbaus einer Laserbearbeitungsvorrichtung wiedergegeben, wie sie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommen kann.
Diese umfasst zunächst einen Tisch 18, der eine Werkstückaufnahme 22 zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks 24 ausbildet. Die Bearbeitungsfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 24 bildet eine Arbeitsebene 3 aus, in welcher die Laserbearbeitung des Werkstücks 24 erfolgt. Ohne weiteres kann der Tisch 18 samt Werkstückaufnahme 22 aber auch separat zu der Laserbearbeitungsvorrichtung ausgebildet sein.
Weiterhin umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung einen Spatial Light Modulator 4, der zwischen einer Laserstrahlungsquelle 1 und der Arbeitsebene 3 in den optischen Pfad 2 der von der Laserstrahlungsquelle 1 erzeugten Laserstrahlung 10, 20 eingefügt ist. Der Spatial Light Modulator 4 ist dazu eingerichtet, durch lokale Modulation der Laserstrahlung 10 eine vorgebbare Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung 20 auf dem Werkstück 24 bzw. in der Arbeitsebene 3 zu erzeugen. Insbesondere kommt dazu ein variabler Spatial Light Modulator 4 in Betracht. Bei dem verwendeten Spatial Light Modulator 4 handelt es sich um ein aktives optisches Bauelement, welches die Phase des von der Laserstrahlungsquelle 1 erzeugten und auf den Spatial Light Modulator 4 einfallenden Laserstrahlung 10 lokal in Abhängigkeit vom Ort variiert. Dabei kann die lokale Phasenverzögerung pixelweise aktiv gesteuert werden. Hierzu ist der Spatial Light Modulator 4 mit einer Steuereinheit 40 verbunden, die dazu eingerichtet ist, die vom Spatial Light Modulator 4 angewendete lokal variierende Phasenverzögerung pixelweise elektronisch einzustellen. Der Spatial Light Modulator 4 wird vorzugsweise in einer Reflexionskonfiguration verwendet.
Die in dem Spatial Light Modulator 4 ausgeführte Modulation der Laserstrahlung 10 basiert auf einer Reflexion der einfallenden Laserstrahlung 10 an einer Siliziumoberfläche, vor welcher eine Flüssigkristallschicht angeordnet ist. Vorstellbar ist auch andere Oberflächenmaterialien einzusetzen. Dabei können die doppelbrechenden Eigenschaften der Flüssigkristallschicht durch Anlegen eines elektrischen Felds über mikrostrukturierte Elektroden gezielt lokal eingestellt werden. Entsprechende Spatial Light Modulatoren 4 werden von der Fa. Holoeye und der Fa. Hamamatsu unter der Bezeichnung LCOS („Liquid Crystal on Silicon“)-Spatial Light Modulator vertrieben.
Der verwendete Spatial Light Modulator 4 erlaubt die Erzeugung von in weiten Grenzen frei vorgebbaren Intensitätsverteilungen auf dem Werkstück 24 durch Beugung von Laserstrahlung an einem phasenmodulierenden Gitter. Dabei verkraften derartig aufgebaute Spatial Light Modulatoren 4 sehr hohe Laserleistungen, sowohl bei der Verwendung von kontinuierlicher als auch von gepulster Laserstrahlung 10.
Weiterhin ist am Spatial Light Modulator 4 eine aktive Kühlung vorgesehen, die eine effiziente Abfuhr von Verlustwärme bei sehr hohen Laserleistungen ermöglicht. Diese basiert auf einer Wärmeabfuhr über ein zirkulierendes Kühlmedium, insbesondere Wasser.
Im optischen Pfad 2 der Laserstrahlung 10, 20 ist eine Mehrzahl dielektrischer Spiegel 150 zur Strahlumlenkung angeordnet. Die dielektrischen Spiegel weisen eine Reflexion kleiner als 100 Prozent auf und sind so aufgebaut, dass transmittierte Laserstrahlung optisch nur minimal verzerrt wird. Die verwendete Laserstrahlungsquelle 1 erzeugt vorzugsweise gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer zwischen 100 ns und einigen fs. Typische Pulswiederholraten liegen dabei im Bereich von einigen Hundert Hertz bis einigen Megahertz. Die optische Leistung der Laserstrahlungsquelle 1 liegt bei etwa 100 W. Die Laserstrahlungsquelle 1 erzeugt monomodale Laserstrahlung in der TEMoo-Mode. Diese weist einen kreisrunden Querschnitt mit einer gaußförmigen Intensitätsverteilung auf.
Weiterhin ist zwischen der Laserstrahlungsquelle 1 und dem Spatial Light Modulator 4 eine auf Linsen basierende Vorrichtung zur Strahlaufweitung 60 angeordnet. Die erzeugte Strahlaufweitung ist in beiden Raumrichtungen senkrecht zur Stahlrichtung gleich. Bezogen auf den Strahldurchmesser wird der einfallende Laserstrahl um einen Aufweitungsfaktor von 2 aufgeweitet, d.h. der Strahlquerschnitt erhöht sich um den Faktor 4.
Die Vorrichtung zur Strahlaufweitung 60 ist so ausgebildet, dass der von der Laserstrahlungsquelle 1 erzeugte, quasi parallele Strahl 10 in einen Strahl mit deutlich größerem Querschnitt umgewandelt wird, der aber weiterhin nur eine geringe Divergenz aufweist, so dass er quasi als parallel anzusehen ist.
Weiterhin ist im Strahlengang der gezeigten Vorrichtung zwischen der Laserstrahlungsquelle 1 und dem Spatial Light Modulator 4 ein als Lambda-Halbe-Plättchen ausgebildetes Lambda-Halbe-Verzögerungselement 70 angeordnet. Dieses Verzögerungselement 70 erlaubt die Anpassung der Polarisationsrichtung der auf den Spatial Light Modulator 4 einfallenden Laserstrahlung 10.
In Bezug auf den optischen Pfad 2 bzw. den Strahlengang sind nachgeordnet zu dem Spatial Light Modulator 4 zwei Relay-Optiken 90, 92 angeordnet, zwischen denen die modulierte Laserstrahlung 20 eine ausgeprägte Strahltaille ausbildet. Die Relayoptiken 90,92 bilden dabei den Spatial Light Modulator in einem Punkt 51 ab. Üblicherweise stimmt dieser mit der Eintrittspupille der Fokussieroptik 80 überein.
Mittels einer am Ort dieser Strahltaille angeordneten optischen Maske 100 aus einem strukturierten Metallblech werden unerwünschte Ordnungen aus der modulierten Laserstrahlung 20, d.h. dem vom Spatial Light Modulator 4 erzeugten Beugungsbild, ausgefiltert. Unerwünscht sind insbesondere die vom Spatial Light Modulator 4 ungebeugten Strahlanteile, die praktisch die nullte Beugungsordnung des Spatial Light Modulator 4 darstellen, sowie die so genannten höheren Ordnungen.
Weiterhin ist in Bezug auf den optischen Pfad 2 hinter dem Spatial Light Modulator 4, jedoch vor der Arbeitsebene 3 bzw. dem Werkstück 24 eine aus mehreren Linsen zusammengesetzte F-Theta-Linse 80 (auch als „Planfeldlinse“ bezeichnet), angeordnet, die dazu eingerichtet ist, die von der zweiten Relay-Optik 92 einfallende, im Wesentlichen parallele Laserstrahlung 20 auf das der Werkstückaufnahme 22 auf dem Tisch 20 befindliche Werkstück 24 zu fokussieren.
Weiterhin ist eine Scaneinheit 50 vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, eine Bewegung der Laserstrahlung 20 auf einem in der Werkstückaufnahme 22 angeordneten Werkstück 24 zu bewirken. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird diese Bewegung durch eine aktive Steuerung des Strahlengangs der Laserstrahlung bewirkt.
Die Scaneinheit 50 kann dazu beispielsweise als zwei-achsiger galvanometrischer Spiegelscanner ausgebildet sein. Mittels dieses Spiegelscanners kann die Laserstrahlung 20 entlang zweier voneinander unabhängiger Achsen X und Y, die in der Ebene der Oberfläche des Tischs 20 liegen, auf der Oberfläche des Werkstücks 24 bzw. in der Arbeitsebene 3 bewegt werden.
Weiterhin weist die in 1 dargestellte Laserbearbeitungsvorrichtung eine zentrale Rechen- und Steuereinheit 110 auf, in die die Steuereinheit 40 des Spatial Light Modulators 4 integriert ist und die sowohl die Scaneinheit 50, die Laserstrahlungsquelle 1 als auch den Spatial Light Modulator 4 ansteuert. Dabei kann die zentrale Steuereinheit 110 dazu eingerichtet sein, die modulierte Laserstrahlung 20 zur Bearbeitung eines Werkstücks 24, welches sich in der Arbeitsebene 3 bzw. der Werkstückaufnahme 22 befindet, über die Oberfläche des Werkstücks 24 zu bewegen.
Wie schon eingangs erwähnt, ist der Spatial Light Modulator 4 dazu eingerichtet, die Laserstrahlung 10 mit einer einstellbaren Phasenverteilung zu beaufschlagen, um modulierte Laserstrahlung 20 zu erzeugen, die im Fernfeld (also in der Arbeitsebene 2) eine vorgegebenen Intensitätsverteilung aufweist. Die konkrete Funktionsweise des Spatial Light Modulators 4, sowie zugehörige Ausführungsvarianten wurden bereits eingangs ausführlich beschrieben. Die Strahlformung ermöglicht, die Intensitätsverteilung eines auf das Werkstück 24 abgebildeten Laserspots der modulierten Laserstrahlung 20 an die Erfordernisse der jeweiligen Bearbeitungsaufgabe anzupassen.
Wie bereits in der einleitenden Beschreibung erläutert, kann zumindest eine Kameraeinheit K1, K2, K3, K_A in die Laserbearbeitungsvorrichtung integriert sein. Insbesondere können auch mehrere Kameraeinheiten in der Laserbearbeitungsvorrichtung verbaut sein. Grundsätzlich können die Kameraeinheiten an jeglichen geeigneten Positionen in der Laserbearbeitungsvorrichtung positioniert werden. Vorzugsweise werden die Kameraeinheiten K1, K2 und K3 allerdings jeweils hinter den dielektrischen Umlenkspiegeln 150 positioniert, um den Strahlengang der Laserstrahlung 10 bzw. modulierten Laserstrahlung 20 entlang des optischen Pfads 2 von der Laserstrahlungsquelle 1 bis zum Werkstück 24 während der Messung nicht zu abzuschatten. Da die dielektrischen Spiegel 150 eine sehr hohe Reflexion aber auch eine kleine (Rest-) Transmission aufweisen, ist es möglich eine Messung auch bei hohen mittleren Leistungen der Laserstrahlungsquelle 1 durchzuführen ohne die Kameraeinheiten K1, K2, K3 durch zu hohe Laserleistung zu beschädigen und ohne einen Laserbearbeitungsprozess zu stören. Die dielektrischen Spiegel trennen die Strahlengänge in einen Strahlengang mit hoher mittlerer Laserleistung (High Power Bereich 52) für die Laserbearbeitung und einen Strahlengang mit sehr niedriger mittlerer Laserleistung (Low Power Bereich 53) für die Messung der Intensitätsverteilung mit den Kameraeinheiten. In der 1 ist der High Power Bereich 52 und der Low Power Bereich 53 beispielhaft für den Bereich der zweiten Kameraeinheit K2 illustriert (vgl. auch den in der gestrichelten Linie angedeuteten Strahlengang im Low Power Bereich 52). Selbstverständlich gilt die selbige Unterteilung auch für die erste und dritte Kameraeinheit. Die in der 1 wiedergegebenen Positionen geben beispielhafte Anordnungspositionen der Kameraeinheiten K1, K2, K3, K_A wieder. So kann eine erste Kameraeinheit K1 an einer zwischen der Laserstrahlungsquelle 1 und dem Spatial Light Modulator 4 liegenden Position angeordnet werden, während eine zweite Kameraeinheit in Bezug auf den optischen Pfad 2 nachgelagert zu dem Spatial Light Modulator 4 angeordnet ist. Gleiches gilt für die Positionierung einer etwaigen dritten Kameraeinheit K3. Alternativ zur zweiten Kameraeinheit K2 oder zusätzlich kann eine weitere Kameraeinheit K_A in Bezug auf den optischen Pfad 2 nachgelagert zu der Scaneinheit 50 angeordnet sein, also im Bereich der Arbeitsebene 3. Wie in der 2 illustriert, ist die konkrete Position der Kameraeinheit K_A nicht festgelegt. Dessen Kameraobjektiv kann frontal (2) oder quer (1) zu der fokussierten Laserstrahlung ausgerichtet werden.
Erfindungsgemäß unterliegen den Kameraeinheiten unterschiedliche Aufgaben. Die erste Kameraeinheit K1 dient der Erfassung der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung 10 vor dem Auftreffen auf den Spatial Light Modulator 4. Die Kameraeinheiten K2 und K3 (unabhängig von ihrer konkreten Position) erfassen die Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung 20, während die Kameraeinheit K_A die Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung 20 in der Arbeitsebene 3 erfasst. Die Kameraeinheit K2 ist dabei so positioniert, dass Sie sich im Fokus der ersten Relayoptik 90 befindet und somit die Fouriertransformierte der modulierten Laserstrahlung 20 misst. Alternativ kann die Kameraeinheit K2 auch über eine eigene Fokussieroptik aufweisen, um die Fouriertransformierte der modulierten Laserstrahlung 20 an einer anderen Position im Strahlgengang zu messen. Die Kamera K2 misst also in jedem Fall die Fouriertransformierte der modulierten Laserstrahlung 20 und erlaubt somit, wie bereits oben erwähnt, eine indirekte Messung der Intensitätsverteilung auf dem Werkstück. Die mit den Kameraeinheiten K1, K2, und K3 erfassten Daten können zur Optimierung der Strahllage der Laserstrahlung 10 in Bezug zu dem Spatial Light Modulator 4 eingesetzt werden. Anhand der erfassten Intensitätsverteilung kann die Strahllage bzw. die Schwerpunktlage der Laserstrahlung 10 in Bezug auf einen stationären Bezugspunkt ermittelt werden. Bei einer vorliegenden Abweichung von einer gewünschten Soll-Lage kann über eine sich aus mehreren motorisierten (Kipp)-Spiegel zusammensetzende Spiegelanordnung 15 die Strahllage justiert werden. Dieser Prozess kann kontinuierlich im Wege einer closed-loop Regelung ausgeführt werden.
Die mit der Kamera K_A in der Arbeitsebene 3 erfasste Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung 20 aber auch die die mit der Kamera K2 erfasste Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung 20 kann zudem als Input Parameter für eine auf einem IFTA basierende Berechnung einer in dem Spatial Light Modulator 4 zur Erzeugung einer gewünschten Ziel-Intensitätsverteilung einzustellenden Phasenverteilung dienen. Ferner kann dem IFTA auch eine mit der ersten Kameraeinheit K1 erfasste Intensitätsverteilung der von der Laserstrahlungsquelle 1 erzeugten Laserstrahlung 10 zugrunde gelegt werden. Vorzugsweise werden die erfassten Kamerabilder vor der Weiterverarbeitung im IFTA Algorithmus einer geometrischen oder rechnerischen Daten- oder Bildaufbereitung unterzogen.
In der 3 ist ein stark schematisierter Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung einer mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgeführten Laserbearbeitung wiedergegeben. Für Details bezüglich von mit der Erfindung beanspruchten Verfahrensvarianten sei auf die einleitende Beschreibung verwiesen.
Das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren kann bei all jenen Laserbearbeitungsverfahren zum Einsatz kommen, bei denen im Zuge der Laserbearbeitung von einer Laserstrahlungsquelle 1 Laserstrahlung 10 erzeugt und entlang eines optischen Pfades 2 in Richtung einer Arbeitsebene 3 ausgesendet wird, wobei die Laserstrahlung 10 mittels eines in dem optischen Pfad 2 nachgelagert zur Laserstrahlungsquelle 1 angeordneten Spatial Light Modulators 4 moduliert wird, und wobei die modulierte Laserstrahlung 20 auf die Arbeitsebene 3 fokussiert wird.
Wie in der 3 grundsätzlich dargestellt, wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer closed-loop Regelschleife ausgeführt. Das Verfahren kann also kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitintervallen ausgeführt werden. Auch kann das Verfahren solange ausgeführt werden, bis eine gewünschte Lösung erzielt wurde.
Gemäß einem ersten Verfahrensschritt i. wird zumindest ein Ist-Merkmal der Laserstrahlung 10 und/oder der modulierten Laserstrahlung 20 unter Einsatz von zumindest einer Kameraeinheit K1, K2, K3, K_A ermittelt.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird das zumindest ein Ist-Merkmal der Laserstrahlung 10 und/oder der modulierten Laserstrahlung 20 mit zumindest einem vorgegebenen Soll-Merkmal verglichen und eine jeweilige Merkmalsabweichung bestimmt.
In einem Verfahrensschritt iii. wird die Merkmalsabweichung bewertet und gegebenenfalls ein Stellparameter angepasst, insbesondere dann, wenn die Merkmalsabweichung über ein vorbestimmtes Maß (bzw. einen akzeptablen Toleranzbereich) hinausgeht. Im Falle, dass keine Merkmalsabweichung feststellbar ist, oder die Merkmalsabweichung innerhalb eines Toleranzbereiches liegt, findet keine Anpassung des Stellparameters statt. Nach Abschluss des Verfahrensschritts iii. kann der Verfahrensablauf wiederholt werden (dies ist anhand des auf den Verfahrensschritt i. rückgeführten Pfeils kenntlich gemacht).
In der 4 ist der schematische Ablauf eines IFTA dargestellt, wie er im Rahmen des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens, insbesondere bei der auf die Optimierung der Strahlformung, zum Einsatz kommen kann. Der IFTA Algorithmus wird synonym auch nach seinen Entdeckern als Gerchberg-Saxton Algorithmus bezeichnet. Er dient zur erstmaligen iterativen Berechnung einer Phasenverteilung auf Basis einer Intensitätsverteilung einer Lichtquelle und einer gewünschten Ziel-Intensitätsverteilung die durch eine Fouriertransformation ineinander übergehen. Aus optischer Sicht führt eine Linse eine solche Fouriertransformation durch, weshalb die durch das Phasenbild auf dem SLM modulierte Laserstrahlung durch eine Fokussierlinse in die eine Intensitätsverteilung auf dem Werkstück überführt werden kann Weiterhin kann der IFTA auch zur Optimierung einer bereits gefundenen Phasenverteilung dienen, um Korrekturen an einer durch den SLM generierten Ist-Intensitätsverteilung auf dem Werkstück durch Vergleich mit einer Soll-Intensitätsverteilung durchzuführen.
In dem in 4 wiedergegebenen Blockdiagramm ist ein möglicher Startpunkt des Algorithmus mit der Ziffer 0 bezeichnet. Demgemäß wird zunächst eine in der Arbeitsebene 2 vorliegende angepasste Ziel-Intensitätsverteilung als Startdatensatz definiert. Diese angepasste Ziel-Intensitätsverteilung wird vor dem Start des Algorithmus auf Basis der ermittelten Merkmalsabweichung berechnet. Es handelt sich bei der angepassten Ziel-Intensitätsverteilung also nicht um die ideale Ziel-Intensitätsverteilung. Im Anschluss (Ziffer II) wird zunächst eine Phasenverteilung festgelegt. Diese kann entweder eine zufällige Phasenverteilung (beispielsweise für den Fall der erstmaligen Berechnung der Phasenverteilung) oder eine bereits vorhandene Phasenverteilung sein, die nahe der zu bestimmenden optimalen Phasenverteilung ist. Sodann (Ziffer III) werden die Amplitude der von der Laserstrahlungsquelle erzeugten Laserstrahlung (also der noch nicht-modulierten Strahlung) mit der Phasenverteilung kombiniert, um ein resultierendes Objektfeld in der Objektebene zu erhalten. Danach wird das Objektfeld von der Objektebene auf die Arbeitsebene 3 im Wege einer Fast-Fourier Transformation übertragen (Ziffer IV). Die daraus resultierende Amplitudenverteilung bzw. Intensitätsverteilung (Ziffer V) wird sodann mit der Ziel-Intensitätsverteilung verglichen. Auf Basis des Vergleichs wird eine Bewertung vorgenommen, im Rahmen derer entschieden wird, den Algorithmus nach Durchführung des nächsten Schritts (Ziffer I) zu beenden oder zu wiederholen. Im Falle einer Wiederholung oder Weiterführung des Algorithmus wird die Phasenverteilung aus dem Berechnungsschritt Ziffer IV mit der aus der Ziel-Intensitätsverteilung erhaltenen Amplitude kombiniert und die Verteilungen über eine inverse Fast-Fouriertransformation (IFFT) wieder in die Objektebene übertragen (Ziffer I). Die resultierende Phasenverteilung (Ziffer II) entspricht einer optimierten bzw. angepassten Phasenverteilung. Der Algorithmus wird bis zum Abbruch wiederholt, wobei für den nächsten Iterationsschritt jeweils die im vorigen Schritt berechnete angepasste Phasenverteilung verwendet wird. Im Rahmen der Erfindung wird die Ist-Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene 3 mit einer Kameraeinheit K2, K_A aufgenommen und die entsprechenden Bilddaten einer Aufbereitung unterzogen. Entsprechend fließt das aufbereitete Ist-Bild in den IFTA-Algorithmus ein.
Bezugszeichenliste

1: Laserstrahlungsquelle
2: optischer Pfad
3: Arbeitsebene
4: Spatial Light Modulator
10: Laserstrahlung
15: Spiegelanordnung
18: Tisch
20: modulierte Laserstrahlung
22: Werkstückaufnahme
24: Werkstück
40: Steuereinheit
50: Scaneinheit
51: Punkt
52: High Power Bereich
53: Low Power Bereich
60: Vorrichtung zur Strahlaufweitung
70: Lambda-Halbe-Verzögerungselement
80: F-Theta-Linse
90: Relay-Optik
92: Relay-Optik
100: Maske
110: Rechen- und Steuereinheit
150: dielektrischer Spiegel
K1: Kameraeinheit
K2: Kameraeinheit
K3: Kameraeinheit
KA: Kameraeinheit

Claims

Verfahren zur Optimierung einer mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgeführten Laserbearbeitung, wobei im Zuge der Laserbearbeitung von einer Laserstrahlungsquelle (1) Laserstrahlung (10) erzeugt und entlang eines optischen Pfades (2) in Richtung einer Arbeitsebene (3) ausgesendet wird, wobei die Laserstrahlung (10) mittels eines in dem optischen Pfad (2) nachgelagert zur Laserstrahlungsquelle (1) angeordneten Spatial Light Modulators (4) moduliert wird, und wobei die modulierte Laserstrahlung (20) auf die Arbeitsebene (3) fokussiert wird, umfassend die folgenden, in einer closed-loop Regelschleife ausgeführten Schritte: i. Ermitteln von zumindest einem Ist-Merkmal der Laserstrahlung (10) und/oder der modulierten Laserstrahlung (20) unter Einsatz von zumindest einer Kameraeinheit (K1, K2, K3, K_A); ii. Vergleichen des zumindest einen Ist-Merkmals der Laserstrahlung (10) und/oder der modulierten Laserstrahlung (20) mit zumindest einem vorgegebenen Soll-Merkmal und Bestimmen einer jeweiligen Merkmalsabweichung; iii. Bewerten der Merkmalsabweichung und gegebenenfalls Anpassen zumindest eines Stellparameters.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte i. bis iii. in einer closed-loop Regelschleife kontinuierlich oder bis zur Erzielung einer innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs liegenden Merkmalsabweichung ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellparameter im Verfahrensschritt iii. im Falle von zumindest einer über den Toleranzbereich hinausgehenden Merkmalsabweichung angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein programmierbarer Spatial Light Modulator (4) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt i. zumindest ein Ist-Merkmal der Laserstrahlung (10) von einer ersten Kameraeinheit (K1) und zumindest ein Ist-Merkmal der modulierten Laserstrahlung (20) von einer weiteren Kameraeinheit (K2, K3, K_A) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kameraeinheit (K1) zwischen der Laserstrahlungsquelle (1) und dem Spatial Light Modulator (4) angeordnet ist, und dass die weitere Kameraeinheit (K2, K3, K_A) beabstandet zu der ersten Kameraeinheit (K1) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Kameraeinheit (K2, K3, K_A) im optischen Pfad (2) nachgelagert zu dem Spatial Light Modulator (4) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der ersten Kameraeinheit (K1) respektive der weiteren Kameraeinheit (K2, K3, K_A) eine Intensitätsverteilung der Laserstrahlung (10) respektive der modulierten Laserstrahlung (20) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Ist-Merkmal der Laserstrahlung (10) respektive der modulierten Laserstrahlung (20) auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung der Laserstrahlung (10) respektive der modulierten Laserstrahlung (20) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ist-Merkmal die Ist-Lage der Laserstrahlung (10) respektive der modulierten Laserstrahlung (20) in Bezug zu dem Spatial-Light-Modulator (4) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Lage der Laserstrahlung (10) respektive modulierten Laserstrahlung (20) anhand der Lage der erfassten Intensitätsverteilungen oder eines daraus extrahierten Lageparameters, beispielsweise dem Schwerpunkt, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ist-Merkmal eine Ist-Intensitätsverteilung bzw. Intensitätsschwankung bezogen auf eine ringförmige Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung (20) in der Arbeitsebene (3) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll-Merkmal die Soll-Lage der Laserstrahlung (10) bzw. der modulierten Laserstrahlung (20) ist, wobei die Soll-Lage durch einen Lageparameter, beispielsweise eine Soll-Schwerpunktlage, definiert ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll-Merkmal eine Soll-Intensitätsverteilung bzw. Soll-Intensitätsschwankung bezogen auf die ringförmige Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung (20) in der Arbeitsebene (3) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Merkmalsabweichung eine Lageabweichung ist, beispielsweise eine Abweichung zwischen einer Ist-Schwerpunktlage und einer Soll-Schwerpunktlage.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Merkmalsabweichung eine Abweichung der Intensitätsverteilung bzw. Intensitätsschwankung bezogen auf die ringförmige Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene (3) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt iii. eine Mehrzahl von Stellparametern angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Stellparameter die Ausrichtung der Laserstrahlung (10) in Bezug zu dem Spatial-Light-Modulator (4) ist, die unter Verwendung einer Spiegelanordnung (15) zur Kompensation der Lageabweichung angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spiegelanordnung (15) verwendet wird, die sich aus einem oder mehreren motorisierten Spiegel(n) zusammensetzt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelanordnung (15) zwischen der Laserstrahlungsquelle (1) und dem Spatial-Light-Modulator (4) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Stellparameter die Ausrichtung der auf dem Spatial Light Modulator (4) eingestellten Phasenverteilung in Bezug zu der Laserstrahlung (10) ist, die durch Justieren, insbesondere Verschieben, Spiegeln, Rotation, asymmetrisches Skalieren oder Verzerren angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt i. eine auf dem Werkstück erzeugte Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung (20) von der weiteren Kameraeinheit (K2, K3, K_A).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Ist-Merkmal die Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung (20) ist und/oder auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ist-Merkmal eine Ist-Geometrie, eine Ist-Symmetrie, eine Ist-Uniformität, und/oder eine Ist-Homogenität der modulierten Laserstrahlung (20) auf dem Werkstück (24) bzw. in der Arbeitsebene (3) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll-Merkmal eine auf dem Werkstück (24) bzw. in der Arbeitsebene (3) zu erzeugende Ziel-Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung (20) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll-Merkmal eine Ziel-Geometrie, eine Ziel-Symmetrie, eine Ziel-Uniformität und/oder eine Ziel-Homogenität der Ziel-Intensitätsverteilung ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziel-Intensitätsverteilung von einem Nutzer der Laserbearbeitungsvorrichtung vorgegeben wird, oder dass die Ziel-Intensitätsverteilung anhand von seitens des Nutzers vorgegebenen Parametern ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu der Ziel-Intensitätsverteilung korrespondierende Phasenverteilung in dem Spatial-Light Modulator (4) bereitgestellt wird, wobei die Laserstrahlung (10) auf Basis der bereitgestellten Phasenverteilung moduliert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Merkmalsabweichung eine Soll-Ist Abweichung der Intensitätsverteilung, der Geometrie, der Symmetrie, der Uniformität und/oder Homogenität ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellparameter die in dem Spatial-Light Modulator (4) bereitgestellte Phasenverteilung ist, die zur Kompensation der Merkmalsabweichung angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziel-Intensitätsverteilung bei erstmaliger Ausführung des Verfahrens auf Basis theoretischer und/oder idealer Annahmen zur Intensitätsverteilung der Laserstrahlung (10) sowie auf Basis der mit der ersten Kameraeinheit (K1) erfassten Intensitätsverteilung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausführung der Verfahrensschritte i. bis iii. in einer closed-loop Regelschleife, auf Basis der in der Arbeitsebene (3) erfassten Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung (20) eine angepasste Ziel-Intensitätsverteilung festgelegt wird, die die vormalige Ziel-Intensitätsverteilung ersetzt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Phasenverteilung auf einem iterativen Fourier-Transformations Algorithmus (IFTA) basiert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - in dem Verfahrensschritt i. von der weiteren Kameraeinheit (K2, K_A) ein Kamerabild der in der Arbeitsebene (3) oder der an einer anderen dem Spatial Light Modulator (4) nachgeordneten Position erzeugten Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung (20) als Ist-Merkmal erfasst wird und gegebenenfalls von der ersten Kameraeinheit (K1) ein Kamerabild der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung (20) als weiteres Ist-Merkmal erfasst wird, - in dem Verfahrensschritt ii. die erfassten Kamerabilder zunächst einer Aufbereitung unterzogen werden und im Anschluss zumindest ein Ist-Merkmal der dem aufbereiteten Kamerabild der modulierten Laserstrahlung (20) zugehörigen Intensitätsverteilung mit zumindest einem Soll-Merkmal der Ziel-Intensitätsverteilung unter Bestimmung einer Merkmalsabweichung verglichen wird - in dem Verfahrensschritt iii. eine Bewertung der Merkmalsabweichung vorgenommen wird, wobei im Falle einer über ein vorgegebenes Maß hinausgehenden Merkmalsabweichung a. das aufbereitete Kamerabild der Intensitätsverteilung der modulierten Laserstrahlung (20) und gegebenenfalls das aufbereitete Kamerabild der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung (10) als Input-Parameter zur algorithmischen Bestimmung der in dem Spatial Light Modulator (4) bereitgestellten Phasenverteilung verwendet werden und eine angepasste Ziel-Intensitätsverteilung festgelegt wird, b. unter Berücksichtigung der Input-Parameter und der angepassten Ziel-Intensitätsverteilung eine angepasste Phasenverteilung als Stellparameter berechnet wird, und c. der Laserstrahl (10) basierend auf der angepassten Phasenverteilung moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte i. bis iii. iterativ bis zur Erfüllung eines Konvergenzkriteriums ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Konvergenzkriterium eine gewünschte Ziel-Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene ist.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Konvergenzkriterium erfüllt ist, sofern die in der Arbeitsebene (3) vorliegende Ist-Intensitätsverteilung der Laserstrahlung (20) der Ziel-Intensitätsverteilung entspricht oder innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung eine Drehung, Spiegelung, Skalierung, Ausrichtung, Filterung, Skalierung oder Normierung von Graustufenwerten, Differenzbildung mit Zielverteilungen und/oder eine Integration des erfassten Kamerabildes unter Berechnung eines aufbereiteten Kamerabildes umfasst.
Laserbearbeitungsvorrichtung zur Ausführung einer Laserbearbeitung eines Werkstücks (24), umfassend eine Laserstrahlungsquelle (1), einen Spatial Light Modulator (4), eine Fokussiereinheit, eine Rechen- und Steuereinheit (110), sowie zumindest eine Kameraeinheit (K1, K2, K3, K_A), wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 38 auszuführen.