DE102019133009B4 - Device for illuminating a workpiece, method for its modification and method for measuring its surface - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Beleuchten eines Werkstücks mit einem Interferenzmuster, umfassend ein zwei senkrecht zu seiner optischen Achse ausgerichtete und beabstandet voneinander angeordnete Beugungsgitter (11, 12), nämlich ein eingangsseitiges (11) und ein ausgangsseitiges Beugungsgitter (12), aufweisendes Zwei-Gitter-Interferometer (10) zum Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden, einander in einer Interferenzmusterebene (40) interferierend überlagernden Beugungsstrahlen (21, 22) durch Beugen eines Eingangsstrahls (21) am eingangsseitigen (11) und erneutes Beugen resultierender Beugungsstrahlen (21, 22) am ausgangsseitigen Beugungsgitter (12),wobei an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen (21, 22) gleichartige, um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen synchronisiert spiegelsymmetrisch verkippbare Strahlmodifikationselemente angeordnet sind,dadurch gekennzeichnet,dass die Strahlmodifikationselemente als in ihrer Grundstellung senkrecht zum jeweiligen Strahlengang ausgerichtete planparallele Platten (31, 32) ausgebildet sind, die bei einer Verkippung aus dieser Grundstellung heraus einen Parallelversatz des jeweiligen Strahls verursachen.Device for illuminating a workpiece with an interference pattern, comprising a two-grating interferometer (11, 12) which is aligned perpendicular to its optical axis and arranged at a distance from one another, namely an input-side (11) and an output-side diffraction grating (12). 10) for generating diffraction beams (21, 22) which run along different beam paths in a common diffraction plane and interfere with one another in an interference pattern plane (40) by bending an input beam (21) at the input side (11) and refracting the resulting diffraction beams (21, 22) ) on the diffraction grating (12) on the output side, with mirror-symmetrically tiltable, mirror-symmetrically tiltable, synchronized, mirror-symmetrically tiltable beam modification elements being arranged at mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams (21, 22), characterized in that the beam modes fication elements are designed as plane-parallel plates (31, 32) which are aligned perpendicular to the respective beam path in their basic position and which cause a parallel offset of the respective beam when tilted from this basic position.
Description
Gebiet der ErfindungField of invention
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Beleuchten eines Werkstücks mit einem Interferenzmuster, umfassend ein zwei senkrecht zu seiner optischen Achse ausgerichtete und beabstandet voneinander angeordnete Beugungsgitter, nämlich ein eingangsseitiges und ein ausgangsseitiges Beugungsgitter, aufweisendes Zwei-Gitter-Interferometer zum Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden, einander in einer Interferenzmusterebene interferierend überlagernden Beugungsstrahlen durch Beugen eines Eingangsstrahls in am eingangsseitigen Beugungsgitter und erneutes Beugen resultierender Beugungsstrahlen am ausgangsseitigen Beugungsgitter,
wobei an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen gleichartige, um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen synchronisiert spiegelsymmetrisch verkippbare Strahlmodifikationselemente angeordnet sind.The invention relates to a device for illuminating a workpiece with an interference pattern, comprising a two-grating interferometer, which has two diffraction grids aligned perpendicular to its optical axis and spaced apart from one another, namely an input-side and an output-side diffraction grating, for generating along different beam paths Diffraction beams that run in a common diffraction plane and overlap in an interference pattern plane in an interfering manner by diffraction of an input beam in diffraction beams resulting from the diffraction grating on the input side and renewed diffraction of diffraction beams on the diffraction grating on the output side,
at mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams, beam modification elements of the same type, which are synchronized and mirror-symmetrically tiltable about tilting axes aligned perpendicular to the diffraction plane, are arranged.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks mittels eines Zwei-Gitter-Interferometers mit einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Beugungsgitter, umfassend die Schritte:
- - Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden Beugungsstrahlen durch Beugen eines gepulsten Eingangsstrahls am eingangsseitigen Beugungsgitter und
- - Erzeugen eines Interferenzmusters in einer Bearbeitungsebene des Werkstücks durch Überlagern der Beugungsstrahlen mittels ihres erneuten Beugens am ausgangsseitigen Beugungsgitter,
und wobei an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen gleichartige Strahlmodifikationselemente um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen in mit den Eingangsstrahl-Pulsen synchronisierter Weise spiegelsymmetrisch verkippt werden.The invention further relates to a method for modifying a workpiece by means of a two-grating interferometer with an input-side and an output-side diffraction grating, comprising the steps:
- - Generation of diffraction beams running along different beam paths in a common diffraction plane by diffraction of a pulsed input beam at the diffraction grating on the input side and
- - Generating an interference pattern in a processing plane of the workpiece by superimposing the diffraction beams by means of their renewed diffraction at the diffraction grating on the output side,
and wherein at mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams, beam modification elements of the same type are tilted mirror-symmetrically about tilt axes aligned perpendicular to the diffraction plane in a manner synchronized with the input beam pulses.
Die Erfindung bezieht sich schließlich auf ein Verfahren zum Vermessen einer Werkstückoberfläche mittels eines Zwei-Gitter-Interferometers mit einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Beugungsgitter, umfassend die Schritte:
- - Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden, zunächst auseinander und sodann wieder auf einen gemeinsamen geometrischen Schnittpunkt zulaufenden Beugungsstrahlen durch Beugen eines Eingangsstrahls am eingangsseitigen Beugungsgitter und erneutes Beugen resultierender Beugungsstrahlen am ausgangsseitigen Beugungsgitter,
- - Ermitteln des senkrechten Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen, wobei das Ermitteln besagten senkrechten Abstandes ein Variieren desselben umfasst,
- - Berechnen eines lokalen Oberflächenhöhenwertes aus dem ermittelten senkrechten Abstand,
- - Generation of diffraction beams running along different beam paths in a common diffraction plane, initially diverging and then again converging towards a common geometric intersection point by bending an input beam at the entrance-side diffraction grating and renewed diffraction of the resulting diffraction rays at the exit-side diffraction grating,
- - Determining the perpendicular distance between the workpiece surface and the geometric intersection of the diffraction rays, wherein the determination of said perpendicular distance comprises varying the same,
- - Calculation of a local surface height value from the determined vertical distance,
Stand der TechnikState of the art
Eine gattungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung sowie ein gattungsgemäßes Werkstückmodifikationsverfahren sind bekannt aus der
Aus der
Ein solcher Fall ist in der eingangs erwähnten, gattungsbildenden Druckschrift beschrieben. Hier handelt es sich bei dem zu modifizierenden Werkstück um einen Lichtleiter, in dessen Kernbereich ein sogenanntes Bragg-Gitter eingeschrieben werden soll. Um ohne Wechsel der Beugungsgitter Bragg-Gitter unterschiedlicher Periodizität oder ein Bragg-Gitter mit variierender Periodizität einschreiben zu können, schlägt die genannte Druckschrift vor, hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter ein spiegelsymmetrisches Paar von transparenten Prismen einzusetzen, die jeweils um eine Kippachse, die senkrecht zur Beugungsebene steht, kippbar sind. Durch den Einfluss dieser Prismen verändert sich die Periodizität des in der Interferenzmusterebene erzeugten Interferenzmusters in Abhängigkeit vom konkret gewählten Kippwinkel der Prismen. Um einen längeren Faserabschnitt mit einem Bragg-Gitter zu versehen, kann der Eingangsstrahl entsprechend der Faserausrichtung verschwenkt werden. Eine Besonderheit des Zwei-Gitter-Interferometers ist es nämlich, dass die Musterausbildung und die Lage der Interferenzmusterebene unabhängig vom Einfallswinkel des Eingangsstrahls sind. Mittels einer mit der Verschwenkung des Eingangsstrahls und seinem Pulstakt synchronisierten Verkippung der Prismen lässt sich also ein längerer Faserabschnitt mit einem Bragg-Gitter mit über seine Länge variierender Periodizität versehen.Such a case is described in the generic document mentioned at the beginning. Here, the workpiece to be modified is a light guide, in the core area of which a so-called Bragg grating is to be inscribed. In order to be able to inscribe Bragg gratings of different periodicity or a Bragg grating with varying periodicity without changing the diffraction grating, the cited publication suggests using a mirror-symmetrical pair of transparent prisms behind the diffraction grating on the output side, each around a tilt axis that is perpendicular to the diffraction plane stands, are tiltable. Due to the influence of these prisms, the periodicity of the interference pattern generated in the interference pattern plane changes as a function of the specifically selected tilt angle of the prisms. In order to provide a longer fiber section with a Bragg grating, the input beam can be swiveled according to the fiber orientation. A special feature of the two-grating interferometer is that the pattern formation and the position of the interference pattern plane are independent of the angle of incidence of the input beam. By means of a tilting of the prisms that is synchronized with the swiveling of the input beam and its pulse rate, a longer fiber section can be provided with a Bragg grating with a periodicity that varies over its length.
Eine mit der gattungsgemäßen Vorrichtung nicht lösbare Schwierigkeit besteht dann, wenn - unabhängig von der Frage einer variierenden Periodizität des Interferenzmusters - kein im Wesentlichen eindimensionales Werkstück, wie besagter Lichtleiter, sondern eine ausgedehnte Werkstückoberfläche mit dem Interferenzmuster versehen werden soll. Bei einer perfekt ebenen Gestaltung der Werkstückoberfläche und ihrer Ausrichtung exakt senkrecht zur optischen Achse des Zwei-Gitter-Interferometers kann die Musterung des großen Flächenbereiches durch entsprechende, zweidimensionale Verschwenkung des Eingangsstrahls erzielt werden. Ist jedoch die Oberfläche gekrümmt und/oder die Einspannung nicht perfekt senkrecht zur optischen Achse, wird das Interferenzmuster in unterschiedlichen Flächenbereichen oberhalb, unterhalb oder (wie optimaler Weise vorgesehen) exakt auf der Werkstückoberfläche abgebildet. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Schärfe des in die Werkstückoberfläche eingeschriebenen Musters. Bei bekannter Oberflächenform und/oder bekannter Fehljustage lässt sich das Problem theoretisch durch entsprechende Nachführung des Werkstücks parallel zur optischen Achse lösen. Die Genauigkeit dieser Nachführung müsste jedoch typischerweise im Bereich von 10 - 20 µm liegen, was insbesondere im Hinblick auf die erforderlichen Geschwindigkeiten und zu bewegenden Gewichte in der Praxis kaum realisierbar ist.A problem that cannot be solved with the generic device arises when - regardless of the question of a varying periodicity of the interference pattern - no essentially one-dimensional workpiece, such as said light guide, but an extended workpiece surface is to be provided with the interference pattern. With a perfectly flat design of the workpiece surface and its alignment exactly perpendicular to the optical axis of the two-grating interferometer, the patterning of the large surface area can be achieved by corresponding two-dimensional pivoting of the input beam. However, if the surface is curved and / or the clamping is not perfectly perpendicular to the optical axis, the interference pattern is mapped in different surface areas above, below or (as optimally provided) exactly on the workpiece surface. This has a significant impact on the sharpness of the pattern written on the workpiece surface. With a known surface shape and / or known misalignment, the problem can theoretically be solved by corresponding tracking of the workpiece parallel to the optical axis. However, the accuracy of this tracking would typically have to be in the range of 10-20 µm, which is hardly possible in practice, especially with regard to the required speeds and weights to be moved.
Eine vergleichbare Problematik stellt sich auch bei der dem Fachmann grundsätzlich bekannten Nutzung des Zwei-Gitter-Interferometers zum Vermessen einer gekrümmten oder nicht ideal eben eingespannten Werkstückoberfläche. Es ist bekannt, hierzu die Werkstückoberfläche wie oben beschrieben zu beleuchten, wobei jedoch die Lage der Interferenzmusterebene, d.h. derjenigen Ebene, in der sich der geometrische Schnittpunkt der sich überlagernden Beugungsstrahlen liegt, relativ zur Werkstückoberfläche zunächst unbekannt ist. Mit einem Bilddetektor werden sodann die von der Werkstückoberfläche entlang vertauschter Strahlengänge durch das zweite und das erste Beugungsgitter hindurch rückreflektierten Beugungsstrahlen abgebildet, wobei die Optik des Bilddetektors so eingestellt ist, dass die Werkstückoberfläche in ihrem Tiefenschärfenbereich liegt. Das aufgenommene Bild zeigt dann zwei scharf abgebildete Punkte, nämlich die beiden Auftreffpunkte der Beugungsstrahlen auf der Werkstückoberfläche, deren lateraler Abstand direkt abhängig ist vom Absolutwert des Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen. Letzterer kann oberhalb oder unterhalb der Werkstückoberfläche liegen (wobei es insbesondere im zweiten Fall und bei intransparentem Werkstückmaterial möglich ist, dass er gar nicht als realer Strahlenschnittpunkt realisiert ist). Variation des senkrechten Abstandes durch mechanisches Anheben bzw. Absenken des Werkstücks führt zu einer Variation des lateralen Abstandes der abgebildeten Punkte. Bei geringem senkrechten Abstand verschmelzen die abgebildeten Punkte zu einem einzigen. Es ist allerdings sehr schwer, die Form dieses einzigen abgebildeten Punktes so exakt zu bestimmen, dass sich daraus die exakte Überlagerung der Auftreffpunkte - entsprechend dem Zusammenfallen von geometrischem Schnittpunkt und Werkstückoberfläche - hinreichend genau bestimmen ließe. Man nimmt daher üblicherweise eine Einstellung des senkrechten Abstandes vor, bei der sich zwei separat abgebildete Punkte ergeben, deren Mitten präzise durch Intensitätsmessungen bestimmt werden können. Sodann wird der senkrechte Abstand durch bekannte, senkrechte, mechanische Verschiebung des Werkstücks variiert. Aus der resultierenden Lateralbewegung der abgebildeten Punkte werden in Kenntnis der Geometrie der Apparatur der Absolutwert (insbesondere aus dem lateralen Punktabstand) und das Vorzeichen (insbesondere aus der Bewegungsrichtung) des senkrechten Abstandes zwischen dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen und der Werkstückoberfläche berechnet. Ein wesentlicher Schwachpunkt dieses Ansatzes ist jedoch die mangelhafte Schnelligkeit der mechanischen Werkstückverstellung.A comparable problem also arises with the use of the two-grating interferometer, which is known in principle to the person skilled in the art, for measuring a curved or not ideally evenly clamped workpiece surface. It is known to illuminate the workpiece surface as described above, but the position of the interference pattern plane, ie that plane in which the geometric intersection of the overlapping diffraction rays lies, relative to the workpiece surface is initially unknown. The diffraction rays reflected back through the second and first diffraction grating along the reversed beam paths from the workpiece surface are then imaged with an image detector, the optics of the image detector being set so that the workpiece surface lies in its depth of field. The recorded image then shows two sharply mapped points, namely the two points of impact of the diffraction rays on the workpiece surface, the lateral distance between which is directly dependent on the absolute value of the distance between the workpiece surface and the geometric intersection of the diffraction rays. The latter can lie above or below the workpiece surface (in particular in the second case and with non-transparent workpiece material it is possible that it is not implemented as a real ray intersection). Variation of the vertical distance by mechanical lifting or lowering of the workpiece leads to a variation of the lateral distance between the mapped points. If the vertical distance is small, the depicted points merge into a single one. However, it is very difficult to determine the shape of this single depicted point so precisely that the exact superposition of the points of impact - corresponding to the coincidence of the geometric intersection point and workpiece surface - can be determined with sufficient accuracy. It is therefore customary to adjust the vertical distance, which results in two separately mapped points, the centers of which can be precisely determined by intensity measurements. The vertical distance is then varied by known, vertical, mechanical displacement of the workpiece. From the resulting lateral movement of the imaged points, knowing the geometry of the apparatus, the absolute value (in particular from the lateral point spacing) and the sign (in particular from the direction of movement) of the perpendicular distance between the geometric intersection of the diffraction rays and the workpiece surface are calculated. A major weak point of this approach, however, is the inadequate speed of the mechanical workpiece adjustment.
Aus der
Bei dem Oberflächenbeleuchtungssystem der
Die
Die
AufgabenstellungTask
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzubilden, dass auch gekrümmte und/oder schräg zur optischen Achse eingespannte Werkstücke präzise mit einem kontinuierlichen Interferenzmuster beschriftbar werden, bzw. ein entsprechendes Werkstück-Modifikationsverfahren sowie ein entsprechendes Werkstück-Vermessungsverfahren anzubieten.It is the object of the present invention to develop a generic device in such a way that workpieces that are curved and / or clamped at an angle to the optical axis can also be precisely labeled with a continuous interference pattern, or to offer a corresponding workpiece modification method and a corresponding workpiece measurement method.
Darlegung der ErfindungStatement of the invention
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Strahlmodifikationselemente als in ihrer Grundstellung senkrecht zum jeweiligen Strahlengang ausgerichtete planparallele Platten ausgebildet sind, die bei einer Verkippung aus dieser Grundstellung heraus einen Parallelversatz des jeweiligen Strahls verursachen.This object is achieved in connection with the features of the preamble of claim 1 in that the beam modification elements are designed as plane-parallel plates aligned perpendicular to the respective beam path in their basic position, which cause a parallel offset of the respective beam when tilted from this basic position.
Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 5 dadurch gelöst, dass die Strahlmodifikationselemente als planparallele Platten ausgebildet sind, durch deren Verkippen ein vorgegebener Abstand zwischen dem jeweils beleuchteten Bereich der Bearbeitungsebene einerseits und der Werkstückoberfläche andererseits eingestellt wird. Insbesondere kann dieser Abstand „Null“ betragen. D. h. Bearbeitungsebene und Werkstückoberfläche fallen im beleuchteten Bereich zusammen.The object is also achieved in connection with the features of the preamble of claim 5 in that the beam modification elements are designed as plane-parallel plates, the tilting of which sets a predetermined distance between the respectively illuminated area of the processing plane on the one hand and the workpiece surface on the other. In particular, this distance can be “zero”. I. E. The working plane and the workpiece surface coincide in the illuminated area.
Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 11 dadurch gelöst, dass besagtes Variieren des senkrechten Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen erfolgt, indem an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen angeordnete, planparallele Platten spiegelsymmetrisch und synchronisiert um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen verkippt werden.The object is further achieved in connection with the features of the preamble of
Die planparallelen Platten, die in ihrer Grundstellung senkrecht zum jeweiligen Strahlengang, in den sie eingebracht sind, stehen, verursachen bei einer Verkippung aus dieser Grundstellung heraus einen Parallelversatz des jeweiligen Strahls. In der Beugungsebene verlaufen die Beugungsstrahlen rautenbartig, d. h. zwischen dem eingangsseitigen und dem ausgangsseitigen Beugungsgitter laufen sie auseinander und zwischen dem ausgangsseitigen Beugungsgitter und der Interferenzmusterebene wieder aufeinander zu. Die jeweiligen Beugungswinkel sind dabei durch die Eigenschaften des jeweiligen Beugungsgitters vorgegeben. Diese Winkel bleiben daher unabhängig von der Kippstellung der planparallelen Platten unverändert erhalten. Der durch die Verkippung erzeugte Parallelversatz der Strahlen im Bereich zwischen den Beugungsgittern und/oder hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter führt allerdings zu einem Wandern des Schnittpunktes der Beugungsstrahlen in Z-Richtung, d. h. in Richtung der optischen Achse des Zwei-Gitter-Interferometers. Der Schnittpunkt der Strahlen definiert jedoch die Interferenzmusterebene, in der besagter Strahlen-Schnittpunkt liegt und die ihrerseits senkrecht zur optischen Achse des Interferometers steht. Im beleuchteten Bereich dieser Ebene bildet sich das Interferenzmuster aus.The plane-parallel plates, which in their basic position are perpendicular to the respective beam path in which they are introduced, cause tilting from this basic position out a parallel offset of the respective beam. In the diffraction plane, the diffraction rays run diamond-shaped, ie they diverge between the input-side and the output-side diffraction grating and again converge between the output-side diffraction grating and the interference pattern plane. The respective diffraction angles are predetermined by the properties of the respective diffraction grating. These angles therefore remain unchanged regardless of the tilted position of the plane-parallel plates. The parallel offset of the beams in the area between the diffraction gratings and / or behind the diffraction grating on the output side, however, leads to a migration of the intersection of the diffraction beams in the Z direction, ie in the direction of the optical axis of the two-grating interferometer. The intersection of the rays, however, defines the interference pattern plane in which said ray intersection lies and which in turn is perpendicular to the optical axis of the interferometer. The interference pattern forms in the illuminated area of this plane.
Im Rahmen eines Bearbeitungsverfahrens entspricht, wie oben bereits erläutert, die Interferenzmusterebene der Bearbeitungsebene des Werkstücks. Soll eine gekrümmte Fläche, z.B. die gekrümmte Werkstückoberfläche, großflächig bearbeitet werden, kann das beim Abrastern des Werkstücks auftretende „Auswandern“ der gewünschten Bearbeitungsebene aus der vom Interferometer vorgegebenen Interferenzmusterebene dadurch kompensiert werden, dass diese Interferenzmusterebene durch entsprechende Verkippung der planparallelen Platten und damit durch Änderung des Parallelversatzes der Beugungsstrahlen nachgeführt wird, sodass sie sich zumindest im jeweils beleuchteten Bereich exakt mit der gewünschten Bearbeitungsebene deckt. Da, wie oben erläutert, mit der Verkippung der planparallelen Platten lediglich ein Parallelversatz der Beugungsstrahlen und nicht etwa eine Änderung der Winkel im Strahlengang verbunden ist, führt eine solche Nachführung nicht zu einer Periodenänderung des Interferenzmusters. Vielmehr kann ein Werkstück entlang einer gekrümmten Bearbeitungsfläche, insbesondere entlang einer gekrümmten Oberfläche, mit einer kontinuierlichen Musterprojektion einheitlicher Periodizität belegt werden, wie dies nach dem Stand der Technik bislang lediglich bei exakt ebenen und exakt senkrecht zur optischen Achse ausgerichteten Werkstückoberflächen möglich war.In the context of a machining process, as already explained above, the interference pattern plane corresponds to the machining plane of the workpiece. If a curved surface, e.g. the curved workpiece surface, is to be processed over a large area, the "drifting" of the desired processing plane that occurs when the workpiece is scanned from the interference pattern plane specified by the interferometer can be compensated for by tilting the plane-parallel plates accordingly and thus making changes the parallel offset of the diffraction beams is tracked so that it coincides exactly with the desired processing plane at least in the respectively illuminated area. Since, as explained above, the tilting of the plane-parallel plates is only associated with a parallel offset of the diffraction beams and not a change in the angle in the beam path, such tracking does not lead to a change in the period of the interference pattern. Rather, a workpiece can be covered with a continuous pattern projection of uniform periodicity along a curved machining surface, in particular along a curved surface, as was previously only possible in the prior art with exactly flat workpiece surfaces aligned exactly perpendicular to the optical axis.
Bevorzugt sind zwei erste der planparallelen Platten im Bereich zwischen den Beugungsgittern angeordnet. Diese Position ist besonders vorteilhaft, da so der Bereich hinter dem ausgangsseitigem Beugungsgitter, in dem das Werkstück angeordnet ist, frei von zusätzlichen Elementen bleibt, was allgemein die Handhabung der Vorrichtung erleichtert. Erzielbar ist der erfindungsgemäße Effekt jedoch auch mit hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter angeordneten ersten planparallelen Platten.Two first of the plane-parallel plates are preferably arranged in the area between the diffraction gratings. This position is particularly advantageous because the area behind the diffraction grating on the output side, in which the workpiece is arranged, remains free of additional elements, which generally facilitates the handling of the device. However, the effect according to the invention can also be achieved with first plane-parallel plates arranged behind the diffraction grating on the output side.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung, die insbesondere bei besonders kurz gepulsten Eingangsstrahlen vorteilhaft ist, ist vorgesehen, dass zwei zweite planparallele Platten zusätzlich im Bereich zwischen dem ausgangsseitigen Beugungsgitter und der Interferenzmusterebene bzw. der Bearbeitungsebene angeordnet sind. Bekanntermaßen sind ultrakurze Pulse durch ein breites Wellenlängenspektrum gekennzeichnet. Unterschiedliche Wellenlängen werden jedoch an den Beugungsgittern unterschiedlich stark gebeugt, treffen also unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die planparallelen Platten auf, was dort zu wellenlängenabhängigen Parallelversätzen führt. Da die erfindungsgemäße Z-Verschiebung der Interferenzmusterebe aber eine unmittelbare Folge dieses Parallelversatzes ist, führt diese Winkeldispersion zu einer unerwünschten Wellenlängenabhängigkeit der Lage der Interferenzmusterebene bzw. bei breitbandigem Licht zur Ausbildung eines nach Wellenlängen geordneten „Stapels“ von Interferenzmusterebenen. Dies kann jedoch durch die genannte Anordnung erster planparalleler Platten zwischen den Beugungsgittern und zweiter planparalleler Platten hinter dem ausgangsseitigem Beugungsgitter kompensiert werden. Die ersten und zweiten planparallelen Platten werden dabei vorzugsweise um denselben Winkel aus ihrer jeweiligen Grundstellung verkippt. Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung der ersten und zweiten planparallelen Platten zum jeweils vorgeschalteten Beugungsgitter erfahren diejenigen Strahlanteile, die an den ersten planparallelen Platten einen größeren Parallelversatz erfahren haben, an den zweiten planparallelen Platten einen kleineren Parallelversatz und umgekehrt. Die Parallelversatz-Dispersion wird somit kompensiert. Andererseits wird der erfindungsgemäße Effekt der Interferenzmusterebenen-Verschiebung durch die doppelte Anwendung des Parallelversatzes (nämlich sowohl an den ersten als auch an den zweiten planparallelen Platten) verstärkt.In a further development of the invention, which is particularly advantageous in the case of particularly short pulsed input beams, it is provided that two second plane-parallel plates are additionally arranged in the area between the diffraction grating on the output side and the interference pattern plane or the processing plane. It is known that ultrashort pulses are characterized by a broad spectrum of wavelengths. However, different wavelengths are diffracted to different degrees at the diffraction gratings, i.e. they strike the plane-parallel plates at different angles of incidence, which leads to wavelength-dependent parallel offsets there. Since the Z-shift of the interference pattern plane according to the invention is a direct consequence of this parallel offset, this angular dispersion leads to an undesirable wavelength dependence of the position of the interference pattern plane or, in the case of broadband light, to the formation of a "stack" of interference pattern planes according to wavelengths. However, this can be compensated for by the aforementioned arrangement of first plane-parallel plates between the diffraction gratings and second plane-parallel plates behind the diffraction grating on the output side. The first and second plane-parallel plates are preferably tilted by the same angle from their respective basic position. Due to the different alignment of the first and second plane-parallel plates to the respective upstream diffraction grating, those beam components which have experienced a larger parallel offset on the first plane-parallel plates, a smaller parallel offset on the second plane-parallel plates and vice versa. The parallel offset dispersion is thus compensated. On the other hand, the inventive effect of the interference pattern plane shift is increased by the double application of the parallel offset (namely both on the first and on the second plane-parallel plates).
Unabhängig von dem erläuterten Dispersions-Vorteil hat diese Ausgestaltung der Erfindung auch den Vorteil, einen gewünschten Gesamt-Parallelversatz bzw. eine gewünschte Gesamtverschiebung der Interferenzmusterebene mit dünneren planparallelen Platten bzw. mit planparallelen Platten eines schwächer brechenden Materials zu erzeugen, was bei spezieller Wahl der verwendeten Strahlenquelle hilfreich sein kann.Regardless of the explained dispersion advantage, this embodiment of the invention also has the advantage of producing a desired total parallel offset or a desired total displacement of the interference pattern plane with thinner plane-parallel plates or with plane-parallel plates of a less refractive material, which is the case with a special choice of the used Radiation source can be helpful.
In besonderen Fällen, in denen nicht die Erzeugung eines Musters mit einheitlicher Periodizität gewünscht ist, sondern ausdrücklich eine Veränderung der Periodizität über den aus vielen einzelnen Beleuchtungsbereichen zusammengesetzten Bearbeitungsbereich, kann bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen gleichartige, um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen synchronisiert spiegelsymmetrisch verkippbare und als Prismen ausgebildete, zusätzliche Strahlmodifikationselemente angeordnet sind. Diese Art der gezielten Periodenanpassung ist, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert, aus der
Um bei der Bearbeitung eines Werkstücks eine präzise Z-Nachführung der Interferenzmuster- bzw. Bearbeitungsebene durchzuführen, bedarf es einer präzisen Kenntnis der Oberflächenform und -lage des Werkstücks, um auf dieser Basis die Verkippung der planparallelen Platten ansteuern zu können. Grundsätzlich kommt es auf die konkrete Quelle dieser Oberflächendaten nicht an. Allerdings lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung selbst zur Erfassung solcher Oberflächendaten nutzen.In order to carry out precise Z tracking of the interference pattern or machining plane when machining a workpiece, precise knowledge of the surface shape and position of the workpiece is required in order to be able to control the tilting of the plane-parallel plates on this basis. Basically, the specific source of this surface data is irrelevant. However, the device according to the invention can itself be used to acquire such surface data.
Das eingangs erläuterte Messverfahren wird erfindungsgemäß so abgewandelt, dass die Variation des senkrechten Abstandes zwischen dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen und der Werkstückoberfläche nicht länger durch eine langsame Vertikalverschiebung des Werkstücks erfolgt, sondern durch die Vertikalverschiebung besagten Schnittpunktes mittels des zuvor ausführlich erläuterten Verkippens der planparallelen Platten. Die Vermessung der Werkstückoberfläche kann auf diese Weise sehr viel schneller erfolgen als bisher. Insbesondere wird es dadurch in wirtschaftlich effizienter Weise möglich, eine solche Vermessung zeitlich verschachtelt mit der Werkstückbearbeitung erfolgen zu lassen: Für jedes lokale Bearbeitungsgebiet, welches durch Verschwenken des Eingangsstrahls angesteuert wird, wird zunächst ein Vermessungsschritt mit einer Beleuchtungsfluenz unterhalb der Modifikationsschwelle des Werkstückmaterials und sodann der eigentliche Bearbeitungsschritt mit einer die Modifikationsschwelle des Werkstückmaterials wenigstens bereichsweise übersteigender Fluenz durchgeführt. Zwischen diesen beiden Schritten wird die Bearbeitungsebene in den vorgesehenen Abstand zur Werkstückoberfläche, insbesondere auf die Werkstückoberfläche, gefahren. Dies erfolgt ebenfalls mittels präziser Verkippung der planparallelen Platten.The measuring method explained at the beginning is modified according to the invention in such a way that the variation of the vertical distance between the geometric intersection of the diffraction rays and the workpiece surface no longer takes place through a slow vertical displacement of the workpiece, but rather through the vertical displacement of said intersection by means of the tilting of the plane-parallel plates explained in detail above. In this way, the workpiece surface can be measured much faster than before. In particular, this makes it possible in an economically efficient way to have such a measurement interleaved in time with the workpiece processing: For each local processing area that is controlled by pivoting the input beam, a measurement step with an illumination fluence below the modification threshold of the workpiece material and then the the actual machining step is carried out with a fluence which at least partially exceeds the modification threshold of the workpiece material. Between these two steps, the processing plane is moved to the intended distance from the workpiece surface, in particular onto the workpiece surface. This is also done by precisely tilting the plane-parallel plates.
Denkbar ist es auch, dass für die Vermessung einerseits und die Bearbeitung andererseits Eingangsstrahlen aus unterschiedlichen Strahlquellen verwendet werden. Sie müssten lediglich durch geeignete Strahlleitmittel auf denselben Eingangs-Strahlengang geführt werden, was bspw. mittels halbdurchlässiger Spiegel oder anderer dem Fachmann bekannten optischer Elemente möglich ist. Diese Variante bietet sich insbesondere dann an, wenn die für die Materialbearbeitung verwendete Laser-Wellenlänge nicht mittels des gewählten Bilddetektors detektierbar ist.It is also conceivable that input beams from different beam sources are used for the measurement on the one hand and the processing on the other. They would only have to be guided to the same input beam path by suitable beam guiding means, which is possible, for example, by means of semitransparent mirrors or other optical elements known to the person skilled in the art. This variant is particularly useful when the laser wavelength used for material processing cannot be detected by means of the selected image detector.
FigurenlisteFigure list
Es zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, -
2 : eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung und -
3 : eine schematische Darstellung des Schnittbereichs der Beugungsstrahlen zur Illustration des erfindungsgemäßen Vermessungsverfahrens.
-
1 : a schematic representation of a first embodiment of a lighting device according to the invention, -
2 : a schematic representation of a second embodiment of a lighting device according to the invention and -
3 : a schematic representation of the intersection area of the diffraction rays to illustrate the measuring method according to the invention.
Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDescription of preferred embodiments
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.Identical reference symbols in the figures indicate identical or analogous elements.
Am eingangsseitigen Beugungsgitter
Die Beugungsstrahlen
Die Beugungsstrahlen
Interferenzmusterebene
Zur Verschiebung der Interferenzmusterebene können die ersten planparallelen Platten
Hieraus resultiert ein schräger Einfall der Beugungsstrahlen
Der Parallelversatz der Beugungsstrahlen
Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die notwendige spektrale Bandbreite innerhalb eines Laserpulses umso größer, je kürzer seine Pulsdauer ist. Bei ultrakurzen Pulsen ist also das Wellenlängenspektrum innerhalb des Pulses sehr breit. Dies kann im Kontext der vorliegenden Erfindung insofern problematisch sein, als die Beugungsgitter
Auf die Grundfunktion eines Zwei-Gitter-Interferometers hat diese Dispersionsproblematik keinen Einfluss, da sich bei Abwesenheit jeglicher planparalleler Platten
Werden jedoch, wie in
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures are only illustrative embodiments of the present invention. In the light of the disclosure here, a person skilled in the art is provided with a broad spectrum of possible variations.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- Zwei-Gitter-InterferometerTwo-grating interferometer
- 1111
- eingangsseitiges Beugungsgitter von 10diffraction grating on the input side of 10
- 1212th
- ausgangsseitiges Beugungsgitter von 10diffraction grating on the output side of 10
- 2020th
- EingangsstrahlInput beam
- 2121
- BeugungsstrahlenDiffraction rays
- 2222nd
- BeugungsstrahlenDiffraction rays
- 2323
- geometrischer Schnittpunktgeometric intersection
- 2424
- AuftreffpunktPoint of impact
- 3131
- erste planparallele Plattenfirst plane-parallel plates
- 3232
- zweite planparallele Plattensecond plane-parallel plates
- 4040
- InterferenzmusterebeneInterference pattern plane
- 5050
- WerkstückoberflächeWorkpiece surface
- 6161
- senkrechter Abstandvertical distance
- 6262
- lateraler Abstandlateral distance
Claims (12)
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- 2019-12-04 DE DE102019133009.2A patent/DE102019133009B4/en active Active
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