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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur optischen Messung eines Abstands oder einer Abstandsänderung einer Objektoberfläche von einer Bezugsposition, insbesondere während einer Bearbeitung der Objektoberfläche mit einem energetischen Strahl, bei denen ein optischer Messstrahl auf die Objektoberfläche gerichtet, aus einem von der Objektoberfläche reflektierten Strahlanteil des Messstrahls mittels konoskopischer Holographie ein Interferenzmuster erzeugt und das Interferenzmuster zur Bestimmung des Abstands oder der Abstandsänderung ausgewertet wird.
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Die Technik der konoskopischen Holographie wird in zahlreichen technischen Bereichen zur Abstandsmessung eingesetzt und bietet Vorteile gegenüber der Triangulation. Bei der konoskopischen Holographie wird ein kollimierter oder fokussierter optischer Messstrahl auf die Objektoberfläche gerichtet, deren Abstand von einer Bezugsposition gemessen werden soll, und ein von der Objektoberfläche rückreflektierter Strahlanteil in ein konoskopisches Modul geleitet. Beim Durchgang durch dieses Modul entsteht ein Interferenzmuster, das mit Hilfe eines ortsauflösenden Detektors erfasst und anschließend analysiert wird. Anhand des Abstandes der in dem Interferenzmuster vorhandenen Interferenzstreifen kann dann der Abstand zur Objektoberfläche bestimmt werden. Durch eine derartige Messung kann bspw. die Fokusposition eines Bearbeitungslaserstrahls während der Lasermaterialbearbeitung überwacht und ggf. nachgeregelt werden.
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Eine Integration einer Abstandsmessung in koaxiale Bearbeitungsköpfe der Lasermaterialbearbeitung ist jedoch insbesondere dann problematisch, wenn bei der Bearbeitung ein Zusatzwerkstoff auf der zentralen Achse zugeführt werden muss. Bei derartigen Bearbeitungsprozessen entscheidet als wesentlicher Prozessparameter oftmals die korrekte Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls über die Robustheit und die Qualität des Bearbeitungsprozesses. Die kontinuierliche Korrektur der Fokuslage, z. B. mittels des Handlingsystems, erfordert eine kontinuierliche und hochgenaue Überwachung mit einem berührungslosen Messverfahren. Aufgrund der koaxialen Zuführung des Zusatzwerkstoffs ergibt sich jedoch eine charakteristische zentrale Abschattung entlang der optischen Achse innerhalb des Bearbeitungsstrahlengangs. Ein Messstrahl zur Abstandsmessung muss daher bisher exzentrisch zur optischen Achse des Bearbeitungslaserstrahls in den Bearbeitungskopf integriert werden. Durch diese exzentrische Integration lässt sich zwar das Problem der Abschattung umgehen. Allerdings führt die exzentrische Anordnung dazu, dass der Strahlengang des Messstrahls lateral in die Wechselwirkungszone fokussiert wird. Dadurch können jedoch die prozess- und verfahrenstechnologischen Vorteile koaxialer Bearbeitungsköpfe nicht vollständig ausgeschöpft werden, da keine Richtungsunabhängigkeit der Bewegung des koaxialen Bearbeitungskopfes mehr besteht. Die Position des Messflecks des Messstrahls auf der Objektoberfläche relativ zur Auftreffposition des Bearbeitungslaserstrahls unterscheidet sich dabei in Abhängigkeit von der Vorschubrichtung des Bearbeitungskopfes. Weiterhin ermöglichen die bisher bekannten Abstandsmesssysteme mittels konoskopischer Holographie auch keine Messung weiterer Oberflächeneigenschaften, insbesondere der Topographie der Objektoberfläche in der Wechselwirkungszone.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur optischen Messung eines Abstands oder einer Abstandsänderung einer Objektoberfläche von einer Bezugsposition anzugeben, mit denen auch Informationen über eine Neigung oder Neigungsänderung der Objektoberfläche an der Messposition gewonnen werden können und die eine Integration in einen koaxialen Bearbeitungskopf der Lasermaterialbearbeitung unter Beibehaltung der Richtungsunabhängigkeit der Bearbeitung ermöglichen.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 5 gelöst. Patentanspruch 8 gibt einen koaxialen Bearbeitungskopf mit einer derartigen Vorrichtung an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung bzw. des Bearbeitungskopfes sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein optischer Messstrahl auf die Objektoberfläche gerichtet, aus einem von der Objektoberfläche reflektierten Strahlanteil des Messstrahls mittels konoskopischer Holographie ein Interferenzmuster erzeugt und das Interferenzmuster zur Bestimmung des Abstandes oder der Abstandsänderung der Objektoberfläche von der Bezugsposition ausgewertet. Der optische Messstrahl wird vorzugsweise mit einer kohärenten Strahlquelle erzeugt, beispielsweise einem Laser. Es können jedoch auch inkohärente Strahlquellen wie bspw. Leuchtdioden oder Weißlichtquellen dafür genutzt werden. Die Bezugsposition stellt dabei eine zur Messvorrichtung in festem Bezug stehende Position dar, bspw. den Abstand zwischen einer Fokussierlinse des Messsystems zur Objektoberfläche. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Messstrahl als Ringstrahl auf die Objektoberfläche gerichtet und aus einer Lage oder Verschiebung von Interferenzstreifen im Interferenzmuster auch eine Neigung oder Neigungsänderung der Objektoberfläche zur Einfallsrichtung des Messstrahls bestimmt wird. Durch die Nutzung eines Ringstrahls wird ein spezifisches ringförmiges Interferenzmuster erzeugt, welches ortsaufgelöst ausgewertet sowohl eine Abstandsmessung als auch eine Vermessung der lokalen Neigung und somit der lokalen Topographie an der Messstelle ermöglicht. Unter einem Ringstrahl ist hierbei ein Messstrahl mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung zu verstehen, wobei die Ringform nicht zwangsläufig kreisrund sondern auch bspw. elliptisch oder rechteckig ausgebildet sein kann. Ein Ringstrahl lässt sich bspw. mit Hilfe eine Axicons im Strahlengang des Messstrahls oder auch mit einer anderen optischen Anordnung, bspw. durch geeignet angeordnete reflektive Elemente, erzeugen. Besonders vorteilhaft lässt sich das vorgeschlagene Verfahren bei der Materialbearbeitung mit einem energetischen Strahl, insbesondere der Lasermaterialbearbeitung, in einen koaxialen Bearbeitungskopf integrieren, ohne die Richtungsunabhängigkeit der Bewegung eines derartigen Bearbeitungskopfes bei der Materialbearbeitung und Messung zu verlieren. So kann der Messstrahl aufgrund seiner Ringform koaxial zum energetischen Bearbeitungsstrahl und auch koaxial zu einer zentralen Zuführung eines Zusatzwerkstoffes geführt werden. Damit lässt sich bspw. eine kontinuierliche Vermessung der korrekten Fokuslage des energetischen Bearbeitungsstrahls während der Bearbeitung durchführen. Der Einsatz des Verfahrens in einem derartigen Bearbeitungskopf ermöglicht damit sowohl eine Abstandsmessung zur Bestimmung z. B. der korrekten Fokuslage als auch eine Vermessung der Topographie um die Wechselwirkungszone. Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung lassen sich natürlich auch in andere koaxiale Strahlformungs- und Strahlführungssysteme für energetische Strahlung integrieren. Unter energetischer Strahlung ist hierbei bspw. ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl oder ein Ionenstrahl zu verstehen.
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Durch eine Kalibrierung der Messvorrichtung kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren oder der zugehörigen Vorrichtung eine absolute Abstands- und Neigungsmessung durchgeführt werden. In vielen Fällen sind für die Anwendung jedoch relative Messungen des Abstands und der Neigung ausreichend. So kann bspw. bei einer kontinuierlichen Messung während einer Materialbearbeitung die Abstands- und Neigungsänderung während des Vorschubs des Bearbeitungskopfes erfasst und zur Korrektur der Fokuslage des Bearbeitungsstrahls genutzt werden.
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Die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung weist entsprechend eine Strahlquelle zur Erzeugung des optischen Messstrahls, eine optische Einrichtung zur Kollimierung oder Fokussierung des Messstrahls auf eine Objektoberfläche, die bspw. durch ein oder mehrere Linsen oder Spiegel gebildet sein kann, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Interferenzmusters mittels konoskopischer Holographie und einen optischen Detektor auf, mit dem das Interferenzmuster erfasst wird. Bei dem optischen Detektor kann es sich beispielsweise um einen ortsauflösenden optischen Detektor oder auch um einen Wellenfrontsensor (z.B. Shack-Hartman) handeln, welcher Orts- und Winkelinformation detektiert. Die Einrichtung zur Erzeugung eines Interferenzmusters mittels konoskopischer Holographie, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als konoskopisches Holographiemodul bezeichnet, ist dabei so angeordnet, dass sie das Interferenzmuster aus einem von der Objektoberfläche reflektierten Strahlanteil des Messstrahls erzeugt. Ein derartiges konoskopisches Holographiemodul weist in der Regel einen doppelbrechenden Kristall auf, der zwischen zwei Polarisatoren angeordnet ist. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie zusätzlich eine Einrichtung zur Strahlformung des Messstrahls aufweist, die den Messstrahl zu einem Ringstrahl formt, so dass der Messstrahl als Ringstrahl auf die Objektoberfläche gerichtet wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung bereits eine entsprechende Auswerteeinrichtung auf, die aus dem Abstand von Interferenzstreifen im Interferenzmuster einen Abstand oder eine Abstandsänderung der Objektoberfläche zu einer Bezugsposition und aus einer Lage oder Verschiebung der Interferenzstreifen im Interferenzmuster auch eine Neigung oder Neigungsänderung der Objektoberfläche zur Einfallsrichtung des Messstrahls bestimmt. Die Auswerteeinrichtung ist dabei mit dem Detektor verbunden.
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Eine derartige Vorrichtung ist in der bevorzugten Ausgestaltung in einen koaxialen Bearbeitungskopf für die Bearbeitung einer Objektoberfläche mit einem energetischen Strahl so integriert, dass der als Ringstrahl ausgebildete Messstrahl koaxial zum Bearbeitungsstrahl und ggf. einem zentralen Zufuhrelement für einen Zusatzwerkstoff auf die Objektoberfläche gerichtet wird. Der Zusatzwerkstoff kann beispielsweise als Pulver über eine geeignete Düse oder auch als Draht zugeführt werden, wie dies bspw. vom Laserauftragsschweißen als ein Anwendungsbeispiel bekannt ist.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zughörigen Vorrichtung wird insbesondere eine abschattungsfreie Integration eines Abstandsmesssystems in den Strahlengang koaxialer Bearbeitungsköpfe und auch anderer Strahlformungs- und Strahlführungssysteme ermöglicht. Durch die Auswertung des Interferenzmusters kann neben einer hochgenauen, relativen Abstandsmessung auch eine Vermessung der Topographie an der Messstelle und damit - bei der Lasermaterialbearbeitung - an der bzw. um die Wechselwirkungszone erfolgen. Die prozess- und verfahrenstechnologischen Vorteile koaxialer Bearbeitungsköpfe, welche insbesondere in der Richtungsunabhängigkeit der Bewegung bestehen, werden durch die Integration des vorgeschlagenen Messsystems nicht beeinträchtigt. Selbstverständlich lassen sich das Verfahren und die Vorrichtung jedoch auch in anderen Anwendungen eigenständig oder in entsprechende Anwendungsprozesse integriert einsetzen.
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Figurenliste
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Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus der vorgeschlagenen Vorrichtung;
- 2 ein Vergleich eines exzentrisch in einen koaxialen Bearbeitungskopf integrierten Messsystems mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten koaxial integrierten Messsystem;
- 3 ein Beispiel für die Integration der vorgeschlagenen Vorrichtung in den koaxialen Bearbeitungskopf für die Lasermaterialbearbeitung; und
- 4 eine beispielhafte Darstellung von Interferenzmustern, wie sie mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzeugt werden.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Beim vorgeschlagenen Verfahren wird für eine Abstands- und Neigungsmessung an einer Messposition an einer Objektoberfläche die Technik der konoskopischen Holographie eingesetzt, wobei der Messstrahl als Ringstrahl auf die Objektoberfläche gerichtet wird, um ein entsprechend ringförmiges Interferenzmuster zu erhalten. In den im Folgenden beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen wird als Strahlquelle ein Laser zur Erzeugung eines Messlaserstrahls eingesetzt. 1 zeigt hierzu eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die Vorrichtung weist in diesem Beispiel einen Laser 1 zur Erzeugung des Messlaserstrahls 2 auf, der über eine Anordnung 3 zur Generierung eines Ringstrahls, bspw. ein Axicon, einen Ringstrahl 4 erzeugt. Der Ringstrahl 4 wird über einen halbdurchlässigen Spiegel 5 und eine Fokussiereinrichtung 6 auf die Objektoberfläche 7 fokussiert. Von der Objektoberfläche rückreflektierte Strahlanteile werden über die Fokussiereinrichtung 6 und den halbdurchlässigen Spiegel 5 in ein konoskopisches Holographiemodul 8 geleitet, in dem ein Interferenzmuster entsteht, das auf einen Detektor 9 abgebildet wird. Aus den Interferenzringen und/oder - ringabschnitten dieses ringförmigen Interferenzmusters können dann Abstand und Neigung bzw. Abstandsänderung und Neigungsänderung der Objektoberfläche 7 an der Messposition bestimmt werden.
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Die Verwendung eines Ringstrahls zur Durchführung der Messung bietet beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung den besonderen Vorteil, dass das Verfahren bzw. die Vorrichtung in vorteilhafter Weise in einen koaxialen Bearbeitungskopf integriert werden kann. Der Vorteil wird anhand des Vergleichs der 2 deutlich. 2 zeigt hierbei einen Teil eines koaxialen Bearbeitungskopfes der Lasermaterialbearbeitung, bei der ein Zusatzwerkstoff über ein zentrales Zufuhrelement 10 auf eine Objektoberfläche 7 aufgebracht wird. Der Bearbeitungslaserstrahl 11 wird hierbei ringförmig um das Zufuhrelement 10 geführt und koaxial zu diesem über eine Linse 12 auf die Objektoberfläche 7 fokussiert. Bei bisher bekannten koaxialen Bearbeitungsköpfen erfolgt die Führung eines Messlaserstrahls 2 zur Abstandsmessung exzentrisch zum Zufuhrelement 10 und dem Bearbeitungslaserstrahl 11, wie dies im linken Teil der 2 dargestellt ist. Auf diese Weise liegt der Messfleck 13 des Messlaserstrahls auf der Objektoberfläche 7 in Abhängigkeit von der Vorschubrichtung nicht immer in der gleichen Orientierung relativ zur ringförmigen Intensitätsverteilung 14 des Bearbeitungslaserstrahls, wie dies im unteren Teil der Figur in Draufsicht auf die Objektoberfläche 7 bei unterschiedlicher Vorschubrichtung 15 angedeutet ist.
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Demgegenüber lässt sich ein gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren ausgebildetes Messsystem so in einem derartigen Bearbeitungskopf integrieren, dass diese Richtungsabhängigkeit von der Vorschubrichtung nicht mehr besteht. Dies ist im rechten Teil der 2 dargestellt, bei dem der Messlaserstrahl 2 als Ringstrahl 4 koaxial zum zentralen Zufuhrelement 10 und zum Bearbeitungslaserstrahl 11 geführt wird, wie dies in der Figur angedeutet ist. Der Messfleck 13 liegt hierbei unabhängig von der Vorschubrichtung immer ringförmig und konzentrisch zur ringförmigen Intensitätsverteilung 14 des Bearbeitungslaserstrahls auf der Objektoberfläche 7. Im unteren Teil der Figur ist ersichtlich, dass auf diese Weise eine Unabhängigkeit von der Vorschubrichtung 15 erreicht wird.
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3 zeigt eine detailliertere Darstellung eines Beispiels eines koaxialen Bearbeitungskopfes mit integrierter Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Figur zeigt wiederum, wie auch bereits in 2 dargestellt, den ringförmigen Bearbeitungslaserstrahl 11, der koaxial zum Zufuhrelement 10 über eine Fokussierlinse 12 auf die Objekt- bzw. Werkstückoberfläche 7 gerichtet wird. Der als Ringstrahl 4 ausgebildete Messlaserstrahl wird über einen geeigneten Umlenkspiegel 16 koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl 11 und zum zentralen Zufuhrelement 10 eingekoppelt, wie dies in 3 dargestellt ist, und durchläuft in gleicher Weise wie der Bearbeitungslaserstrahl 11 die Fokussierlinse 12. Der Messlaserstrahl wird hierbei ausgehend von einem kollimierten Strahl 2 über eine in diesem Fall aus Prismen aufgebaute Anordnung zur Generierung eines Ringstrahls in einen Ringstrahl 4 umgeformt und über eine Linse 17 und einen Strahlteilerwürfel 18 auf den Umlenkspiegel 16 gerichtet. Anstelle eines Strahlteilerwürfels kann auch ein anderes Element, bspw. eine Strahlteilerplatte, eingesetzt werden. Der Strahlengang des Messlaserstrahls ist dabei so ausgeführt, dass der Ringstrahl 4 koaxial dem Bearbeitungsstrahlengang überlagert wird.
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Für die Fokussierung des Ringstrahls 4 sind neben den optischen Komponenten des koaxialen Bearbeitungskopfes (Linsen, Spiegel), im vorliegenden Beispiel Fokussierlinse 12, ggf. zusätzliche optische Komponenten (Linsen, Spiegel) erforderlich, damit eine ringförmige Intensitätsverteilung auf der Werkstückoberfläche generiert werden kann. In 3 wird hierzu beispielhaft die Linse 17 eingesetzt.
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Der von der Werkstückoberfläche 7 rückreflektierte Anteil des Messlaserstrahls propagiert rückwärtig durch den Strahlengang des Messsystems und fällt über eine weitere Linse 21 auf das konoskopische Holographiemodul ein, das in diesem Beispiel aus einem doppelbrechenden Kristall 19 zwischen zwei Polarisatoren 20 gebildet ist. Gemäß dem Prinzip der konoskopischen Holographie wird die Polarisation des Ringstrahls mit Hilfe des ersten Polarisators in einen zirkularen Zustand versetzt. Bei anschließender Propagation durch den doppelbrechenden Kristall 19 unterliegen die beiden Polarisationsanteile unterschiedlichen Phasenverzögerungen, wobei der relative Unterschied durch den Winkel definiert ist, welche der Ringstrahl mit der Kristallachse einschließt. Infolge kommt es zur Aufteilung des Ringstrahls in beide Polarisationsanteile. Mit Hilfe des zweiten Polarisators wird der ursprüngliche Polarisationszustand wieder hergestellt und die zuvor aufgeteilten Ringstrahlen interferieren. Das Interferenzmuster wird mit dem ortsauflösenden Detektor 9 erfasst. Dieses Interferenzmuster 22 ist ringförmig ausgeprägt, wie dies im rechten Teil der 3 schematisch dargestellt ist. Die Anzahl der Interferenzringe hängt von der winkelabhängigen Phasenverzögerung im Kristall ab. Die Winkelabhängigkeit wiederum steht in direktem Verhältnis zum maximalen Auftreffwinkel auf den Kristall, der sich für den rückreflektierten Ringstrahl in Folge einer Variation der Fokuslage 23 zur Werkstückoberfläche, die durch eine Änderung des Abstands verursacht wird, oder der Oberflächentopographie ergibt. Bei senkrechtem Strahleinfall auf die Werkstückoberfläche stellt sich ein symmetrisch ausgeprägtes Interferenzmuster 22 ein, wie dies im linken Teil der 4 dargestellt ist. Bei schiefem Strahleinfall, bspw. in Folge einer geneigten Objektoberfläche, resultiert hingegen ein asymmetrisch ausgeprägtes Interferenzmuster 22, wie es im rechten Teil der 4 beispielhaft dargestellt ist. Die Auswertung dieses Interferenzmusters 22 ermöglicht somit nicht nur eine Abstandsmessung sondern ebenfalls eine Vermessung der Topographie um die Wechselwirkungszone. Die Detektion einer relativen Abstandsänderung erfolgt hierbei über eine Messung der Änderung des Ringabstands des detektierten Interferenzmusters 22. Bei nicht senkrechtem Strahleinfall, wie im rechten Teil der 4 dargestellt, kann durch eine Vermessung des Ringabstands im horizontalen und vertikalen Schnitt auf den Einfallswinkel geschlossen werden. Durch eine Messung und Auswertung an mehreren radial verteilten Punkten kann damit die Topographie der Oberfläche gemessen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laser
- 2
- Messstrahl
- 3
- Anordnung zur Generierung eines Ringstrahls
- 4
- Ringstrahl
- 5
- halbdurchlässiger Spiegel
- 6
- Fokussiereinrichtung
- 7
- Objekt- bzw. Werkstückoberfläche
- 8
- konoskopisches Holographiemodul
- 9
- Detektor
- 10
- zentrales Zufuhrelement
- 11
- Bearbeitungslaserstrahl
- 12
- Fokussierlinse
- 13
- Messfleck
- 14
- ringförmige Intensitätsverteilung
- 15
- Vorschubrichtung
- 16
- Umlenkspiegel
- 17
- Linse
- 18
- Strahlteilerwürfel
- 19
- doppelbrechender Kristall
- 20
- Polarisator
- 21
- Linse
- 22
- Interferenzmuster
- 23
- Änderung der Fokuslage
