DE102021120767A1

DE102021120767A1 - Laserverarbeitungsapparatur und Laserverarbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE102021120767A1
Application number: DE102021120767.3A
Authority: DE
Inventors: Jun Yokoyama; Takashi Urashima; Yohei Takechi
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-08-19
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2022-02-24
Also published as: US20220055147A1; CN114074213A

Abstract

Eine Laserverarbeitungsapparatur umfasst einen Laseroszillator, der Verarbeitungslaserlicht oszilliert, das auf einen Verarbeitungspunkt auf einer Verarbeitungsfläche eines Werkstücks auftrifft, einen Koppelspiegel, der das Verarbeitungslaserlicht und Messlicht, das auf den Verarbeitungspunkt auftrifft, in Richtung des Verarbeitungspunkts ablenkt oder durchlässt, eine Messlicht-Ablenkungseinheit, die einen Einfallswinkel des Messlichts auf den Koppelspiegel ändert, eine Linse, die das Verarbeitungslaserlicht und das Messlicht auf den Verarbeitungspunkt konzentriert, eine Steuerung, die den Laseroszillator und die Messlicht-Ablenkungseinheit steuert, einen Messprozessor, der eine Tiefe einer Dampfkapillare misst, die an dem Verarbeitungspunkt durch das Verarbeitungslaserlicht erzeugt wird, indem er ein optisches Interferenzsignal verwendet, das auf einer Interferenz basiert, die durch eine optische Wegdifferenz zwischen dem an dem Verarbeitungspunkt reflektierten Messlicht und Referenzlicht erzeugt wird, und eine Strahlpositionsmesseinheit, die Positionen des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts misst.

Description

HINTERGRUND
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Laserverarbeitungsverfahren.
Die veröffentlichte japanische Übersetzung Nr. 2013-501964 der internationalen PCT-Veröffentlichung offenbart eine Laserverarbeitungsapparatur. Die Laserverarbeitungsapparatur misst eine Tiefe einer Dampfkapillare („keyhole“), die während der Metallverarbeitung durch Laserlicht erzeugt wird, unter Verwendung einer optischen Kohärenztomographie (OCT), die eine innere Struktur einer Probe unter Verwendung eines optischen Interferometers visualisiert. Die Tiefe der Dampfkapillare kann auf Grundlage eines Interferenzsignals entsprechend einer optischen Wegdifferenz zwischen Messlicht (Reflexionslicht), das von einer Bodenfläche der Dampfkapillare reflektiert wird, und Licht (Referenzlicht) auf einer Referenzarmseite ermittelt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Laserverarbeitungsapparatur gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Laseroszillator, der Verarbeitungslaserlicht oszilliert, das auf einen Verarbeitungspunkt auf einer Verarbeitungsfläche eines Werkstücks auftrifft, einen Koppelspiegel, der das Verarbeitungslaserlicht und das Messlicht, das auf den Verarbeitungspunkt auftrifft, in Richtung des Verarbeitungspunkts ablenkt oder durchlässt, eine Messlicht-Ablenkungseinheit, die einen Auftreffwinkel des Messlichts auf dem Koppelspiegel ändert, eine Linse, die das Verarbeitungslaserlicht und das Messlicht auf den Verarbeitungspunkt konzentriert, eine Steuerung, die den Laseroszillator und die Messlicht-Ablenkungseinheit steuert, einen Messprozessor, der eine Tiefe einer Dampfkapillare misst, die an dem Verarbeitungspunkt durch das Verarbeitungslaserlicht erzeugt wird, indem er ein optisches Interferenzsignal verwendet, das auf einer Interferenz basiert, die durch eine optische Wegdifferenz zwischen dem an dem Verarbeitungspunkt reflektierten Messlicht und Referenzlicht erzeugt wird, und eine Strahlpositionsmesseinheit, die Positionen des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts misst.
Ein Laserverarbeitungsverfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird von einer Laserverarbeitungsapparatur durchgeführt, die eine LaserlichtEmissionseinheit, die Laserlicht auf ein Werkstück emittiert, und eine MesslichtEmissionseinheit, die Messlicht zum Messen einer Abstrahlposition des Laserlichts auf dem Werkstück emittiert, umfasst, und umfasst das Anpassen der Abstrahlposition des Laserlichts und einer Abstrahlposition des Messlichts auf dem Werkstück aneinander.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, die schematisch eine Konfiguration einer Laserverarbeitungsapparatur gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
2 ist eine Ansicht, die schematisch die Laserverarbeitungsapparatur in einem Zustand zeigt, in dem ein erster Spiegel aus einer ursprünglichen Position heraus betrieben wird;
3 ist eine Ansicht, die schematisch die Laserverarbeitungsapparatur in einem Zustand zeigt, in dem Abweichungen in den Ankunftspositionen des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts aufgrund von chromatischer Vergrößerungsaberration korrigiert werden;
4 ist ein Diagramm, das schematisch die Spuren des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts auf einer Verarbeitungsfläche darstellt, wenn eine Oberfläche (Verarbeitungsfläche) eines Werkstücks gitterförmig abgetastet wird, indem nur der erste Spiegel ohne Messlicht-Ablenkungseinheit betrieben wird;
5 ist eine Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel einer Strahlpositionsmesseinheit veranschaulicht, die zum Berechnen eines Korrekturbetrags an einem VerarbeitungsLichtgitterpunkt verwendet wird;
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Berechnung des Korrekturbetrags an dem Verarbeitungs-Lichtgitterpunkt veranschaulicht;
7 ist eine Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel der Strahlpositionsmesseinheit zeigt, die zwei Positionsmessspiegel umfasst;
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung von Korrekturzahl-Tabellendaten veranschaulicht;
9 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels von Datenelementen, die in korrigierten Verarbeitungsdaten umfassen;
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung der korrigierten Verarbeitungsdaten veranschaulicht;
11 ist ein Diagramm, das eine Korrekturzahl-Tabellendaten eines Verarbeitungspunktes schematisch veranschaulicht;
12 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Einstellung des Korrekturbetrags veranschaulicht;
13 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Abtastwinkel und einem Korrekturdatenpunkt darum herum veranschaulicht, wenn ein Abtastwinkel, der von einem Benutzer als Verarbeitungsdaten eingestellt wird, nicht mit einem Korrekturzahl-Tabellendaten-Abtastwinkel von irgendeinem der Datenpunkte in der Korrekturzahl-Tabelle der in 11 veranschaulichten Verarbeitungspunktposition übereinstimmt;
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Laserverarbeitungsverfahren darstellt, das von der Laserverarbeitungsapparatur gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wird;
15 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Messen einer Tiefe einer Dampfkapillare veranschaulicht;
16 ist ein Diagramm, das die Spuren des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts auf der Verarbeitungsfläche in einem Zustand zeigt, in dem ein Einfluss der chromatischen Vergrößerungsaberration durch einen Betrieb der Messlicht-Ablenkungseinheit korrigiert wird;
17 ist eine Ansicht, die schematisch eine Konfiguration einer Laserverarbeitungsapparatur gemäß einem ersten Modifikationsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt;
18 ist eine Ansicht, die schematisch eine Konfiguration einer Laserverarbeitungsapparatur gemäß einem zweiten Modifikationsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt;
19 ist eine schematische Ansicht, die eine Laserverarbeitungsapparatur gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
20 ist eine Ansicht, die einen Zustand illustriert, in dem die Strahlpositionsmesseinheit eine relative Position einer optischen Achse des Messlichts in Bezug auf eine optische Achse des Bearbeitungslichts ableitet;
21 ist ein Flussdiagramm eines Programms, das von einer Steuervorrichtung ausgeführt wird;
22 ist ein Diagramm, das eine Bestrahlungsposition des Verarbeitungslichts und eine Bestrahlungsposition des Messlichts eines Abbildungselements während einer ersten optischen Ausrichtung illustriert;
23 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Bestrahlungsposition des Verarbeitungslichts und einer Bestrahlungsposition des Messlichts des Abbildungselements während einer zweiten und nachfolgenden optischen Ausrichtung;
24 ist eine Ansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem die zweite und die nachfolgenden optischen Ausrichtungen durch eine Laserverarbeitungsapparatur gemäß einem Modifikationsbeispiel der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden; und
25 ist eine Ansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem die erste und die nachfolgenden optischen Ausrichtungen durch die Laserverarbeitungsapparatur gemäß einem Modifikationsbeispiel der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen werden Komponenten, die im Wesentlichen dieselben Funktionen aufweisen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, so dass redundante Beschreibungen derselben weggelassen werden. In 1 und den nachfolgenden Abbildungen stellen eine x-Achsen-Richtung, eine y-Achsen-Richtung und eine z-Achsen-Richtung jeweils eine Richtung parallel zu einer x-Achse, eine Richtung parallel zu einer y-Achse und eine Richtung parallel zu einer z-Achse dar. Die Richtung der x-Achse und die Richtung der y-Achse sind orthogonal zueinander. Die Richtung der x-Achse und die Richtung der z-Achse sind orthogonal zueinander. Die y-Achsen-Richtung und die z-Achsen-Richtung sind orthogonal zueinander. Eine xy-Ebene stellt eine virtuelle Ebene parallel zur x-Achsenrichtung und zur y-Achsenrichtung dar. Eine xz-Ebene stellt eine virtuelle Ebene parallel zur x-Achsen-Richtung und zur z-Achsen-Richtung dar. Eine yz-Ebene stellt eine virtuelle Ebene parallel zur y-Achsen-Richtung und zur z-Achsen-Richtung dar. Des Weiteren wird in der x-Achsenrichtung in 1 und den nachfolgenden Figuren eine durch einen Pfeil angezeigte Richtung als positive x-Achsenrichtung und eine entgegengesetzte Richtung als negative x-Achsenrichtung angenommen. Des Weiteren wird in der y-Achsenrichtung in 1 und den nachfolgenden Figuren eine durch einen Pfeil angezeigte Richtung als eine positive y-Achsenrichtung und eine entgegengesetzte Richtung als eine negative y-Achsenrichtung angenommen. Des Weiteren wird in der z-Achsen-Richtung in 1 und den nachfolgenden Figuren eine durch einen Pfeil angezeigte Richtung als positive z-Achsen-Richtung und eine entgegengesetzte Richtung als negative z-Achsen-Richtung angenommen. Die z-Achsen-Richtung ist beispielsweise in vertikaler Richtung oder in Auf- und Ab-Richtung gleich, und die x-Achsen-Richtung und die y-Achsen-Richtung sind beispielsweise in horizontaler Richtung oder in Links-Rechts-Richtung gleich.
Erste beispielhafte Ausführungsform
Seit kurzem ist eine Laserverarbeitungsapparatur bekannt, in der ein Galvano-Spiegel mit einer fθ-Linse kombiniert ist. Der Galvano-Spiegel kann eine Richtung, in der Laserlicht reflektiert wird, fein steuern. Die fθ-Linse konzentriert das Laserlicht auf einen Bearbeitungspunkt auf einer Oberfläche eines Werkstücks. Wenn jedoch das in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2013-501964 offengelegte Verfahren zum Messen der Tiefe einer Dampfkapillare („keyhole“) auf eine Laserverarbeitungsapparatur angewendet wird, in der ein Galvano-Spiegel mit einer fθ-Linse kombiniert ist, gibt es folgende Probleme. Das heißt, da sich die Wellenlängen des Bearbeitungslaserlichts und des Messlichts voneinander unterscheiden und die fθ-Linse Eigenschaften aufweist, die eine chromatische Aberration verursachen, gibt es Probleme, dass das Bearbeitungslaserlicht und das Messlicht auf einer Oberfläche eines Werkstücks voneinander abweichen und eine Tiefe einer Dampfkapillare nicht genau gemessen werden kann.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Laserverarbeitungsapparatur und ein Laserverarbeitungsverfahren bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Tiefe einer Dampfkapillare genau zu messen.
Nicht einschränkende Beispiele der vorliegenden Offenbarung tragen zu einer Bereitstellung einer Laserverarbeitungsapparatur und eines Laserverarbeitungsverfahrens bei, die in der Lage sind, eine Tiefe einer Dampfkapillare genau zu messen.
Eine Laserverarbeitungsapparatur gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Laseroszillator, der Verarbeitungslaserlicht oszilliert, das auf einen Verarbeitungspunkt auf einer Verarbeitungsoberfläche eines Werkstücks auftrifft, einen Koppelspiegel, der das Verarbeitungslaserlicht und das Messlicht, das auf den Verarbeitungspunkt auftrifft, in Richtung des Verarbeitungspunkts ablenkt oder durchlässt, eine Messlicht-Ablenkungseinheit, die einen Auftreffwinkel des Messlichts auf dem Koppelspiegel ändert, eine Linse, die das Verarbeitungslaserlicht und das Messlicht auf den Verarbeitungspunkt konzentriert, eine Steuerung, die den Laseroszillator und die Messlicht-Ablenkungseinheit steuert, einen Messprozessor, der eine Tiefe einer Dampfkapillare misst, die an dem Verarbeitungspunkt durch das Verarbeitungslaserlicht erzeugt wird, indem er ein optisches Interferenzsignal verwendet, das auf einer Interferenz basiert, die durch eine optische Wegdifferenz zwischen dem an dem Verarbeitungspunkt reflektierten Messlicht und dem Referenzlicht erzeugt wird, und eine Strahlpositions-Messeinheit, die Positionen des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts misst.
Ein Laserverarbeitungsverfahren gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserverarbeitungsverfahren, das von einer Laserverarbeitungsapparatur durchgeführt wird, die einen ersten Spiegel, der die Ausbreitungsrichtungen von Verarbeitungslaserlicht und Messlicht ändert, eine Messlicht-Ablenkungseinheit, die einen Einfallswinkel des Messlichts auf den ersten Spiegel ändert, eine Linse, die das Verarbeitungslaserlicht und das Messlicht auf einen Verarbeitungspunkt einer Verarbeitungsoberfläche eines Werkstücks konzentriert, und eine Tiefe einer Dampfkapillare misst, die an dem Verarbeitungspunkt erzeugt wird, indem das Verarbeitungslaserlicht darauf angewendet wird, umfasst, und das Verfahren umfasst das Einstellen einer Zielposition auf der Verarbeitungsoberfläche, Einstellen eines ersten Befehlswertes, der einen Betriebsbetrag des ersten Spiegels angibt, durch den das Verarbeitungslaserlicht die Zielposition erreicht, Erhalten eines zweiten Befehlswertes, der einen Betriebsbetrag der Messlicht-Ablenkungseinheit angibt, basierend auf Positionen des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts, die durch eine Strahlpositions-Messeinheit zum Messen der Positionen des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts gemessen werden, und Steuern des Laseroszillators zum Oszillieren des Verarbeitungslaserlichts, des ersten Spiegels und der Messlicht-Ablenkungseinheit basierend auf Verarbeitungsdaten, die den ersten Befehlswert und den zweiten Befehlswert umfassen.
Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung können eine Laserverarbeitungsapparatur und ein Laserverarbeitungsverfahren konstruiert werden, die in der Lage sind, eine Tiefe einer Dampfkapillare genau zu messen.
Weitere Vorteile und Wirkungen eines Beispiels der vorliegenden Offenbarung werden aus der Spezifikation und den Zeichnungen ersichtlich sein. Solche Vorteile und/oder Effekte werden jeweils durch einige beispielhafte Ausführungsformen und Merkmale bereitgestellt, die in der Spezifikation und den Zeichnungen beschrieben sind, aber nicht alle müssen bereitgestellt werden, um ein oder mehrere identische Merkmale zu erhalten.
Die Verarbeitungsdaten können einen ersten Befehlswert umfassen, der einen Operationsbetrag eines ersten Spiegels angibt, und einen zweiten Befehlswert, der einen Operationsbetrag einer Messlicht-Ablenkungseinheit angibt. Eine Strahlpositionsmesseinheit kann einen Positionsmessspiegel umfassen, der Verarbeitungslaserlicht und Messlicht, das eine Linse passiert, reflektiert, sowie ein zweidimensionales Abbildungselement, das die Positionen des Verarbeitungslaserlichts und des vom Positionsmessspiegel reflektierten Messlichts misst. Eine Steuerung legt eine Zielposition auf einer Verarbeitungsfläche fest, setzt den ersten Befehlswert auf eine Zielposition, die das Verarbeitungslaserlicht erreicht, und berechnet den zweiten Befehlswert basierend auf den Positionen des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts, die von dem zweidimensionalen Abbildungselement gemessen werden.
Der Positionsmessspiegel kann auf einen Reflexionsgrad einer Wellenlänge des Verarbeitungslaserlichts eingestellt werden, der zu einer Leistung wird, durch die das Verarbeitungslaserlicht auf das zweidimensionale Abbildungselement einfallen kann. Das zweidimensionale Abbildungselement kann an einer Position installiert werden, an der eine optische Weglänge des zweidimensionalen Abbildungselements von einer Linse mit einer optischen Weglänge eines Verarbeitungspunkts von der Linse übereinstimmt.
Der Positionsmessspiegel kann durch eine Vielzahl von Spiegeln konfiguriert sein.
Der Positionsmessspiegel kann einen Reflexionsgrad für eine Wellenlänge des Verarbeitungslaserlichts aufweisen, der 0,1 % oder weniger beträgt.
Die Steuerung kann ein gitterförmiges Muster auf einer Verarbeitungsfläche einstellen und einen Gitterpunkt des gitterförmigen Musters an einer Zielposition einstellen.
Aufbau der Laserverarbeitungsapparatur 1
Ein Aufbau der Laserverarbeitungsapparatur 1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist eine Ansicht, die schematisch den Aufbau der Laserverarbeitungsapparatur 1 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Die Laserverarbeitungsapparatur 1 umfasst einen Verarbeitungskopf 2, ein optisches Interferometer 3, einen Messprozessor 4, einen Laseroszillator 5, eine Steuerung 6, einen ersten Treiber 7 und einen zweiten Treiber 8.
Das optische Interferometer 3 emittiert Messlicht 15 für die OCT-Messung. Das vom optischen Interferometer 3 abgestrahlte Messlicht 15 wird über den Messlichteintritt 9 in den Verarbeitungskopf 2 eingespeist. Der Messlichteinlass 9 ist an der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 installiert. Der Messlichteinlass 9 ist am Verarbeitungskopf 2 an einer Stelle angebracht, an der das Messlicht 15 in die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 eingeleitet werden kann.
Der Laseroszillator 5 oszilliert Verarbeitungslaserlicht 11 für die Laserbearbeitung. Das vom Laseroszillator 5 oszillierte Verarbeitungslaserlicht 11 wird über den Verarbeitungslichteinlass 10 in den Verarbeitungskopf 2 eingespeist.
Das Verarbeitungslaserlicht 11, das in den Verarbeitungskopf 2 eingespeist wird, durchdringt den dichroitischen Spiegel 12, wird vom ersten Spiegel 13 reflektiert, durchdringt die Linse 14 und wird auf die Verarbeitungsfläche 19 konzentriert, die eine Oberfläche des Werkstücks 18 ist.
Dabei wird der Verarbeitungspunkt 20 des Werkstücks 18 laserbearbeitet. Dabei schmilzt der mit dem Verarbeitungslaserlicht 11 bestrahlte Verarbeitungspunkt 20 auf und es bildet sich ein Schmelzbecken 21 im Werkstück 18.
Des Weiteren verdampft das geschmolzene Metall aus dem Schmelzbecken 21, und die Dampfkapillare 22 wird im Werkstück 18 aufgrund des Dampfdrucks gebildet, der zum Zeitpunkt des Verdampfens erzeugt wird.
Messlicht 15, das vom Messlichteintritt 9 in den Verarbeitungskopf 2 eintritt, wird durch die Kollimationslinse 16 in paralleles Licht umgewandelt und von der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 reflektiert. Danach wird das Messlicht 15 von dem dichroitischen Spiegel 12 reflektiert, wird von dem ersten Spiegel 13 reflektiert, tritt durch die Linse 14 hindurch und wird auf den Verarbeitungspunkt 20 auf der Verarbeitungsfläche 19 des Werkstücks 18 konzentriert. Der dichroitische Spiegel 12 ist ein Koppelspiegel, der das Messlicht 15 in das Verarbeitungslaserlicht 11 einkoppelt.
Das Messlicht 15 wird von einer Bodenfläche der Dampfkapillare 22 reflektiert und erreicht das optische Interferometer 3, indem es einen Ausbreitungsweg zurückläuft. Das optische Interferometer 3 erzeugt ein optisches Interferenzsignal aufgrund einer optischen Interferenz zwischen dem Eingangsmesslicht 15 und dem Referenzlicht (nicht dargestellt). Das Referenzlicht ist Licht, das von einer Lichtquelle (nicht dargestellt) des optischen Interferometers 3 auf einen Referenzspiegel (nicht dargestellt), der eine Referenzfläche darstellt, fällt.
Der Messprozessor 4 misst eine Tiefe der Dampfkapillare 22, d. h. eine Eindringtiefe des Verarbeitungspunkts 20, basierend auf dem optischen Interferenzsignal. Die Eindringtiefe ist ein Abstand zwischen dem höchsten Punkt eines geschmolzenen Abschnitts des Werkstücks 18 und der Verarbeitungsfläche 19.
Eine Wellenlänge (erste Wellenlänge) des Verarbeitungslaserlichts 11 unterscheidet sich von einer Wellenlänge (zweite Wellenlänge) des Messlichts 15. Der dichroitische Spiegel 12 weist die Eigenschaften auf, Licht der ersten Wellenlänge durchzulassen und Licht der zweiten Wellenlänge zu reflektieren.
Wenn zum Beispiel ein YAG-Laser oder ein Faserlaser als Verarbeitungslaserlicht 11 verwendet wird, beträgt die Wellenlänge des Verarbeitungslaserlichts 11 1064 nm. Des Weiteren, zum Beispiel, wenn eine OCT-Lichtquelle als Messlicht 15 verwendet wird, beträgt die Wellenlänge des Messlichts 15 1300 nm.
Der erste Spiegel 13 und die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 sind bewegliche Spiegel, die eine Rotationsoperation in zwei oder mehr Achsen durchführen können. Erster Spiegel 13 und Messlicht-Ablenkungseinheit 17 sind beispielsweise Galvano-Spiegel.
Der erste Spiegel 13 ist über den ersten Treiber 7 mit der Steuerung 6 verbunden. Die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 ist über den zweiten Treiber 8 mit der Steuerung 6 verbunden.
Der erste Treiber 7 betätigt den ersten Spiegel 13 auf Grundlage eines Befehls der Steuerung 6. Der zweite Treiber 8 steuert die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 auf Grundlage eines Befehls von der Steuerung 6.
Die Steuerung 6 umfasst einen Speicher 31. Der Speicher 31 speichert Verarbeitungsdaten zur Durchführung der gewünschten Verarbeitung für das Werkstück 18 und Korrekturzahl-Tabellendaten. Einzelheiten zu den Korrekturzahl-Tabellendaten werden im Folgenden beschrieben.
1 zeigt, dass der erste Spiegel 13 und die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 jeweils nur eine Rotationsoperation um eine Drehachse durchführen, die sich beispielhaft in Richtung der y-Achse erstreckt. Die Rotationsoperation ist in der Figur durch eine gestrichelte Rechtecklinie und die beiden Pfeillinien dargestellt.
Jeder der ersten Spiegel 13 und die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 können so konfiguriert werden, dass sie eine Rotationsoperation in zwei oder mehr Achsen durchführen. Mit dieser Konfiguration kann jeder erste Spiegel 13 und jede Messlicht-Ablenkungseinheit 17 beispielsweise auch eine Rotationsoperation um eine Rotationsachse durchführen, die sich in Richtung der x-Achse erstreckt.
Nachfolgend wird der Einfachheit halber ein Fall beschrieben, in dem sowohl der erste Spiegel 13 als auch die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 eine Rotationsoperation um eine in Richtung der y-Achse verlaufende Rotationsachse durchführen.
Wenn sich die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 in ihrer ursprünglichen Position befindet, stimmt die optische Achse 23 des Messlichts 15 mit der optischen Achse 24 des Verarbeitungslaserlichts 11 überein, nachdem es von dem dichroitischen Spiegel 12 reflektiert wurde.
Des Weiteren stimmt, wenn sich der erste Spiegel 13 in der ursprünglichen Position befindet, die optische Achse 24 des Verarbeitungslaserlichts 11 mit der optischen Achse 25 der Linse überein, die das Zentrum der Linse 14 ist, wenn es durch die Linse 14 hindurchgeht, nachdem es vom ersten Spiegel 13 reflektiert wurde.
In der folgenden Beschreibung wird eine Position (kann als Bestrahlungsposition bezeichnet werden), in der Verarbeitungslaserlicht 11 und Messlicht 15, die durch die Mitte der Linse 14 hindurchtreten, die Verarbeitungsfläche 19 des Werkstücks 18 erreichen, als „Verarbeitungs-Originalpunkt 26“ bezeichnet (siehe 2).
Die ursprünglichen Positionen des ersten Spiegels 13 und der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 sind die gleichen wie die Positionen, in denen das Verarbeitungslaserlicht 11 und das Messlicht 15 durch die Mitte der Linse 14 übertragen werden.
Die Linse 14 bündelt das Verarbeitungslaserlicht 11 und das Messlicht 15 auf den Verarbeitungspunkt 20. Die Linse 14 ist beispielsweise eine fθ-Linse.
Der erste Spiegel 13 und die Linse 14 konfigurieren ein allgemeines optisches Abtastsystem, das einen Galvano-Spiegel und eine fθ-Linse umfasst.
Daher kann eine Ankunftsposition des Verarbeitungslaserlichts 11 auf der Verarbeitungsfläche 19 durch Drehen des ersten Spiegels 13 aus der ursprünglichen Position um einen vorbestimmten Winkel gesteuert werden.
Im Folgenden wird der Winkel, um den der erste Spiegel 13 aus der ursprünglichen Position gedreht wird, als „Operationsbetrag des ersten Spiegels 13“ bezeichnet.
Der Operationsbetrag des ersten Spiegels 13 zum Aufbringen des Verarbeitungslaserlichts 11 auf den gewünschten Verarbeitungspunkt 20 kann eindeutig eingestellt werden, wenn eine Positionsbeziehung jedes optischen Elements, das den Verarbeitungskopf 2 konfiguriert, und ein Abstand von der Linse 14 zur Verarbeitungsfläche 19 bestimmt werden.
Der Abstand von der Linse 14 zur Verarbeitungsfläche 19 ist vorzugsweise auf einen Abstand eingestellt, bei dem eine Brennpunktposition, in der das Verarbeitungslaserlicht 11 am stärksten konzentriert ist, und die Verarbeitungsfläche 19 so übereinstimmen, dass die durch das Verarbeitungslaserlicht 11 ausgeführte Verarbeitung am effizientesten durchgeführt wird. Der Abstand von der Linse 14 zur Verarbeitungsfläche 19 ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann je nach Verarbeitungszweck beliebig festgelegt werden.
Durch Ändern des Operationsbetrages des ersten Spiegels 13 gemäß einem vorgegebenen Operationsplan kann die Position des Verarbeitungspunktes 20 auf der Verarbeitungsfläche 19 abgetastet werden.
Des Weiteren kann durch Ein- und Ausschalten des Laseroszillators 5 unter der Kontrolle der Steuerung 6 jede Position auf der Verarbeitungsfläche 19 in einem beliebigen Muster in einem abtastbaren Bereich des Verarbeitungslaserlichts 11 laserbearbeitet werden.
Einfluss der chromatischen Aberration
Als nächstes wird der Einfluss der chromatischen Aberration unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 ist eine Ansicht, die schematisch die Laserverarbeitungsapparatur 1 in einem Zustand zeigt, in dem der erste Spiegel 13 von einer ursprünglichen Position aus betrieben wird. In 2 wird angenommen, dass sich die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 in der ursprünglichen Position befindet.
Wie in 2 dargestellt, bewegen sich das Verarbeitungslaserlicht 11 und das vom ersten Spiegel 13 reflektierte Messlicht 15 bis zum Erreichen der Linse 14 auf der gleichen optischen Achse. Nach dem Durchgang durch die Linse 14 kommt es jedoch zu einer Abweichung zwischen dem Verarbeitungslaserlicht 11 und dem Messlicht 15 in einer Laufrichtung.
Das heißt, wie in 2 dargestellt, ist eine Position der optischen Bearbeitungsachse 24a, die eine optische Achse des Verarbeitungslaserlichts 11 ist, von einer Position der optischen Messachse 23a, die eine optische Achse des Messlichts 15 ist, abgewichen. Daher erreicht das Messlicht 15 eine Position, die sich von einer Position des Verarbeitungspunkts 20 unterscheidet.
Dies ist auf eine chromatische Aberration der Linse 14 zurückzuführen. Die chromatische Aberration ist eine Aberration, die auftritt, weil ein allgemeines optisches Material, das die Linse 14 umfasst, eine Eigenschaft aufweist, deren Brechungsindex sich in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts ändert.
Die chromatische Aberration umfasst zwei Arten von Aberrationen, nämlich eine axiale chromatische Aberration und eine chromatische Aberration der Vergrößerung. Die axiale chromatische Aberration bezeichnet die Eigenschaft, dass sich die Fokusposition der Linse in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts ändert.
Die chromatische Vergrößerungsabweichung zeigt an, dass sich die Bildhöhe auf der Brennfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts ändert.
Eine Abweichung zwischen einer Ausbreitungsrichtung des Verarbeitungslaserlichts 11 (optische Verarbeitungsachse 24a), das durch die Linse 14 übertragen wird, und einer Ausbreitungsrichtung des Messlichts 15 (optische Messachse 23a), die in 2 dargestellt ist, wird durch die oben beschriebene chromatische Vergrößerungsabweichung verursacht.
In der Laserverarbeitungsapparatur 1 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird gleichzeitig auch die oben beschriebene axiale chromatische Aberration erzeugt. Allerdings kann die Abweichung zwischen der Laufrichtung des Verarbeitungslaserlichts 11 und der Laufrichtung des Messlichts 15 aufgrund der axialen chromatischen Aberration wie folgt reduziert werden. Das heißt, der Abstand zwischen der Kollimationslinse 16 und dem Messlichteintrag 9 kann eingestellt werden, und das Messlicht 15 kann unmittelbar nach dem Durchgang durch die Kollimationslinse 16 von einem Zustand parallelen Lichts leicht in einen Divergenzzustand oder einen Konvergenzzustand geändert werden.
In 2 ist der Abstand von einer Position, an der das Messlicht 15 die Verarbeitungsfläche 19 erreicht, bis zum Verarbeitungsausgangspunkt 26 größer als der Abstand von einer Position, an der das Verarbeitungslaserlicht 11 die Verarbeitungsfläche 19 erreicht, bis zum Verarbeitungsausgangspunkt 26.
Aufgrund der Linsenkonfiguration der Linse 14 und des Größenverhältnisses zwischen den Wellenlängen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 kann der Abstand des ersteren jedoch kleiner sein als der des letzteren. Im Allgemeinen erreicht Licht, das eine lange Wellenlänge aufweist, eine Position, die weiter vom ursprünglichen Verarbeitungspunkt 26 entfernt ist als Licht, das eine kurze Wellenlänge aufweist.
Ein Verfahren zum Korrigieren einer chromatischen Aberration der Vergrößerung umfasst beispielsweise ein Verfahren zum Hinzufügen einer Eigenschaft einer achromatischen Linse zur Linse 14. Wenn jedoch davon ausgegangen wird, dass die Linse 14 sowohl eine Eigenschaft einer fθ-Linse als auch eine Eigenschaft einer achromatischen Linse aufweist, ist eine hochentwickelte optische Designtechnologie erforderlich, und ein Design der Linse 14 erfordert einen hohen Zeit- und Kostenaufwand.
Daher wird in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform die chromatische Aberration der Vergrößerung durch den Betrieb der Messlicht-Ablenkungseinheit 17, wie im Folgenden beschrieben, mit geringem Aufwand korrigiert. In der folgenden Beschreibung wird eine Ablenkeinheit, die einen Winkel der optischen Messachse 23 verändert, als „Messlicht-Ablenkungseinheit“ bezeichnet. Die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ist ein Beispiel für eine Messlicht-Ablenkungseinheit.
Verfahren zur Korrektur der chromatischen Aberration in der Vergrößerung
Als nächstes wird ein Verfahren zur Korrektur einer chromatischen Vergrößerungsaberration unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. 3 ist eine Ansicht, die schematisch die Laserverarbeitungsapparatur 1 in einem Zustand zeigt, in dem Abweichungen der Ankunftspositionen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 aufgrund der chromatischen Vergrößerungsaberration korrigiert werden.
In 3 wird die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 um einen vorbestimmten Operationsbetrag (kann als Operationswinkel bezeichnet werden) von einer ursprünglichen Position aus betrieben. Dadurch sind, wie in 3 dargestellt, die optische Achse 24 des Verarbeitungslaserlichts 11 und die optische Achse 23 des Messlichts 15 nicht auf der gleichen Achse angeordnet, während sie die Linse 14 vom dichroitischen Spiegel 12 erreichen.
Das Verarbeitungslaserlicht 11 und das Messlicht 15 erreichen jedoch jeweils die gleiche Position auf der Verarbeitungsfläche 19, d. h. den Verarbeitungspunkt 20 nach dem Durchgang durch die Linse 14.
In 3 verläuft die optische Achse 24a des Verarbeitungslaserlichts 11 durch dieselbe Position wie die in 2 dargestellte optische Achse 24a. Gleichzeitig durchläuft in 3 die optische Achse 23b des Messlichts 15, das durch den Betrieb der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 korrigiert wird, eine andere Position als die in 2 dargestellte optische Achse 23a.
Der Operationsbetrag (d.h. ein Winkel, um den die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 aus einer ursprünglichen Position gedreht wird) der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 ist eins-zueins mit dem Operationsbetrag des ersten Spiegels 13 verbunden.
Da der Operationsbetrag des ersten Spiegels 13 eindeutig durch die Position des Verarbeitungspunkts 20 bestimmt ist, ist der Operationsbetrag der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 ebenfalls eindeutig durch die Position des Verarbeitungspunkts 20 bestimmt.
Im Folgenden wird ein Operationsbetrag der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 als „Korrekturbetrag“ bezeichnet.
Beziehung zwischen Korrekturbetrag und Scanwinkel
Als nächstes wird die Beziehung zwischen dem Korrekturbetrag und dem Abtastwinkel beschrieben.
Die Linse 14, die eine fθ-Linse ist, weist die Beziehung h = fθ auf, wenn eine Brennweite der Linse 14 als f bezeichnet wird, ein Winkel des von der optischen Linsenachse 25 auf die Linse 14 einfallenden Lichts als θ bezeichnet wird und ein Abstand (im Folgenden als Bildhöhe bezeichnet) von einer optischen Achse (optische Linsenachse 25) auf einer Bildfläche (Verarbeitungsfläche 19) eines durch die Linse 14 hindurchtretenden Lichtstrahls als h bezeichnet wird.
Wie oben beschrieben, weist der erste Spiegel 13 zwei Achsen auf, die eine Rotationsoperation durchführen. Es wird angenommen, dass die beiden Achsen die x-Achse und die y-Achse sind, ein Winkel einer x-Achsenkomponente von der optischen Linsenachse 25 des vom ersten Spiegel 13 reflektierten Lichts wird als θx bezeichnet, und ein Winkel einer y-Achsenkomponente von der gleichen optischen Linsenachse 25 wird als θy bezeichnet.
Wenn die Bildhöhen in x- und y-Richtung auf der Bildfläche des Lichtstrahls, der durch die Linse 14 übertragen wird, jeweils als x und y bezeichnet werden, wird eine Beziehung von x = fθx und y = fθy hergestellt.
Wenn also eine Position, an der das Verarbeitungslaserlicht 11 die Verarbeitungsfläche 19 erreicht, als (x, y) bezeichnet wird, ist (x, y) = (fθx, fθy).
Des Weiteren ändert sich ein Emissionswinkel des vom Spiegel 13 reflektierten Lichts, wenn das Licht auf den Spiegel 13 fällt, um einen Winkelbetrag, der doppelt so groß ist wie der Operationsbetrag des ersten Spiegels 13.
Wenn der Operationsbetrag des ersten Spiegels 13 als (φx, φy) bezeichnet wird, wird daher eine Beziehung von (2φx, 2φy) = (θx, θy) hergestellt. In der folgenden Beschreibung werden die Operationsbeträge (φx, φy) des ersten Spiegels 13 als „Abtastwinkel“ bezeichnet.
Wenn also die Abtastwinkel (φx, φy) des ersten Spiegels 13 bestimmt werden, bestimmt die Laserverarbeitungsapparatur 1 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform auch eine Ankunftsposition des Verarbeitungslaserlichts 11 auf der Verarbeitungsfläche 19, d. h. die Position (x, y) des Verarbeitungspunkts 20.
Wie oben beschrieben, ist der Abtastwinkel eindeutig durch die Position des Verarbeitungspunktes 20 bestimmt, und ebenso ist ein Korrekturbetrag ebenfalls eindeutig durch die Position des Verarbeitungspunktes 20 bestimmt.
Daher werden Daten (Korrekturzahl-Tabellendaten) zur Korrektur einer Abweichung des Messlichts 15 aufgrund einer chromatischen Vergrößerungsaberration vorab berechnet, und die Laserverarbeitungsapparatur 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform betreibt die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 um den Korrekturbetrag, der der Position des Verarbeitungspunkts 20 entspricht, indem sie die Korrekturzahl-Tabellendaten bei der Bearbeitung des Werkstücks 18 verwendet. Die Korrekturzahl-Tabellendaten stellen eine entsprechende Beziehung zwischen einem Abtastwinkel und einem Korrekturbetrag für jeden Verarbeitungspunkt 20 dar.
Einzelheiten der Korrekturzahl-Tabellendaten
Im Folgenden werden die Spuren des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 auf der Verarbeitungsfläche 19, die die Voraussetzung für die Berechnung des Korrekturbetrags sind, unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
4 ist ein Diagramm, das schematisch die Spuren des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 auf der Verarbeitungsfläche 19 zeigt, wenn eine Oberfläche (Verarbeitungsfläche 19) des Werkstücks 18 gitterförmig abgetastet wird, indem nur der erste Spiegel 13 ohne Messlicht-Ablenkungseinheit 17 betrieben wird.
4 zeigt einen Zustand, in dem die Verarbeitungsfläche 19 von der Seite der Linse 14 aus betrachtet wird. Ein orthogonales gitterförmiges Muster in Form einer durchgezogenen Linie in 4 stellt eine Spur (Verarbeitungslaserlicht-Spur 28) des Verarbeitungslaserlichts 11 dar. Ein orthogonales gitterförmiges Muster einer gestrichelten Linie in 4 stellt eine Spur (Messlichtspur 27) des Messlichts 15 dar.
Die orthogonalen gitterförmigen Muster sind Spuren, wenn eine Oberfläche (Verarbeitungsfläche 19) des Werkstücks 18 in einer Gitterform abgetastet wird, indem nur der erste Spiegel 13 ohne die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 betrieben wird.
In dem in 4 dargestellten Beispiel ist die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 nicht in Betrieb, und dadurch wird eine chromatische Vergrößerungsabweichung nicht korrigiert. Daher stimmen in der Nähe des in den 1 bis 3 dargestellten Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 die Spuren überein, aber die Abweichung zwischen beiden Lichtern nimmt mit zunehmendem Abstand vom Verarbeitungspunkt 26 zu.
Dabei zeichnet die Verarbeitungslichtspur 28 ein orthogonales gitterförmiges Muster ohne Verzerrung, während die Messlichtspur 27 eine verzerrte kissenförmige Spur zeichnet.
Die verzerrte Form der in 4 dargestellten Messlichtspur 27 kann entsprechend den optischen Eigenschaften der Linse 14 geändert werden.
Des Weiteren hängt der Betrag der Abweichung einer Position, die jeweils der Verarbeitungslichtspur 28 und der Messlichtspur 27 entspricht, ebenfalls von den optischen Eigenschaften und dem optischen Design der Linse 14 ab.
In einem allgemeinen Beispiel weist eine handelsübliche fθ-Linse mit einer Brennweite von 250 mm und einer Verarbeitungsfläche von etwa 200 mm Durchmesser eine Abweichung von 0,2 mm bis 0,4 mm auf, die in der Nähe des äußersten Umfangs der Verarbeitungsfläche auftritt.
Im Gegensatz dazu ist der Durchmesser der Dampfkapillare 22 (siehe beispielsweise 1), die durch das Auftreffen des Verarbeitungslaserlichts 11 auf den Verarbeitungspunkt 20 erzeugt wird, ungefähr so klein wie 0,03 mm bis 0,2 mm, obwohl der Durchmesser von der Leistung und Qualität des Verarbeitungslaserlichts abhängt.
Daher erreicht das Messlicht 15 aufgrund einer Positionsabweichung zwischen dem Verarbeitungslaserlicht 11 und dem Messlicht 15, die durch eine chromatische Aberration der Linse 14 verursacht wird, nicht die Bodenfläche der Dampfkapillare 22, und eine korrekte Eindringtiefe kann nicht gemessen werden.
4 zeigt ein orthogonales gitterförmiges Muster aus 4x4 Quadraten in gleichen Abständen, aber die Form des gitterförmigen Musters ist nicht darauf beschränkt.
Beispielsweise kann die Anzahl der Quadrate des orthogonalen gitterförmigen Musters erhöht werden, oder ein Intervall zwischen den Gittern in einem Bereich, der eine besonders hohe Genauigkeit erfordert, kann in Bezug auf die chromatische Aberrationscharakteristik der fθ-Linse reduziert werden.
Des Weiteren kann ein radiales Gittermuster anstelle des orthogonalen Gittermusters eingestellt werden. In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird der Korrekturbetrag jedoch auf zwei Achsen, der x-Achse und der y-Achse, eingestellt, und daher ist das orthogonale Gitterformmuster vorzuziehen.
Vergleicht man die Verarbeitungslichtspur 28 mit der in 4 dargestellten Messlichtspur 27, so ist zu erkennen, dass in den jeweiligen korrespondierenden Gitterpunkten in den jeweiligen orthogonalen Gitterformmustern eine Abweichung auftritt. Das heißt, es ist zu erkennen, dass es eine Abweichung zwischen dem Verarbeitungslichtspur-Punkt 30 an einer bestimmten Stelle auf der Verarbeitungslichtspur 28 und dem entsprechenden Messlicht-Gitterpunkt 29 der Messlichtspur 27 gibt.
Um die Korrekturzahl-Tabellendaten zu erzeugen, muss der Korrekturbetrag so berechnet werden (Rasterpunkt des Rasterformmusters wird auf eine Zielposition gesetzt), dass ein Verarbeitungslicht-Gitterpunkt 30 an der bestimmten Stelle auf der Verarbeitungslichtspur 28 und der entsprechende Messlicht-Gitterpunkt 29 der Messlichtspur 27 übereinstimmen.
Verfahren zur Berechnung des Korrekturbetrags
Als nächstes wird ein Verfahren zum Berechnen eines Korrekturbetrags am Verarbeitungslichtgitterpunkt 30 beschrieben. 5 ist eine Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel der Strahlpositionsmesseinheit 38 zeigt, die zur Berechnung des Korrekturbetrags am Verarbeitungslichtgitterpunkt 30 verwendet wird.
Die Strahlpositionsmesseinheit 38 ist zwischen der Linse 14 und dem Werkstück 18 installiert. Die Strahlpositionsmesseinheit 38 umfasst einen Positionsmessspiegel 39, ein zweidimensionales Abbildungselement 40 und einen Strahlabschluss 41.
Der Positionsmessspiegel 39 weist eine Funktion zur Dämpfung der Leistung des Verarbeitungslaserlichts 11 auf, teilt Licht mit einer Wellenlänge des Verarbeitungslaserlichts 11 in Reflexionslicht und Transmissionslicht auf und weist Eigenschaften auf, die Licht mit einer Wellenlänge des Messlichts 15 reflektieren.
Ein Reflexionsgrad der Wellenlänge des Verarbeitungslaserlichts 11 des Positionsmessspiegels 39 ist so eingestellt, dass die Leistung des reflektierten Verarbeitungslaserlichts 11 ungefähr gleich der Leistung des reflektierten Messlichts 15 ist.
Wenn beispielsweise ein Faserlaser, der eine Nennleistung von 1 kW oder mehr aufweist und in der allgemeinen Verarbeitung verwendet werden soll, für das Verarbeitungslaserlicht 11 ausgewählt wird, beträgt die Mindestleistung, die vom Verarbeitungslaserlicht 11 abgegeben werden kann, etwa 100 W.
Im Gegensatz dazu liegt bei Verwendung einer OCT-Lichtquelle als Messlicht 15 eine Leistung von einigen zehn mW vor. Um daher die Leistung des Verarbeitungslaserlichts 11 von 100 W auf die gleiche Größenordnung (mehrere zehn mW) wie das Messlicht 15 von mehreren zehn mW zu reduzieren, wird der Reflexionsgrad der Wellenlänge des Verarbeitungslaserlichts 11 des Positionsmessspiegels 39 vorzugsweise auf 0,1 % oder weniger eingestellt.
In der Zwischenzeit muss das Messlicht 15 nicht abgeschwächt werden, und daher wird der Reflexionsgrad der Wellenlänge des Messlichts 15 des Positionsmessspiegels 39 vorzugsweise auf 90 % oder mehr eingestellt.
Das zweidimensionale Abbildungselement 40 weist die Funktion auf, Positionen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 zu messen. Das zweidimensionale Abbildungselement 40 kann ein beliebiger Sensor sein, solange der Sensor eine Empfindlichkeit für die Wellenlängen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 aufweist, und eine handelsübliche Industriekamera, die ein Element wie ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD), ein komplementäres Metalloxid-Halbleiterelement (CMOS) oder Indiumgalliumarsenid (InGaAs), einen zweidimensionalen Strahlprofilierer oder Ähnliches umfasst, kann dafür verwendet werden.
Der Strahlabschluss 41 weist die Funktion auf, das Verarbeitungslaserlicht 11, das durch den Positionsmessspiegel 39 übertragen wird, zu beenden.
Verarbeitungslaserlicht 11 und Messlicht 15, die durch die Linse 14 hindurchgehen, werden aufgeteilt in Verarbeitungslaserlicht 11a und Messlicht 15a, die vom Positionsmessspiegel 39 reflektiert werden, und Verarbeitungslaserlicht 11b, das durch den Positionsmessspiegel 39 hindurchgeht.
Das durch den Positionsmessspiegel 39 hindurchtretende Verarbeitungslaserlicht 11b wird durch den Strahlabschluss 41 beendet.
In der Zwischenzeit werden das Verarbeitungslaserlicht 11a und das vom Positionsmessspiegel 39 reflektierte Messlicht 15a in das zweidimensionale Abbildungselement 40 eingegeben. Das zweidimensionale Abbildungselement 40 misst die Positionen des eingegebenen Verarbeitungslaserlichts 11a und des eingegebenen Messlichts 15a.
In einem Abschnitt von der Linse 14 zum zweidimensionalen Abbildungselement 40 ist kein optisches Element zum Durchlassen von Licht angeordnet, und nur das vom Positionsmessspiegel 39 reflektierte Licht wird in den Abschnitt geleitet.
Des Weiteren entsprechen die optischen Weglängen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 von der Linse 14 zum zweidimensionalen Abbildungselement 40 einer optischen Weglänge von der Linse 14 zum Verarbeitungspunkt 20, wenn die Strahlpositionsmesseinheit 38 nicht installiert ist.
Daher stimmt eine relative Positionsbeziehung des Messlichts 15, die auf einer vom zweidimensionalen Abbildungselement 40 gemessenen Position des Verarbeitungslaserlichts 11 basiert, mit einer Beziehung zwischen den Positionen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 am Verarbeitungspunkt 20 überein, wenn die Strahlpositionsmesseinheit 38 nicht installiert ist.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Berechnen eines Korrekturbetrags am Verarbeitungslichtgitterpunkt 30 veranschaulicht.
In Schritt S1 wird die Strahlpositionsmesseinheit 38 am Verarbeitungspunkt des Lichtgitters 30 installiert, in dem der Korrekturbetrag ermittelt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird das zweidimensionale Abbildungselement 40 in einer Position installiert, in der eine optische Weglänge von der Linse 14 zum zweidimensionalen Abbildungselement 40 einer optischen Weglänge von der Linse 14 zum Verarbeitungspunkt 20 entspricht, wenn die Strahlpositionsmesseinheit 38 nicht installiert ist.
In Schritt S2 wird ein Abtastwinkel des ersten Spiegels 13 so eingestellt, dass das Verarbeitungslaserlicht 11 den Verarbeitungslicht-Gitterpunkt 30 erreicht, in dem der Korrekturbetrag erhalten wird.
In Schritt S3 wird Verarbeitungslaserlicht 11 zugeführt, und eine Ankunftsposition, an der Verarbeitungslaserlicht 11 das zweidimensionale Abbildungselement 40 erreicht, wird unter Verwendung der Strahlpositionsmesseinheit 38 ermittelt.
Zu diesem Zeitpunkt wird eine Leistung beim Anwenden des Verarbeitungslaserlichts 11 vorzugsweise auf 10 % oder mehr einer Nennleistung des Laseroszillators 5 eingestellt. Insbesondere wenn der Laseroszillator 5 ein Faserlaser ist, ist ein Fall, in dem die Leistung auf weniger als 10 % der Nennleistung eingestellt ist, ein Fall, in dem ein Oszillationszustand eines Lasers instabil ist, und dies liegt daran, dass die Ankunftsposition, an der das Verarbeitungslaserlicht 11 das zweidimensionale Abbildungselement 40 erreicht, nicht genau gemessen werden kann.
In Schritt S4 wird Messlicht 15 aufgebracht, und eine Ankunftsposition, an der Messlicht 15 das zweidimensionale Abbildungselement 40 erreicht, wird unter Verwendung der Strahlpositionsmesseinheit 38 ermittelt.
In Schritt S5 wird ein Korrekturbetrag der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 unter Bezugnahme auf das Messergebnis des zweidimensionalen Abbildungselements 40 der Strahlpositionsmesseinheit 38 so berechnet, dass die in Schritt S3 erhaltene Ankunftsposition des Verarbeitungslaserlichts 11 mit der Ankunftsposition des Messlichts 15 übereinstimmt. Der Korrekturbetrag wird beispielsweise von der Steuerung 6 berechnet.
Der Korrekturbetrag am Verarbeitungslichtgitterpunkt 30 kann nach dem oben beschriebenen Verfahren berechnet werden. Durch die Berechnung des Korrekturbetrags kann eine Ausgabe des Verarbeitungslaserlichts 11, das in das zweidimensionale Abbildungselement 40 eingegeben wird, an eine Ausgabe des Messlichts 15 angenähert werden, und somit kann das gleiche zweidimensionale Abbildungselement 40 verwendet werden.
Im Allgemeinen muss ein anderes zweidimensionales Abbildungselement 40 verwendet werden, wenn eine Position des Laserlichts, das eine signifikant unterschiedliche Leistung aufweist, durch das zweidimensionale Abbildungselement 40 gemessen wird, entsprechend der Leistung.
Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zur Berechnung des Korrekturbetrags muss das zweidimensionale Abbildungselement 40 nicht ausgetauscht werden, wenn die Ankunftspositionen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 gemessen werden, und ein Installationsfehler des zweidimensionalen Abbildungselements 40 kann eliminiert werden. Daher können die Ankunftspositionen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 genau ermittelt werden.
Des Weiteren umfasst ein optischer Pfad von der Linse 14 zum zweidimensionalen Abbildungselement 40 nur einen optischen Pfad, durch den reflektiertes Licht läuft, ohne einen optischen Pfad zu umfassen, durch den Licht läuft, das durch eine optische Komponente übertragen wird, wodurch es nicht durch Brechung oder chromatische Aberration eines Glasmaterials beeinflusst wird. Daher können die Ankunftspositionen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 genau ermittelt werden.
Obwohl ein Positionsmessspiegel 39 für die in 5 dargestellte Strahlpositionsmesseinheit 38 verwendet wird, ist die Anzahl der Positionsmessspiegel 39 nicht auf einen beschränkt und kann zwei oder mehr betragen.
7 ist eine Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel der Strahlpositionsmesseinheit 38 zeigt, die zwei Positionsmessspiegel 39a und 39b umfasst.
Die beiden Positionsmessspiegel 39a und 39b sind in Richtung der x-Achse voneinander getrennt und parallel zueinander angeordnet.
Verarbeitungslaserlicht 11 und Messlicht 15 werden aufgeteilt in Verarbeitungslaserlicht 11a und Messlicht 15a, das vom Positionsmessspiegel 39a reflektiert wird, und Verarbeitungslaserlicht 11c, das durch den Positionsmessspiegel 39a hindurchgeht.
Verarbeitungslaserlicht 11a wird aufgeteilt in Verarbeitungslaserlicht 11b, das vom Positionsmessspiegel 39b reflektiert wird, und Verarbeitungslaserlicht 11d, das durch den Positionsmessspiegel 39b übertragen wird. Verarbeitungslaserlicht 11b wird in das zweidimensionale Abbildungselement 40 eingespeist.
Messlicht 15a wird dem zweidimensionalen Abbildungselement 40 als Messlicht 15b zugeführt, das vom Positionsmessspiegel 39b reflektiert wird.
Zu diesem Zeitpunkt umfasst ein optischer Pfad vom Positionsmessspiegel 39a zum zweidimensionalen Abbildungselement 40 nur einen optischen Pfad, durch den reflektiertes Licht läuft, ohne einen optischen Pfad zu umfassen, durch den Licht läuft, das durch eine optische Komponente hindurchgeht.
Des Weiteren ist das zweidimensionale Abbildungselement 40 in einer Position installiert, in der die optische Weglänge von der Linse 14 zum zweidimensionalen Abbildungselement 40 der optischen Weglänge von der Linse 14 zum Verarbeitungspunkt 20 entspricht, wenn die Strahlpositionsmesseinheit 38 nicht installiert ist.
Verarbeitungslaserlicht 11c, das durch den Positionsmessspiegel 39a hindurchgeht, wird durch den Strahlabschluss 41a beendet.
Verarbeitungslaserlicht 11d, das durch den Positionsmessspiegel 39b hindurchgeht, wird durch den Strahlabschluss 41b beendet.
Durch die Kombination einer Vielzahl von Positionsmessspiegeln 39a und 39b wird die Leistung des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15, das das zweidimensionale Abbildungselement 40 erreicht, in gleichem Maße angepasst.
Die in 5 und 7 dargestellten Strahlpositionsmesseinheiten 38 umfassen Positionsmessspiegel 39 als optische Elemente zur Reflexion des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15, wobei die Positionsmessspiegel 39 jeweils mit einem Totalreflexionsspiegel kombiniert werden können. Selbst wenn der Totalreflexionsspiegel damit kombiniert ist, umfasst ein optischer Pfad von der Linse 14 zum zweidimensionalen Abbildungselement 40 nur einen optischen Pfad, durch den reflektiertes Licht läuft, ohne einen optischen Pfad zu umfassen, durch den Licht läuft, das durch eine optische Komponente hindurchgeht.
Die in 5 und 7 dargestellten Formen der Positionsmessspiegel 39 sind nicht auf eine flache Plattenform beschränkt, und die Positionsmessspiegel 39 können flache Reflexionsflächen aufweisen, an denen Verarbeitungslaserlicht 11 und Messlicht 15 reflektiert werden.
Die in 5 und 7 dargestellten Strahlpositionsmesseinheiten 38 weisen Strahlabschlüsse 41 auf, aber die Strahlabschlüsse 41 können entfallen, wenn es kein Sicherheitsproblem gibt.
Obwohl das Werkstück 18 in 5 der Einfachheit halber dargestellt ist, kann das Werkstück 18 weggelassen werden, da das Werkstück 18 bei der Berechnung des oben beschriebenen Korrekturbetrags nicht verwendet wird.
Die Winkel der optischen Achse des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15, die auf die Strahlpositionsmesseinheit 38 einfallen, werden in Abhängigkeit von der Position des Verarbeitungslichtgitterpunkts 30 geändert. Daher kann die Strahlpositionsmesseinheit 38 des Weiteren einen Mechanismus zum Einstellen eines Winkels des Positionsmessspiegels 39 und einen Mechanismus zum Einstellen einer Position des zweidimensionalen Abbildungselements 40 umfassen, um Verarbeitungslaserlicht 11 und Messlicht 15 in das zweidimensionale Abbildungselement 40 einzugeben.
Die Strahlpositionsmesseinheit 38 kann in die Laserverarbeitungsapparatur 1 als eine Funktion der Laserverarbeitungsapparatur 1 eingebaut sein oder in eine andere Einheit außerhalb der Laserverarbeitungsapparatur 1 eingebaut sein.
Wenn die Strahlpositionsmesseinheit 38 in die Laserverarbeitungsapparatur 1 eingebaut ist, kann das zweidimensionale Abbildungselement 40 mit der Steuerung 6 verbunden sein, und die Steuerung 6 kann die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 basierend auf einem Messergebnis des zweidimensionalen Abbildungselements 40 steuern, und die Steuerung 6 kann so konfiguriert sein, dass sie einen Korrekturbetrag der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 berechnet.
Das oben beschriebene Verfahren zur Berechnung des Korrekturbetrags ist geeignet, wenn im Verarbeitungskopf 2 ein Laser (beispielsweise ein Monomode-Faserlaser oder dergleichen) verwendet wird, der eine ausgezeichnete Strahlqualität aufweist.
Bei einem Singlemode-Faserlaser beträgt der Strahldurchmesser des Verarbeitungslaserlichts 11 am Verarbeitungspunkt 20 50µm oder weniger, und es ist eine hohe Genauigkeit des Korrekturbetrags (10µm oder weniger) erforderlich, und zwar deshalb, weil der für einen Singlemode erforderliche Korrekturbetrag im Verfahren zur Berechnung des Korrekturbetrags berechnet werden kann.
Verfahren zum Erzeugen von Korrekturzahl-Tabellendaten
Als nächstes wird ein Verfahren zur Erzeugung von Korrekturzahl-Tabellendaten unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. 8 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren zur Erzeugung der Korrekturzahl-Tabellendaten illustriert.
In Schritt S11 stellt die Steuerung 6 ein gitterförmiges Muster ein (beispielsweise die in 4 dargestellte Verarbeitungslichtspur 28), das einen Bereich darstellt, in dem die Laserbearbeitung auf der Verarbeitungsfläche 19 des temporären Werkstücks 18 (beispielsweise eine flache Metallplatte) durchgeführt wird. Das temporäre Werkstück 18 wird für die Erfassung der Korrekturzahl-Tabellendaten verwendet.
Des Weiteren wählt die Steuerung 6 einen Verarbeitungslichtgitterpunkt aus einer Vielzahl von Verarbeitungslichtgitterpunkten aus, die in dem Gitterformmuster umfasst sind.
In Schritt S12 berechnet die Steuerung 6 einen Korrekturbetrag durch Ausführen einer Reihe von in 6 dargestellten Prozessen unter Verwendung der Strahlpositionsmesseinheit 38.
In Schritt S13 verknüpft die Steuerung 6 den in Schritt S12 berechneten Korrekturbetrag mit einem Abtastwinkel, wenn der Korrekturbetrag berechnet wird, und speichert das zugehörige Ergebnis in Speicher 31 als Korrekturzahl-Tabellendaten.
Danach führt die Steuerung 6 einen Prozess des Schrittes S14 aus. In Schritt S14 bestimmt die Steuerung 6, ob das Speichern der Korrekturzahl-Tabellendaten für alle der Vielzahl von Verarbeitungs-Lichtgitterpunkten, die in dem in Schritt S11 festgelegten Gitterformmuster umfasst sind, abgeschlossen ist oder nicht.
In Schritt S14, wenn das Speichern der Korrekturzahl-Tabellendaten nicht für alle Verarbeitungs-Lichtgitterpunkte abgeschlossen ist (Schritt S14: NEIN), führt die Steuerung 6 einen Prozess von Schritt S15 aus.
In Schritt S15 wählt die Steuerung 6 einen neuen Verarbeitungs-Lichtgitterpunkt aus (d.h. einen Verarbeitungs-Lichtgitterpunkt, in dem das Speichern der Korrekturzahl-Tabellendaten nicht durchgeführt wird), und wiederholt dann die Prozesse nach Schritt S12.
In Schritt S14, wenn das Speichern der Korrekturzahl-Tabellendaten für alle Verarbeitungs-Lichtgitterpunkte abgeschlossen ist (Schritt S14: JA), beendet die Steuerung 6 eine Reihe von Prozessen. Die Korrekturzahl-Tabellendaten werden durch eine Reihe von Prozessen gewonnen.
Wenn das in Schritt S11 eingestellte Gitterformmuster das in 4 dargestellte 4x4-Gitterformmuster ist, werden nur die Korrekturzahl-Tabellendaten an 16 Verarbeitungs-Lichtgitterpunkten erzeugt. Es ist vorzuziehen, mehr Korrekturzahl-Tabellendaten zu erzeugen, indem ein Gitterformmuster eingestellt wird, das 16 oder mehr Verarbeitungs-Lichtgitterpunkte umfasst.
Doch selbst wenn viele Korrekturzahl-Tabellendaten erzeugt werden, kann ein Abtastwinkel des ersten Spiegels 13 auf einen beliebigen Wert eingestellt werden, solange der Abtastwinkel innerhalb eines Betriebsbereichs eines Mechanismus liegt, und daher stimmt der Abtastwinkel möglicherweise nicht mit den Korrekturzahl-Tabellendaten überein. In diesem Fall muss der Korrekturbetrag durch Interpolation der Korrekturzahl-Tabellendaten ermittelt werden. Ein Verfahren zur Interpolation der Korrekturzahl-Tabellendaten, um den Korrekturbetrag zu erhalten, wird im Folgenden beschrieben.
Verarbeitung von Daten
Als nächstes werden die Verarbeitungsdaten beschrieben, die für die Verarbeitung des Werkstücks 18 verwendet werden.
Im verwandten Stand der Technik umfasst eine Laserverarbeitungsapparatur, die eine fθ-Linse und einen Galvano-Spiegel umfasst, eine Steuerung, die einen Laseroszillator und einen Galvano-Spiegel unter Verwendung einer Vielzahl von Verarbeitungsdaten steuert, die in Zeitreihen eingestellt sind. Die Bearbeitung wird in Zeitserien an jedem Verarbeitungspunkt auf einer Oberfläche eines Werkstücks durchgeführt. Bei der Vielzahl von Bearbeitungsdaten handelt es sich beispielsweise um Daten, in denen ein Ausgangsbefehlswert an den Laseroszillator und Datenelemente eines Abtastwinkels und einer Bearbeitungsgeschwindigkeit für jeden Verarbeitungspunkt eingestellt sind.
In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform werden der Ausgabebefehlswert (auch als Laserausgangsdaten bezeichnet) an den Laseroszillator 5, eine Position (auch als Bearbeitungspunktposition bezeichnet) des Verarbeitungspunkts 20 und ein Abtastwinkel zu den Datenelementen der von der Laserverarbeitungsapparatur 1 verwendeten Verarbeitungsdaten addiert, und der oben beschriebene Korrekturbetrag wird dazu addiert.
In der folgenden Beschreibung werden die Bearbeitungsdaten, zu denen der Korrekturbetrag als Datenelement hinzugefügt wird, als „korrigierte Bearbeitungsdaten“ bezeichnet.
Ein Beispiel für die korrigierten Verarbeitungsdaten wird unter Bezugnahme auf beschrieben. 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für Datenelemente zeigt, die in den korrigierten Bearbeitungsdaten umfassen.
Die korrigierten Bearbeitungsdaten umfassen die Datennummer k, die Laserausgangsdaten L_k, die Position des Verarbeitungspunkts x_k, die Position des Verarbeitungspunkts y_k, den Abtastwinkel φx_k, den Abtastwinkel φy_k, den Korrekturbetrag Ψx_k und den Korrekturbetrag Ψy_k als Datenelemente.
Die Datennummer k bezeichnet eine Sequenz der Verarbeitungsdaten, k stellt eine ganze Zahl von 1 oder mehr dar. Ein tiefgestelltes k, das an jedes Datenelement mit Ausnahme der Datennummer k angehängt ist, stellt ein Datenelement dar, das einer k-ten Datennummer entspricht.
Laserausgangsdaten L_k geben einen Ausgangsbefehlswert an den Laseroszillator 5 an.
Verarbeitungspunkt Position x_k gibt eine Position des Verarbeitungspunkts 20 in Richtung der x-Achse an.
Verarbeitungspunktposition y_k zeigt eine Position des Verarbeitungspunkts 20 in y-Achsenrichtung an.
Abtastwinkel φx_k gibt einen Abtastwinkel des ersten Spiegels 13 an, der eine Abtastung in x-Achsenrichtung durchführt.
Abtastwinkel φy_k gibt einen Abtastwinkel des ersten Spiegels 13 an, der eine Abtastung in y-Achsen-Richtung durchführt.
Korrekturbetrag Ψx_k gibt einen Korrekturbetrag der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 an, die eine Korrektur einer Position des Messlichts 15 in der x-Achsenrichtung durchführt.
Der Korrekturbetrag Ψy_k gibt einen Korrekturbetrag der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 an, der eine Positionskorrektur des Messlichts 15 in Richtung der y-Achse vornimmt.
Der Abtastwinkel der korrigierten Verarbeitungsdaten ist ein Beispiel für einen ersten Befehlswert. Der Korrekturbetrag der korrigierten Verarbeitungsdaten ist ein Beispiel für einen zweiten Befehlswert.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Erzeugung von Verarbeitungsdaten mit Bezug auf 10 beschrieben. 10 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Erzeugung der Verarbeitungsdaten.
In Schritt S21 setzt die Steuerung 6 die Datennummer k auf Null. Die Datennummer k wird einem Bereich zugewiesen, der die Bearbeitungsdaten im Speicher 31 speichert.
In Schritt S22 setzt die Steuerung 6 die Laserausgangsdaten L_k, die Verarbeitungspunktposition x_k und die Verarbeitungspunktposition y_k im Bereich der Datennummer k im Speicher 31.
Die Werte werden von einem Benutzer der Laserverarbeitungsapparatur 1 mit Hilfe eines Bedienelements (beispielsweise einer Tastatur, einer Maus, eines Touchpanels oder dergleichen) (nicht dargestellt) eingestellt, um eine gewünschte Laserbearbeitung zu realisieren.
In Schritt S23 berechnet die Steuerung 6 die Abtastwinkel φx_k und φy_k des ersten Spiegels 13 auf Basis der in Schritt S22 eingestellten Verarbeitungspunktpositionen x_k und y_k und speichert die berechneten Abtastwinkel φx_k und φy_k im Bereich der Datennummer k im Speicher 31.
Wenn eine Brennweite der Linse 14 f ist, besteht eine Beziehung von (x_k, y_k) = (2f - φx_k, 2f - φy_k) zwischen den Verarbeitungspunktpositionen und den Abtastwinkeln, und somit werden die Abtastwinkel automatisch basierend auf den Verarbeitungspunktpositionen bestimmt.
Eine Beziehungsgleichung zwischen den Positionen der Verarbeitungspunkte und den Abtastwinkeln, eine entsprechende Zahlentabelle und Ähnliches kann zuvor von einem Benutzer festgelegt werden. In diesem Fall können die Abtastwinkel φx_k und φy_k des ersten Spiegels 13 unter Verwendung der Beziehungsgleichung zwischen den Verarbeitungspunktpositionen und den Abtastwinkeln, der entsprechenden Zahlentabelle und dergleichen bestimmt werden.
In Schritt S24 bestimmt die Steuerung 6, ob die Einstellung der Verarbeitungsdaten für alle Datennummern k abgeschlossen ist oder nicht.
In Schritt S24, wenn die Einstellung der Verarbeitungsdaten für alle Datennummern k nicht abgeschlossen ist (Schritt S24: NEIN), führt die Steuerung 6 einen Prozess von Schritt S25 aus.
In Schritt S25 erhöht die Steuerung 6 die Datennummer k, auf die Bezug genommen werden soll, um eins, und wiederholt dann die Vorgänge von Schritt S22 und den nachfolgenden Schritten.
In Schritt S24, wenn die Einstellung der Verarbeitungsdaten für alle Datennummern k abgeschlossen ist (Schritt S24: YES), beendet die Steuerung 6 eine Reihe von Prozessen.
Durch die oben beschriebenen Prozesse werden die Verarbeitungsdaten für alle Datennummern k eingestellt.
Verfahren zur Einstellung des Korrekturbetrages
Als nächstes wird ein Verfahren zum Einstellen eines Korrekturbetrags für jede Verarbeitungspunktposition für die Verarbeitungsdaten beschrieben, die durch den Ablauf von 10 eingestellt wurden.
Zunächst wird eine Konfiguration von Korrekturzahl-Tabellendaten einer Verarbeitungspunktposition unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. 11 ist ein Diagramm, in dem die Korrekturzahl-Tabellendaten 34 einer Verarbeitungspunktposition schematisch dargestellt sind.
In 11 ist der korrigierte Verarbeitungsdatensatz für jeden Verarbeitungs-Lichtgitterpunkt auf der Verarbeitungsfläche 19 schematisch als eine Vielzahl von Datenpunkten 32 dargestellt.
Wie oben beschrieben, umfasst der in 11 dargestellte Datenpunkt 32 eine Position (d. h. eine Verarbeitungspunktposition) auf der Verarbeitungsfläche 19, einen Abtastwinkel und einen Korrekturbetrag.
Der in 11 dargestellte Korrekturdatenpunkt 33 entspricht dem ursprünglichen Verarbeitungspunkt 26 auf der Verarbeitungsfläche 19.
In der folgenden Beschreibung werden die Positionen der jeweiligen Datennummern 32 der Korrekturzahl-Tabelle 34 der Verarbeitungspunkte der Einfachheit halber durch Abtastwinkel (φx, φy) dargestellt.
Es wird angenommen, dass eine Datennummer in einer Richtung, die einem Abtastwinkel φx entspricht, i und eine Datennummer in einer Richtung, die einem Abtastwinkel φy entspricht, j ist.
Die jeweiligen Datenpunkte 32 enthalten Φ_Xi, Φy_j, Ψx_ij, Ψ_yij), die eine Menge von Korrekturzahl-Tabellen-Abtastwinkeln (Φx_i, Φy_j) und Korrekturzahl-Tabellen-Korrekturbeträgen (Ψx_ij, Ψy_ij) sind.
Korrekturzahlentabelle Abtastwinkel (Φ_Xi, Φy_j) umfassen Elemente der Abtastwinkel (φx, φy).
Als Nächstes wird der Ablauf des Verfahrens zur Einstellung des Korrekturbetrags unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. 12 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren zur Einstellung des Korrekturbetrags veranschaulicht.
In Schritt S31 stellt die Steuerung 6 die Datennummer k so ein, dass sie auf Null bezogen wird.
In Schritt S32 vergleicht die Steuerung 6 Abtastwinkel (φx_k, φy_k), die in einem Bereich der Datennummer k im Speicher 31 gespeichert sind, mit allen Korrekturzahl-Tabellen-Abtastwinkeln (Φx_i, Φy_j) in der Korrekturzahl-Tabelle 34 der Verarbeitungspunktpositionen. Dabei ermittelt die Steuerung 6, ob es Datennummern i und j gibt, die Beziehungen von φx_k = Φx_i und φy_k = Φy_j aufweisen oder nicht.
Das heißt, in Schritt S32 wird bestimmt, ob es ein Datenelement gibt, das einen Abtastwinkel umfasst, der genau mit einem Abtastwinkel übereinstimmt, der von einem Benutzer in der Korrekturzahl-Tabelle 34 der Verarbeitungspunkte eingestellt wurde.
In Schritt S32, wenn es Datennummern i und j gibt, die die Beziehungen von φx_k = Φx_i und φy_k = Φy_j aufweisen (Schritt S32: JA), führt die Steuerung 6 einen Prozess von Schritt S33 aus.
In Schritt S32, wenn es keine Datennummern i und j gibt, die Beziehungen von φx_k = Φx_i und φy_k = Φy_j aufweisen (Schritt S32: NEIN), führt die Steuerung 6 einen Prozess von Schritt S34 aus.
In Schritt S33 stellt die Steuerung 6 den Korrekturbetrag als (Ψx_k, Ψy_k) = (Ψx_ij, Ψy_ij) ein, indem sie die Datennummern i und j verwendet, die die Beziehungen φx_k = Φx_i und φy_k = Φy_j aufweisen.
Das heißt, im vorliegenden Schritt S33 gibt es das Datenelement, das den Abtastwinkel umfasst, der genau mit dem vom Benutzer eingestellten Abtastwinkel übereinstimmt, ein entsprechender Korrekturzahl-Tabellen-Korrekturbetrag wird als der Korrekturbetrag eingestellt, wie er ist.
In Schritt S34 führt die Steuerung 6 eine Interpolation unter Verwendung von Daten der nächstgelegenen vier Punkte, die Abtastwinkel (φx_k, φy_k) umgeben, die vom Benutzer in der Korrekturnummern-Tabelle 34 der Verarbeitungspunkt-Positionen eingestellt wurden, durch und setzt den Korrekturbetrag (Ψx_k, Ψy_k). Einzelheiten zu Schritt S34 werden weiter unten beschrieben.
In Schritt S35 setzt (speichert) die Steuerung 6 den in Schritt S33 oder Schritt S34 eingestellten Korrekturbetrag (Ψx_k, Ψy_k) in einem Bereich der Datennummer k der Verarbeitungsdaten im Speicher 31.
In Schritt S36 bestimmt die Steuerung 6, ob die Einstellung des Korrekturbetrags für alle im Speicher 31 gespeicherten Verarbeitungsdaten abgeschlossen ist oder nicht.
In Schritt S36, wenn die Einstellung des Korrekturbetrags für alle Verarbeitungsdaten nicht abgeschlossen ist (Schritt S36: NEIN), führt die Steuerung 6 einen Prozess des Schritts S37 aus.
In Schritt S37 erhöht die Steuerung 6 die Datennummer k, auf die Bezug genommen werden soll, um eins, und wiederholt dann den Prozessschritt S32 und die nachfolgenden Schritte.
In Schritt S37, wenn die Einstellung des Korrekturbetrags für alle Verarbeitungsdaten abgeschlossen ist (Schritt S36: JA), beendet die Steuerung 6 eine Reihe von Prozessen.
Durch die oben beschriebenen Prozesse werden Korrekturbeträge für alle Datennummern k in den Verarbeitungsdaten eingestellt, die durch den Ablauf von 10 eingestellt wurden. Das heißt, die korrigierten Verarbeitungsdaten werden erzeugt.
Einzelheiten zum Interpolationsprozess
Als nächstes wird der in 12 dargestellte Schritt S34 (Interpolationsprozess) ausführlich beschrieben. Der Interpolationsprozess von Schritt S34 wird durchgeführt, wenn die vom Benutzer eingestellten Abtastwinkel (φx_k, φy_k) mit keinem der Abtastwinkel der Korrekturzahl-Tabelle (Φx_i, Φy_j) in den Datenpunkten 32 übereinstimmen.
13 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abtastwinkel X und einem Korrekturdatenpunkt darum herum veranschaulicht, wenn der Abtastwinkel X, der von einem Benutzer als Verarbeitungsdaten eingestellt wurde, nicht mit einem Korrekturzahl-Tabellendaten-Abtastwinkel eines beliebigen der Datenpunkte 32 in der Korrekturzahl-Tabelle 34 der in 11 dargestellten Verarbeitungspunktpositionen übereinstimmt.
Punkte, die den Abtastwinkeln X (φx_k, φy_k, Ψx_k, Ψy_k) entsprechen, befinden sich in einem Gitter, das durch vier Korrekturdatenpunkte A bis D gebildet wird.
Ein Wert des Korrekturdatenpunkts A ist (Φ_Xi, Φy_j, Ψx_ij, Ψyij). Ein Wert des Korrekturdatenpunktes B ist (Φx_i+1, Φy_j, Wx_i + _1j, Wy_i + _1j). Ein Wert des Korrekturdatenpunkts C ist (Φx_i, Φy_j + _1j, Ψx_ij + _1j, Ψy_ij + ₁). Ein Wert des Korrekturdatenpunktes D ist (Φx_i + ₁, Φyj + ₁, Ψx_i+1j+1, Ψ_yi+1j+1).
Beziehungen von Φx_i≤ φx_k ≤ Φx_{i+ 1} (Gleichheitszeichen werden nicht gleichzeitig festgelegt) und Φy_j ≤ φy_k ≤ Φy_j _{+ 1} (Gleichheitszeichen werden nicht gleichzeitig festgelegt) werden festgelegt.
Die Korrekturbeträge (Ψxk, Ψyk) werden zu diesem Zeitpunkt durch die folgenden Gleichungen (1) und (2) unter Verwendung der Werte der Abtastwinkel X (φx_k, φy_k) und der Werte der Korrekturdatenpunkte A, B, C und D berechnet. $Ψ xk = (E \times Ψ x_{ij} + F \times Ψ x_{i + 1 j} + G \times Ψ x_{ij + 1} + H \times Ψ x_{i + 1 j + 1}) /J$
$Ψ yk = (E \times Ψ y_{ij} + F \times Ψ y_{i + 1 j} + G \times Ψ y_{ij + 1} + H \times Ψ y_{i + 1 j + 1}) /J$
E, F, G, H und J in Gleichungen (1) und (2) werden durch die folgenden Gleichungen (3) bis (7) berechnet. $E = (φ x_{k} - Φ x_{i}) \times (φ y_{k} - Φ y_{j})$
$F = (Φ x_{i + 1} - φ x_{k}) \times (φ y_{k} - Φ y_{j})$
$G = (φ x_{k} - Φ x_{i}) \times (Φ y_{j+1} - φ y_{k})$
$H = (Φ x_{i + 1} - φ x_{k}) \times (Φ y_{j + 1} - φ y_{k})$
$J = (Φ x_{i + 1} - φ x_{i}) \times (Φ y_{j + 1} - φ y_{j})$
Korrekturbeträge können auf der Basis von Abtastwinkeln, die von einem Benutzer eingestellt wurden, durch das oben beschriebene Interpolationsverfahren berechnet werden. In dem oben beschriebenen Interpolationsverfahren wird beispielhaft ein lineares Interpolationsverfahren verwendet, es können aber auch andere bekannte zweidimensionale Interpolationsverfahren (Spline-Interpolation, quadratische gekrümmte Oberflächenapproximation und dergleichen) anstelle des linearen Interpolationsverfahrens für die Interpolationsverarbeitung verwendet werden.
Des Weiteren wird eine gekrümmte Fläche hoher Ordnung für einen Korrekturbetrag für einen Abtastwinkel zuvor aus den Korrekturzahlentabellen-Korrekturbeträgen (Ψx_ij, Ψy_ij) in der Korrekturzahlentabelle 34 der Bearbeitungspunktpositionen berechnet, und ein einem Abtastwinkel entsprechender Korrekturbetrag kann berechnet werden. Die „Korrekturbeträge (Yx_ij, Wy_ij) in der Korrekturzahlentabelle 34“ repräsentieren alle Datenpunkte 32 der in 11 dargestellten Korrekturzahlentabelle 34. Als konkretes Beispiel für ein Verfahren zur Berechnung einer näherungsweise gekrümmten Fläche kann die Anpassung durch ein Verfahren der kleinsten Quadrate dargestellt werden. Zum Beispiel kann eine Gleichung z = f (a_j, x, y) (j = 0...m - 1) einer gekrümmten Oberfläche als eine approximative gekrümmte Oberfläche für einen dreidimensionalen Datensatz (x_i, y_i, z_i) (i = 1...n) erhalten werden. a_j stellt einen Koeffizienten dar. Durch Einsetzen eines Abtastwinkels in x und y des „dreidimensionalen Datensatzes (x_i, y_i, z_i)“ und Einsetzen eines Korrekturbetrages (entweder x-Koordinate oder y-Koordinate) z kann eine approximativ gekrümmte Fläche der Abtastwinkel (Φx_i, Φy_j) für den Korrekturbetrag Ψx_ij und eine approximativ gekrümmte Fläche der Abtastwinkel (Φx_i, Φy_j) für den Korrekturbetrag Wy_ij berechnet werden. So können auf Basis bestimmter Abtastwinkel Relationsgleichungen zur Ermittlung von Korrekturbeträgen abgeleitet werden.
Laserverarbeitungsverfahren
Als nächstes wird ein Laserverarbeitungsverfahren, das von der Laserverarbeitungsapparatur 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wird, unter Bezugnahme auf 14 beschrieben. 14 ist ein Flussdiagramm, das das von der Laserverarbeitungsapparatur 1 durchgeführte Laserverarbeitungsverfahren gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung illustriert.
In Schritt S41 stellt die Steuerung 6 die Datennummer k so ein, dass sie auf Null bezogen wird.
In Schritt S42 liest die Steuerung 6 korrigierte Bearbeitungsdaten (Laserausgangsdaten L_k, Abtastwinkel (φx_k, φy_k) und Korrekturbetrag (Ψx_k, Ψy_k)) entsprechend der Datennummer k aus dem Speicher 31.
In Schritt S43 betreibt die Steuerung 6 den ersten Spiegel 13 basierend auf den Abtastwinkeln (φx_k, φy_k) und betreibt die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 basierend auf dem Korrekturbetrag (Ψx_k, Ψy_k).
Konkret teilt die Steuerung 6 dem ersten Treiber 7 die Abtastwinkel (φx_k, φy_k) mit. Dadurch steuert der erste Treiber 7 den ersten Spiegel 13 basierend auf den Abtastwinkeln (φx_k, φy_k).
Des Weiteren teilt die Steuerung 6 dem zweiten Treiber 8 den Korrekturbetrag (Ψx_k, Ψy_k) mit. Dabei betreibt der zweite Treiber 8 die Messlicht-Ablenkungseinheit 17 basierend auf dem Korrekturbetrag (Ψx_k, Ψy_k).
In Schritt S44 oszilliert die Steuerung 6 das Verarbeitungslaserlicht 11 vom Laseroszillator 5 basierend auf den Laserausgangsdaten L_k.
Insbesondere sendet die Steuerung 6 die Laserausgangsdaten L_k, die einen Laserausgangswert angeben, an den Laseroszillator 5. Dabei oszilliert der Laseroszillator 5 das Verarbeitungslaserlicht 11 auf Basis der Laserausgangsdaten L_k.
In Schritt S45 bestimmt die Steuerung 6, ob die Laserbearbeitung, die allen im Speicher 31 gespeicherten Datennummern k entspricht, abgeschlossen ist oder nicht.
In Schritt S45 führt die Steuerung 6 einen Prozess von Schritt S46 aus, wenn die Laserbearbeitung, die allen Datennummern k entspricht, nicht abgeschlossen ist (Schritt S45: NEIN).
In Schritt S46 erhöht die Steuerung 6 die Datennummer k, auf die Bezug genommen werden soll, um eins und wiederholt dann die Prozesse von Schritt S42 und den nachfolgenden Schritten.
In Schritt S45, wenn die Laserbearbeitung, die allen Datennummern k entspricht, abgeschlossen ist (Schritt S45: JA), beendet die Steuerung 6 eine Reihe von Prozessen.
Durch die oben beschriebene Verarbeitung wird die Laserverarbeitung für alle Datennummern k durchgeführt.
Verfahren zur Messung der Tiefe der Dampfkapillare
Als nächstes wird der Ablauf des Verfahrens zum Messen der Tiefe der Dampfkapillare 22 bei der Durchführung des oben beschriebenen Laserverarbeitungsverfahrens unter Bezugnahme auf 15 beschrieben. 15 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren zum Messen der Tiefe der Dampfkapillare 22 veranschaulicht.
In Schritt S51 erfasst die Steuerung 6 die Positionsdaten der Verarbeitungsfläche 19 des unbearbeiteten Werkstücks 18, bevor das in 14 dargestellte Laserverarbeitungsverfahren gestartet wird.
Die Positionsdaten zeigen eine Höhe der Verarbeitungsfläche 19 in einem unbearbeiteten Zustand an (mit anderen Worten, eine Position der Verarbeitungsfläche 19 in der in 1 dargestellten z-Achsenrichtung und dergleichen). Des Weiteren gibt die Steuerung 6 einen Befehl an den Messprozessor 4 aus, um die Messung der Tiefe der Dampfkapillare 22 zu starten.
Wenn eine Reihe von Prozessen, die sich auf die in 14 dargestellte Laserbearbeitung beziehen, beginnt, gibt der Messprozessor 4 in Schritt S52 einen Befehl zum Aussenden von Messlicht 15 an das optische Interferometer 3 aus.
Das optische Interferometer 3 erzeugt ein optisches Interferenzsignal entsprechend einer optischen Wegdifferenz zwischen dem Messlicht 15, das von einer Bodenfläche der Dampfkapillare 22 reflektiert wird, und dem zurückgeworfenen und dem Referenzlicht.
In Schritt S53 berechnet der Messprozessor 4 eine Tiefe (d.h. eine Eindringtiefe) der Dampfkapillare 22 unter Verwendung der Positionsdaten der Verarbeitungsfläche 19 des unbearbeiteten Werkstücks 18 und des vom optischen Interferometer 3 erzeugten optischen Interferenzsignals. Die Steuerung 6 speichert die berechneten Daten, die die Tiefe der Dampfkapillare 22 angeben, im Speicher 31.
In Schritt S54 bestimmt die Steuerung 6, ob die Messung der Tiefe der Dampfkapillare 22 beendet werden soll oder nicht.
Beispielsweise setzt die Steuerung 6 die Messung der Tiefe der Dampfkapillare 22 fort, wenn eine Reihe von Prozessen bezüglich der Laserbearbeitung nicht abgeschlossen ist, und beendet die Messung der Tiefe der Dampfkapillare 22, wenn die Reihe von Prozessen bezüglich der Laserbearbeitung abgeschlossen ist.
In Schritt S54, wenn die Messung der Tiefe der Dampfkapillare 22 nicht endet (Schritt S54: NEIN), wiederholt die Steuerung 6 die Prozesse von Schritt S52 und den nachfolgenden Schritten.
In Schritt S54, wenn die Messung der Tiefe der Dampfkapillare 22 endet (Schritt S54: JA), führt die Steuerung 6 einen Prozess von Schritt S55 aus.
In Schritt S55 gibt die Steuerung 6 einen Befehl an den Messprozessor 4 aus, um die Messung der Tiefe der Dampfkapillare 22 zu beenden, nachdem die Reihe der Prozesse bezüglich der Laserbearbeitung abgeschlossen ist.
Der oben beschriebene Befehl zum Starten der Messung der Tiefe der Dampfkapillare 22 und der Befehl zum Beenden der Messung der Tiefe der Dampfkapillare 22 können von einer Befehlsausgabeeinheit (nicht dargestellt) ausgegeben werden, anstatt von der Steuerung 6 ausgegeben zu werden. In diesem Fall werden die Befehle ausgegeben, wenn ein Benutzer ein Befehlsausgabegerät über einen Bediener, wie beispielsweise eine Tastatur, bedient.
Effekte
Wie oben beschrieben, umfasst die Strahlpositionsmesseinheit 38 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform einen Positionsmessspiegel 39, der Verarbeitungslaserlicht 11 und Messlicht 15, das durch die Linse 14 hindurchgeht, reflektiert, und ein zweidimensionales Abbildungselement 40, das die Positionen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15, die vom Positionsmessspiegel 39 reflektiert werden, misst.
Des Weiteren ist der Positionsmessspiegel 39 auf einen Reflexionsgrad einer Wellenlänge des Verarbeitungslaserlichts 11 eingestellt, der zu einer Leistung wird, durch die das Verarbeitungslaserlicht 11 in das zweidimensionale Abbildungselement 40 eingegeben werden kann.
Des Weiteren ist das zweidimensionale Abbildungselement 40 an einer Position installiert, an der eine optische Weglänge von der Linse 14 zum zweidimensionalen Abbildungselement 40 mit einer optischen Weglänge von der Linse 14 zum Verarbeitungspunkt 20 übereinstimmt.
Des Weiteren legt die Laserverarbeitungsapparatur 1 eine Zielposition auf der Verarbeitungsfläche 19 fest und stellt einen ersten Befehlswert (Abtastwinkel der Messlicht-Ablenkungseinheit 17) ein, bei dem das Verarbeitungslaserlicht 11 eine Zielposition erreicht.
Des Weiteren ist die Laserverarbeitungsapparatur 1 so konfiguriert, dass sie einen zweiten Befehlswert (Korrekturbetrag der Messlicht-Ablenkungseinheit 17) erhält, der auf den Positionen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 basiert, die von der Strahlpositionsmesseinheit 38 gemessen werden.
Mit dieser Konfiguration können Abweichungen der Ankunftspositionen des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 auf der Verarbeitungsfläche 19 nach der Übertragung durch die Linse 14, die aufgrund einer chromatischen Vergrößerungsaberration der Linse 14 auftreten, korrigiert werden.
Dabei kann die Tiefe der Dampfkapillare 22 vorzugsweise mit dem optischen Interferometer 3 gemessen werden. Das heißt, die Tiefe der Dampfkapillare 22 kann genau gemessen werden.
16 ist ein Diagramm, das die Spuren des Verarbeitungslaserlichts 11 und des Messlichts 15 auf der Verarbeitungsfläche 19 in einem Zustand zeigt, in dem der Einfluss einer chromatischen Vergrößerungsaberration durch einen Betrieb der Messlicht-Ablenkungseinheit 17 korrigiert wird.
Gemäß 16 ist zu erkennen, dass die Verarbeitungslaserlicht-Spur 28, die die Spur des Verarbeitungslaserlichts 11 ist, mit der Messlichtspur 27 übereinstimmt, die die Spur des Messlichts 15 ist.
Des Weiteren ist zu erkennen, dass der Verarbeitungs-Lichtgitterpunkt 30 einer der bestimmten Stellen auf der Verarbeitungslichtspur 28 mit dem entsprechenden Verarbeitungs-Lichtgitterpunkt 29 der Messlichtspur 27 übereinstimmt.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die Beschreibung der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne von der Idee der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform abzuweichen. Nachfolgend wird ein Modifikationsbeispiel der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform beschrieben.
Erstes Modifikationsbeispiel
In der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem die Messlicht-Ablenkungseinheit 17, die ein Galvano-Spiegel ist, als Messlicht-Ablenkungseinheit zum Ändern einer optischen Achsenrichtung des Messlichts 15 verwendet wird, aber die vorliegende Offenbarung ist darauf nicht beschränkt.
Die Messlicht-Ablenkungseinheit, die für die Laserverarbeitungsapparatur 1 verwendet wird, ist beispielsweise zwischen dem Messlichteintritt 9 und dem dichroitischen Spiegel 12 installiert und kann eine Konfiguration aufweisen, in der die optische Achsenrichtung des Messlichts 15 durch eine Steuerung der Steuerung 6 geändert werden kann.
Ein Beispiel für die so konfigurierte Messlicht-Ablenkungseinheit ist in 17 dargestellt. 17 ist eine Ansicht, die schematisch eine Konfiguration der Laserverarbeitungsapparatur 1 gemäß einem ersten Modifikationsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Die in 17 dargestellte Laserverarbeitungsapparatur 1 umfasst einen zweiten Spiegel 35 anstelle der in 1 dargestellten Messlicht-Ablenkungseinheit 17 und dergleichen, und umfasst des Weiteren einen Bewegungstisch 36 und einen Tischtreiber 37.
Die in 17 dargestellte Laserverarbeitungsapparatur 1 umfasst nicht die in 1 dargestellte Kollimationslinse 16 und dergleichen.
Der zweite Spiegel 35 ist ein Parabolspiegel, der zwischen dem Messlichteintrag 9 und dem dichroitischen Spiegel 12 befestigt ist.
Der zweite Spiegel 35 kann ein MEMS-Spiegel (Micro Electro Mechanical Systems) oder ähnliches sein.
Am Messlichteingang 9 ist ein Bewegungstisch 36 vorgesehen. Der Treiber 37 ist elektrisch mit der Steuerung 6 verbunden und steuert den Bewegungstisch 36 basierend auf einer Anweisung der Steuerung 6. Dabei bewegt sich der Bewegungstisch 36 in Richtung der y-Achse und in Richtung der z-Achse in der Abbildung. Das heißt, eine Bewegungsrichtung des Bewegungstisches 36 ist eine biaxiale Richtung senkrecht zur optischen Messachse 23.
Ein Emissionsende des Messlichts 15 im Messlichteintritt 9 ist so angeordnet, dass es mit einem Brennpunkt des zweiten Spiegels 35 übereinstimmt. Dadurch wird das Messlicht 15 nach der Reflexion durch den zweiten Spiegel 35 zu parallelem Licht, das auf den dichroitischen Spiegel 12 gerichtet ist.
Ein Winkel der optischen Messachse 23 vom zweiten Spiegel 35 zum dichroitischen Spiegel 12 ändert sich aufgrund einer Bewegung des Bewegungstisches 36. Das heißt, die Messlicht-Ablenkungseinheit ist mit dem Bewegungstisch 36 und dem zweiten Spiegel 35 konfiguriert. Dadurch kann derselbe Effekt erzielt werden wie bei der Verwendung der Messlicht-Ablenkungseinheit 17, die ein Galvanospiegel ist.
Zweites Modifikationsbeispiel
18 ist eine Ansicht, die schematisch eine Konfiguration der Laserverarbeitungsapparatur 1 gemäß einem zweiten Modifikationsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die in 18 dargestellte Laserverarbeitungsapparatur 1 umfasst die in 1 dargestellte Kollimationslinse 16 und dergleichen anstelle des in 17 dargestellten zweiten Spiegels 35. Des Weiteren umfasst die Laserverarbeitungsapparatur 1 einen Bewegungstisch 36 und einen Tischtreiber 37. Die in 18 dargestellte Laserverarbeitungsapparatur 1 umfasst nicht die in 1 dargestellte Messlicht-Ablenkungseinheit 17 und dergleichen.
Die Laserverarbeitungsapparatur 1 gemäß dem ersten Modifikationsbeispiel verändert einen Winkel der optischen Messachse 23 unter Verwendung des zweiten Spiegels 35, während die Laserverarbeitungsapparatur 1 gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel einen Winkel der optischen Messachse 23 unter Verwendung der Kollimationslinse 16 verändert.
Am Messlichteingang 9 ist ein Bewegungstisch 36 vorgesehen. Der Treiber 37 ist elektrisch mit der Steuerung 6 verbunden und steuert den Bewegungstisch 36 auf Grundlage einer Anweisung der Steuerung 6. Dabei bewegt sich der Bewegungstisch 36 in Richtung der y-Achse und in Richtung der x-Achse. Das heißt, eine Bewegungsrichtung des Bewegungstisches 36 ist eine biaxiale Richtung senkrecht zur optischen Messachse 23.
Ein Emissionsende des Messlichts 15 im Messlichteintritt 9 ist so angeordnet, dass es mit einem Brennpunkt der Kollimationslinse 16 übereinstimmt. Dadurch wird das Messlicht 15 nach dem Durchgang durch die Kollimationslinse 16 zu parallelem Licht, das auf den dichroitischen Spiegel 12 gerichtet ist.
Ein Winkel der optischen Messachse 23 von der Kollimationslinse 16 in Richtung des dichroitischen Spiegels 12 ändert sich aufgrund einer Bewegung des Bewegungstisches 36. Das heißt, eine Messlicht-Ablenkungseinheit ist mit einem Bewegungstisch 36 und einer Kollimationslinse 16 konfiguriert. Dadurch kann der gleiche Effekt erzielt werden, wie wenn die Messlicht-Ablenkungseinheit 17, die ein Galvanospiegel ist, als Messlicht-Ablenkungseinheit verwendet wird.
Zweite beispielhafte Ausführungsform
Die veröffentlichte japanische Übersetzung Nr. 2016-538134 der internationalen PCT-Veröffentlichung offenbart ein Verfahren zum genauen Messen einer Eintrittstiefe von Laserlicht in ein Werkstück unter Verwendung von Messlicht. Diese Messung wird durch Positionierung einer Bestrahlungsposition des Laserlichts und einer Bestrahlungsposition des Messlichts auf dem Werkstück durchgeführt. Eine Laserverarbeitungsapparatur, auf die das Verfahren angewendet wird, umfasst ein optisches Element, wie beispielsweise einen Spiegel oder eine Linse, das das emittierte Laserlicht und das Messlicht auf das Werkstück leitet.
In der oben beschriebenen Laserverarbeitungsapparatur ist die Leistung des Laserlichts relativ hoch, und daher wird ein Element, das das optische Element fixiert, während eines durch das Laserlicht ausgeführten Prozesses thermisch verformt. Wenn die Bestrahlungsposition des Laserlichts und die Bestrahlungsposition des Messlichts auf dem Werkstück in diesem Zustand geändert werden, weichen die Bestrahlungsposition des Laserlichts und die Bestrahlungsposition des Messlichts auf dem Werkstück voneinander ab. Dadurch kann die Bestrahlungsposition des Laserlichts nicht genau gemessen werden.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist es, die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Laserverarbeitungsapparatur bereitzustellen, die eine hochgenaue Positionierung einer Bestrahlungsposition von Laserlicht und einer Bestrahlungsposition von Messlicht in einem Werkstück durchführt.
Um das obige Ziel zu erreichen, umfasst eine Laserverarbeitungsapparatur gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung eine Laserlichtemissionseinheit, die Laserlicht zur Bearbeitung eines Werkstücks emittiert, eine Messlichtemissionseinheit, die Messlicht zum Messen einer Bestrahlungsposition des Laserlichts auf dem Werkstück emittiert, eine Strahlpositionsmesseinheit, die eine relative Position einer optischen Achse des Messlichts in Bezug auf eine optische Achse des Laserlichts ableitet, und eine Einheit zum Ändern des optischen Wegs, die einen optischen Weg des Laserlichts und/oder des Messlichts basierend auf der von der Strahlpositionsmesseinheit abgeleiteten relativen Position ändert.
Des Weiteren ist ein optisches Justierverfahren einer Laserverarbeitungsapparatur gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein optisches Justierverfahren einer Laserverarbeitungsapparatur, die eine Laserlichtemissionseinheit, die Laserlicht auf ein Werkstück emittiert, und eine Messlichtemissionseinheit, die Messlicht zum Messen einer Bestrahlungsposition von Laserlicht auf dem Werkstück emittiert, umfasst, um das Ziel zu erreichen und umfasst das Anpassen der Bestrahlungsposition des Laserlichts und einer Bestrahlungsposition des Messlichts auf dem Werkstück aneinander, das Ableiten einer relativen Position einer optischen Achse des Messlichts in Bezug auf eine optische Achse des auf das Werkstück aufgebrachten Laserlichts und das Ändern eines optischen Pfads des Laserlichts und/oder des Messlichts basierend auf der abgeleiteten relativen Position.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Ausrichtung zwischen einer Bestrahlungsposition des Laserlichts und einer Bestrahlungsposition des Messlichts in einem Werkstück genau vorgenommen werden.
Eine Laserverarbeitungsapparatur kann des Weiteren einen Spiegel umfassen, der wenigstens Laserlicht und/oder Messlicht in Richtung des Werkstücks reflektiert, und eine Linse, die zwischen dem Spiegel und dem Werkstück angeordnet ist und das Laserlicht und das Messlicht auf dem Werkstück konvergiert. Die Strahlpositionsmesseinheit kann zwischen dem Spiegel und der Linse angeordnet sein.
Die Strahlpositionsmesseinheit kann einen Reflektor umfassen, der das Laserlicht und das Messlicht in eine andere Richtung als in Richtung des Werkstücks reflektiert, und einen Lichtempfänger, der das Laserlicht und das vom Reflektor reflektierte Messlicht empfängt. Die relative Position kann auf Basis der Einstrahlungsposition des Laserlichts und der Einstrahlungsposition des Messlichts im Lichtempfänger abgeleitet werden.
Ein Reflexionsgrad des Laserlichts des Reflektors kann so eingestellt werden, dass er kleiner oder gleich einem vorgegebenen Wert ist.
Die Strahlpositionsmesseinheit kann eine Vielzahl von Reflektoren umfassen.
Die Laserverarbeitungsapparatur kann des Weiteren eine Messeinheit umfassen, die die Tiefe eines Verarbeitungspunkts misst. Die Einheit zum Ändern des optischen Weges kann den optischen Weg des Laserlichts und/oder des Messlichts auf Grundlage der von der Messeinheit gemessenen Tiefe des Verarbeitungspunkts ändern, um die Strahlpositionsmesseinheit des Laserlichts und die Strahlpositionsmesseinheit des Messlichts auf dem Werkstück aufeinander auszurichten, und kann den optischen Weg des Laserlichts und/oder des Messlichts auf Grundlage der von der Strahlpositionsmesseinheit abgeleiteten relativen Position ändern, wenn die Strahlpositionsmesseinheit des Laserlichts und die Strahlpositionsmesseinheit des Messlichts auf dem Werkstück aufeinander ausgerichtet sind.
Bei der Messeinheit kann es sich um ein Interferometer handeln, das die Länge des optischen Weges des Messlichts auf Grundlage einer Wellenform misst, die durch eine Interferenz zwischen dem Licht, das durch Reflexion des Messlichts am Werkstück erzeugt wird, und dem Messlicht entsteht.
Nachfolgend wird die Laserverarbeitungsapparatur 201 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Beschreibung erfolgt, indem eine Oberseite und eine Unterseite in 19 als ein oberer Abschnitt bzw. ein unterer Abschnitt der Laserverarbeitungsapparatur 201, eine linke Seite und eine rechte Seite als ein linker Abschnitt bzw. ein rechter Abschnitt der Laserverarbeitungsapparatur 201 und eine Vorderseite und eine Rückseite eines Zeichnungsblatts als ein vorderer Abschnitt und ein hinterer Abschnitt der Laserverarbeitungsapparatur 201 festgelegt werden.
Die Laserverarbeitungsapparatur 201 umfasst einen Verarbeitungskopf 202, eine Messeinheit 203, einen Messprozessor 204 und einen Laseroszillator 205. Die Messeinheit 203 ist ein Beispiel für eine „Messlicht emittierende Einheit“. Der Messprozessor 204 ist ein Beispiel für eine „Messeinheit“. Der Laseroszillator 205 ist ein Beispiel für eine „Laserlichtemissionseinheit“.
Bearbeitungslicht LB, d. h. Laserlicht zur Bearbeitung des Werkstücks W, wird in den Verarbeitungskopf 202 eingegeben. Der Verarbeitungskopf 202 bewirkt, dass das eingegebene Bearbeitungslicht LB auf das in einem unteren Abschnitt des Verarbeitungskopfes 202 angeordnete Werkstück W aufgebracht wird. Des Weiteren wird dem Verarbeitungskopf 202 ein Messlicht MB zur Messung der Einstrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB auf das Werkstück W zugeführt. Der Verarbeitungskopf 202 wendet das eingegebene Messlicht MB auf das Werkstück W an.
Die Messeinheit 203 ist beispielsweise ein optisches Interferometer für die Messung der optischen Kohärenztomographie (OCT). Die Messeinheit 203 emittiert Laserlicht für die OCT-Messung als Messlicht MB. Eine Wellenlänge des Messlichts MB ist beispielsweise 1300 nm. Das emittierte Messlicht MB wird vom Messlichteintritt 206 in den Verarbeitungskopf 202 eingespeist und wandert in Richtung eines unteren Abschnitts.
Der Laseroszillator 205 oszilliert das Bearbeitungslicht LB. Das oszillierte Bearbeitungslicht LB wird dem Verarbeitungskopf 202 über den Bearbeitungslichteinlass 207 zugeführt, der in einem linken Abschnitt des Messlichteinlasses 206 angeordnet ist, und bewegt sich in Richtung des unteren Abschnitts. Das Bearbeitungslicht LB ist beispielsweise ein YAG-Laser oder ein Faserlaser. Die Wellenlänge des Bearbeitungslichts LB beträgt beispielsweise 1064 nm, was sich von der Wellenlänge des Messlichts MB unterscheidet. Der erste Spiegel 208 und die erste Linse 209 sind in einem unteren Abschnitt des Bearbeitungslichteinlasses 207 im Verarbeitungskopf 202 angeordnet. Die erste Linse 209 ist ein Beispiel für eine „Linse“.
Verarbeitungslicht LB, das vom Verarbeitungslichteinlass 207 eingegeben wird, wird durch den ersten Spiegel 208 übertragen. Der erste Spiegel 208 ist ein dichroitischer Spiegel. Der erste Spiegel 208 weist die Eigenschaften auf, Licht mit einer Wellenlänge des Verarbeitungslichts LB durchzulassen und Licht mit einer Wellenlänge des Messlichts MB zu reflektieren.
Des Weiteren wird das Bearbeitungslicht LB von der ersten Linse 209 gebündelt und am Verarbeitungspunkt WP auf der Verarbeitungsfläche S des Werkstücks W gesammelt. Dabei wird das Werkstück W am Verarbeitungspunkt WP aufgeschmolzen, und es bildet sich dort ein Schmelzbecken M. Des Weiteren verdampft aus dem Schmelzbecken M eine Metallschmelze, und durch den Druck des durch die Verdampfung erzeugten Dampfes entsteht die Dampfkapillare H.
Messlicht MB, das vom Messlichteinlass 206 eingespeist wird, wird durch eine Kollimationslinse 210, die in einem unteren Abschnitt des Messlichteinlasses 206 angeordnet ist, in paralleles Licht umgewandelt. Des Weiteren wird das Messlicht MB von einem zweiten Spiegel 211, der in einem unteren Abschnitt der Kollimationslinse 210 angeordnet ist, in Richtung des ersten Spiegels 208 reflektiert, der in einem optischen Pfad des Prozesslichts LB angeordnet ist. Anschließend wird das Messlicht MB vom ersten Spiegel 208 zum Verarbeitungspunkt WP reflektiert. Der erste Spiegel 208 und der zweite Spiegel 211 entsprechen den „Spiegeln“.
Des Weiteren ist im zweiten Spiegel 211 ein Winkelverstellmechanismus (nicht dargestellt) angeordnet. Der Winkelverstellmechanismus verändert einen Winkel des zweiten Spiegels 211. Da der Winkelverstellmechanismus den Winkel des zweiten Spiegels 211 ändert, ändert der zweite Spiegel 211 einen optischen Pfad des Messlichts MB. Der zweite Spiegel 211 ist ein Beispiel für eine „Einheit zur Änderung des optischen Pfades“.
Des Weiteren wird das Messlicht MB von der ersten Linse 209 konvergiert und bewegt sich zum Verarbeitungspunkt WP. Durch Einstellen des Winkels des zweiten Spiegels 211, wie unten beschrieben, wird das Messlicht MB auf den tiefsten Punkt der Dampfkapillare H am Verarbeitungspunkt WP gerichtet.
Anschließend wird das Messlicht MB am tiefsten Punkt der Dampfkapillare H reflektiert und erreicht die Messeinheit 203, indem es entlang eines optischen Pfades des Messlichts MB zurückläuft. Die Messeinheit 203 erzeugt ein optisches Interferenzintensitätssignal auf der Basis einer Interferenz, die durch eine Differenz zwischen einer optischen Weglänge des reflektierten Messlichts MB und einer optischen Weglänge des emittierten Messlichts MB verursacht wird.
Der Messprozessor 204 misst eine Tiefe der Dampfkapillare H, d. h. eine Eindringtiefe des Verarbeitungspunkts WP, auf Grundlage des von der Messeinheit 203 erzeugten optischen Interferenzintensitätssignals. Die Eindringtiefe ist ein Abstand zwischen einem tiefsten Punkt der Dampfkapillare H und der Verarbeitungsfläche S.
Des Weiteren umfasst die Laserverarbeitungsapparatur 201 eine Strahlpositionsmesseinheit 220 und eine Steuervorrichtung 230.
Die Strahlpositionsmesseinheit 220 leitet eine relative Position einer optischen Achse des Messlichts MB in Bezug auf eine optische Achse des Bearbeitungslichts LB ab. Die Strahlpositionsmesseinheit 220 ist zwischen dem ersten Spiegel 208 und der ersten Linse 209 angeordnet. Die Strahlpositionsmesseinheit 220 umfasst einen Reflektor 221, einen Strahlabschluss 222, eine zweite Linse 223 und einen Lichtempfänger 224.
Der Reflektor 221 und der Strahlabschluss 222 sind so konfiguriert, dass sie zwischen der ersten Position P1 (19), die sich außerhalb der optischen Pfade des Bearbeitungslichts LB und des Messlichts MB befindet, und der zweiten Position P2 (20), die sich auf den optischen Pfaden des Bearbeitungslichts LB und des Messlichts MB befindet, bewegt werden können. Die zweite Linse 223 und der Lichtempfänger 224 sind an einem linken Abschnitt des Reflektors 221 angeordnet.
Der Reflektor 221 ist ein Spiegel, der Verarbeitungslicht LB und Messlicht MB in Richtung der zweiten Linse 223 reflektiert, wenn er sich an der zweiten Position P2 befindet. Des Weiteren weist der Reflektor 221 die Eigenschaft auf, Licht mit der Wellenlänge des Verarbeitungslichts LB in Reflexionslicht und Transmissionslicht zu unterteilen und Licht mit der Wellenlänge des Messlichts MB vollständig zu reflektieren. Der Reflexionsgrad des Verarbeitungslichts LB des Reflektors 221 wird auf einen vorgegebenen Wert eingestellt. Der vorbestimmte Wert ist ein Wert, bei dem eine Intensität des Reflexionslichts des Verarbeitungslichts LB, das auf den Lichtempfänger 224 trifft, innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Der vorbestimmte Bereich ist ein Bereich, in dem ein unterer Grenzwert kleiner als eine Intensität des Messlichts MB und ein oberer Grenzwert größer als die Intensität des Messlichts MB ist, und ist ein Bereich, in dem der Lichtempfänger 224 Licht empfangen kann.
Wenn beispielsweise ein Faserlaser mit einer Nennleistung von 1 kW oder mehr als Bearbeitungslicht LB ausgewählt wird, beträgt die Mindestleistung des Bearbeitungslichts LB etwa 100 W. Wenn hingegen eine OCT-Lichtquelle für das Messlicht MB verwendet wird, beträgt die Leistung des Messlichts MB etwa einige zehn mW. Um also die Leistung des Verarbeitungslichts LB von 100 W auf eine Leistung in der gleichen Größenordnung (einige zehn mW) wie die des Messlichts MB von einigen zehn mW zu reduzieren, wird der Reflexionsgrad des Verarbeitungslichts LB des Reflektors 221 vorzugsweise auf 0,1 % oder weniger eingestellt. Da das Messlicht MB nicht abgeschwächt werden muss, wird der Reflexionsgrad des Messlichts MB des Reflektors 221 vorzugsweise auf 90 % oder mehr eingestellt.
Des Weiteren wird eine Leistung des Verarbeitungslichts LB, wenn das Verarbeitungslicht LB an den Lichtempfänger 224 angelegt wird, vorzugsweise auf eine Leistung von 10 % oder mehr einer Nennleistung des Laseroszillators 205 eingestellt. Insbesondere in einem Fall, in dem der Laseroszillator 205 ein Faserlaser ist, ist ein Oszillationszustand des Verarbeitungslichts LB instabil, wenn eine Leistung des Verarbeitungslichts LB weniger als 10 % der Nennleistung beträgt, und dies ist so, weil die Genauigkeit einer Bestrahlungsposition LP des Verarbeitungslichts LB im Lichtempfänger 224 reduziert ist.
Der Strahlabschluss 222 empfängt das durch den Reflektor 221 übertragene Transmissionslicht und schließt das Transmissionslicht an der zweiten Position P2 ab.
Die zweite Linse 223 konvergiert das Reflexionslicht und das Messlicht MB. Das konvergierte Reflexionslicht und das Messlicht MB laufen zum Lichtempfänger 224.
Der Lichtrezeptor 224 empfängt das Reflexionslicht und das Messlicht MB. Der Lichtrezeptor 224 ist ein zweidimensionales Abbildungselement mit Empfindlichkeit bezüglich der Wellenlängen des Bearbeitungslichts LB und des Messlichts MB. Der Lichtempfänger 224 ist beispielsweise eine handelsübliche Industriekamera, die ein Element wie einen ladungsgekoppelten Baustein (CCD), einen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) oder Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) umfasst, oder ein zweidimensionaler Strahlprofiler.
Die Form der zweiten Linse 223 und der Abstand zwischen dem Lichtempfänger 224 und der zweiten Linse 223 sind so eingestellt, dass sich die Brennpunkte des konvergierten Reflexions- und Messlichts MB auf einer Lichtempfangsfläche befinden, die das Reflexions- und Messlicht MB im Lichtempfänger 224 empfängt.
Die Steuervorrichtung 230 ist ein Computer, der eine Gesamtsteuerung der Laserverarbeitungsapparatur 201 durchführt. Die Steuervorrichtung 230 steuert einen Winkelverstellmechanismus und stellt einen Winkel des zweiten Spiegels 211 ein.
Als Nächstes werden ein oben beschriebener Betrieb der Laserverarbeitungsapparatur 201 und ein von der Steuervorrichtung 230 ausgeführtes Programm unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm von 21 beschrieben. Das Programm führt eine optische Justierung durch, um eine Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und eine Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W aufeinander auszurichten. Dies wird von einem Zustand aus beschrieben, in dem sich Reflektor 221 und Strahlabschluss 222 in der ersten Position P1 befinden (19).
Die Steuervorrichtung 230 bestimmt in S100, ob die optische Justierung dieses Mal eine erste optische Justierung ist oder nicht. Wenn die relative Position R, die die Bestrahlungsposition MP des Messlichts MB in Bezug auf die Bestrahlungsposition LP des Bearbeitungslichts LB im weiter unten zu beschreibenden Lichtempfänger 224 ist, nicht in der Steuervorrichtung 230 gespeichert ist, ist die optische Justierung dieses Mal die erste optische Justierung. In diesem Fall (JA in S100) richtet die Steuervorrichtung 230 in S102 die Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und die Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W zueinander aus.
Konkret bestrahlt die Steuervorrichtung 230 eine für die optische Ausrichtung vorbereitete Verarbeitungsfläche eines Werkstücks (nicht dargestellt) mit dem Bearbeitungslicht LB, um ein Mikroloch zu bilden. Anschließend tastet die Steuervorrichtung 230 das Mikroloch mit Messlicht MB ab, während sie einen Winkel des zweiten Spiegels 211 einstellt, um einen optischen Pfad des Messlichts MB zu verändern, und leitet aus einem Messergebnis des Messprozessors 204 eine Position ab, an der ein tiefster Punkt des Mikrolochs, d.h. eine optische Pfadlänge des Messlichts MB, am längsten ist. Der tiefste Punkt des Mikrolochs entspricht einer Einstrahlungsposition des Verarbeitungslichts LB. Die Steuervorrichtung 230 stellt einen Winkel des zweiten Spiegels 211 ein und richtet eine Einstrahlungsposition des Messlichts MB auf den tiefsten Punkt des Mikrolochs aus, wodurch die Einstrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und die Einstrahlungsposition des Messlichts MB in einem zu justierenden Werkstück aufeinander ausgerichtet werden. Dabei werden die Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und die Bestrahlungsposition des Messlichts MB im aktuellen Werkstück W aufeinander ausgerichtet.
Anschließend bewegt die Steuervorrichtung 230 den Reflektor 221 und den Strahlabschluss 222 in die zweite Position P2 in S104 (20). Das Durchlicht des Bearbeitungslichts LB wird durch den Strahlabschluss 222 abgebrochen. In der Zwischenzeit werden das Reflexionslicht des Bearbeitungslichts LB und das Messlicht MB vom Reflektor 221 reflektiert, von der zweiten Linse 223 konvergiert und dem Lichtempfänger 224 zugeführt.
Zu diesem Zeitpunkt sind zwar die Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und die Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W zueinander ausgerichtet, aber die Bestrahlungsposition LP des Reflexionslichts und die Bestrahlungsposition MP des Messlichts MB im Lichtempfänger 224 sind nicht zueinander ausgerichtet (22). Dies liegt daran, dass, selbst wenn die Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und die Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W aufeinander ausgerichtet sind, die Wellenlängen des Bearbeitungslichts LB und des Messlichts MB, wie oben beschrieben, voneinander verschieden sind, und dadurch die optische Achse des Bearbeitungslichts LB und die optische Achse des Messlichts MB aufgrund des Einflusses einer chromatischen Aberration der ersten Linse 209 nicht aufeinander ausgerichtet sind. Des Weiteren werden das auf den Lichtempfänger 224 auftreffende Reflexionslicht LB und das Messlicht MB durch die zweite Linse 223 konvergiert, die eine andere chromatische Aberration als die erste Linse 209 aufweist. Aus diesem Grund sind die Bestrahlungsposition LP des Reflexionslichts im Lichtempfänger 224 und die Bestrahlungsposition MP des Messlichts MB nicht zueinander ausgerichtet.
Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch die relative Position R (d.h. eine Abweichung zwischen der Bestrahlungsposition LP des Reflexionslichts und der Bestrahlungsposition MP des Messlichts MB), die die Bestrahlungsposition MP des Messlichts MB in Bezug auf die Bestrahlungsposition LP des Reflexionslichts des Bearbeitungslichts LB im Lichtempfänger 224 ist, die relative Position R im Lichtempfänger 224, wenn die Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und die Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W miteinander ausgerichtet sind.
Die relative Position R wird im Lichtempfänger 224 gemessen. Die Relativposition R im Lichtempfänger 224 weist eine Korrelation mit einer Relativposition einer optischen Achse des Messlichts MB in Bezug auf eine optische Achse des Bearbeitungslichts LB auf. Das heißt, der Lichtrezeptor 224 leitet indirekt die relative Position der optischen Achse des Messlichts MB in Bezug auf die optische Achse des Bearbeitungslichts LB ab. Ein Messergebnis des Lichtempfängers 224 wird an die Steuervorrichtung 230 ausgegeben.
In S106 leitet die Steuervorrichtung 230 aus dem Messergebnis des Lichtempfängers 224 als Relativposition R im Lichtempfänger 224 die Relativposition R ab, die die Bestrahlungsposition MP des Messlichts MB in Bezug auf die Bestrahlungsposition LP des Reflexionslichts zu diesem Zeitpunkt ist, wenn die Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und die Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W zueinander ausgerichtet sind, und speichert die abgeleitete Relativposition.
Anschließend beendet die Steuervorrichtung 230 das Programm, indem sie in S108 den Reflektor 221 und den Strahlabschluss 222 in die erste Position P1 fährt. Danach wird das Werkstück W bearbeitet. Die Steuervorrichtung 230 führt das Programm zu einem vorbestimmten Zeitpunkt aus (beispielsweise jede vorbestimmte Zeit (10 Sekunden)), um die optische Justierung während der Bearbeitung durchzuführen.
Wenn die Steuervorrichtung 230 das Programm erneut startet, bestimmt die Steuervorrichtung 230 in S100, ob die optische Justierung dieses Mal eine erste optische Justierung ist oder nicht. Wenn die oben beschriebene Relativposition R in der Steuervorrichtung 230 gespeichert ist, handelt es sich bei der optischen Justierung dieses Mal um eine zweite und weitere optische Justierungen. In diesem Fall (NO in S100) bewegt die Steuervorrichtung 230 den Reflektor 221 und den Strahlabschluss 222 in die zweite Position P2 in S110 (20). Dabei werden, wie oben beschrieben, das Bearbeitungslicht LB und das Messlicht MB vom Reflektor 221 reflektiert, durch die zweite Linse 223 konvergiert und dem Lichtempfänger 224 zugeführt.
Zu diesem Zeitpunkt sind die Bestrahlungsposition LP des Reflexionslichts des Verarbeitungslichts LB und die Bestrahlungsposition MP (Bestrahlungsposition MP des unjustierten Messlichts MB) des Messlichts MB im Lichtempfänger 224 gegenüber einem Zeitpunkt der ersten optischen Justierung (23) verschoben. Das heißt, die relative Position R im Lichtempfänger 224 unterscheidet sich von der relativen Position R, die von der Steuervorrichtung 230 abgeleitet wird.
Dies liegt daran, dass, da das Verarbeitungslicht LB eine relativ hohe Leistung aufweist, eine Temperatur eines Konfigurationselements des Verarbeitungskopfs 202 und darüber hinaus eines Fixierungselements zum Fixieren des Konfigurationselements ansteigt, und dadurch eine thermische Verformung des Fixierungselements und darüber hinaus eine Verschiebung des Konfigurationselements auftritt, und sich ein optischer Pfad des Verarbeitungslichts LB und ein optischer Pfad des Messlichts MB ändern. Zu diesem Zeitpunkt, wenn sich der Reflektor 221 und der Strahlabschluss 222 in der ersten Position P1 befinden, werden ein Einfallswinkel des Bearbeitungslichts LB und des Messlichts MB auf der ersten Linse 209 und außerdem eine Einstrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und eine Einstrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W ebenfalls verschoben.
Anschließend stellt die Steuervorrichtung 230 die relative Position R im Lichtempfänger 224 auf Grundlage der abgeleiteten relativen Position R in S112 ein. Insbesondere stellt die Steuervorrichtung 230 einen Winkel des zweiten Spiegels 211 so ein, dass die relative Position R im Lichtempfänger 224 zur abgeleiteten relativen Position R wird, und ändert einen optischen Pfad des Messlichts MB, wodurch die Einstrahlungsposition MP des Messlichts MB im Lichtempfänger 224 verschoben wird. Dadurch entspricht die eingestellte relative Position R, die die Bestrahlungsposition MP des eingestellten Messlichts MB in Bezug auf die Bestrahlungsposition LP des Reflexionslichts im Lichtempfänger 224 ist, der abgeleiteten relativen Position R (23).
Des Weiteren fährt die Steuervorrichtung 230 in S108 den Reflektor 221 und den Strahlabschluss 222 in die erste Position P1. Dadurch wird das Werkstück W mit Bearbeitungslicht LB und Messlicht MB bestrahlt. Da zu diesem Zeitpunkt die relative Position R im Lichtempfänger 224 eingestellt ist, sind die Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und die Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W zueinander ausgerichtet.
So können bei der zweiten und den folgenden optischen Ausrichtungen die Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und die Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W aufeinander ausgerichtet werden, ohne dass ein Mikroloch durch das Messlicht MB abgetastet wird, und die Steuervorrichtung 230 kann auf einfache Weise eine optische Ausrichtung durchführen. Des Weiteren kann die Steuervorrichtung 230 im Vergleich zu einem Fall, in dem die Bestrahlungsposition des Messlichts MB, die dem tiefsten Punkt des Mikrolochs entspricht, durch Abtasten des Messlichts MB abgeleitet wird, in einem Fall, in dem die Bestrahlungsposition MP des Messlichts MB in Bezug auf die Bestrahlungsposition LP des Verarbeitungslichts LB im Lichtempfänger 224 abgeleitet wird, die Bestrahlungsposition des Messlichts MB in Bezug auf die Bestrahlungsposition des Verarbeitungslichts LB genau ableiten. So kann die Steuervorrichtung 230 die Einstrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und die Einstrahlungsposition des Messlichts MB am Werkstück W genau aufeinander abstimmen. Des Weiteren muss bei der zweiten optischen Ausrichtung kein Werkstück für die Ausrichtung vorbereitet werden.
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform umfasst die Laserverarbeitungsapparatur 201 einen Laseroszillator 205, der Bearbeitungslicht LB auf das Werkstück W emittiert, eine Messeinheit 203, die Messlicht MB zur Messung einer Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB auf dem Werkstück W emittiert, eine Strahlpositionsmesseinheit 220, die eine relative Position einer optischen Achse des Messlichts MB in Bezug auf eine optische Achse des Bearbeitungslichts LB ableitet, und einen zweiten Spiegel 211, der den optischen Pfad des Messlichts MB basierend auf der relativen Position R, die von der Strahlpositionsmesseinheit 220 abgeleitet wird, ändert.
Demnach können eine Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und eine Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W einfach und hochgenau zueinander ausgerichtet werden.
Des Weiteren umfasst die Laserverarbeitungsapparatur 201 einen ersten Spiegel 208 und einen zweiten Spiegel 211, die das Messlicht MB in Richtung einer Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB auf dem Werkstück W reflektieren, und eine erste Linse 209, die zwischen dem Werkstück W und dem ersten und zweiten Spiegel 208 und 211 angeordnet ist und das Bearbeitungslicht LB und das Messlicht MB auf dem Werkstück W zusammenführt.
Demnach umfasst die Strahlpositionsmesseinheit 220 den Einfluss einer Änderung des optischen Weges des Messlichts MB, die durch Verschiebungen des ersten Spiegels 208 und des zweiten Spiegels 211 verursacht wird, und es kann eine relative Position einer optischen Achse des Messlichts MB in Bezug auf eine optische Achse des Bearbeitungslichts LB abgeleitet werden.
Des Weiteren umfasst die Strahlpositionsmesseinheit 220 einen Reflektor 221, der das Bearbeitungslicht LB und das Messlicht MB in eine andere Richtung als in Richtung des Werkstücks W reflektiert, und einen Lichtempfänger 224, der das vom Reflektor 221 reflektierte Bearbeitungslicht LB und Messlicht MB empfängt. Die relative Position R wird auf Basis der Bestrahlungsposition LP des Bearbeitungslichts LB und der Bestrahlungsposition MP des Messlichts MB im Lichtempfänger 224 abgeleitet.
Demzufolge kann die Ausrichtung zwischen einer Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und einer Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W einfacher und genauer erfolgen.
Des Weiteren wird ein Reflexionsgrad des Bearbeitungslichts LB des Reflektors 221 so eingestellt, dass er kleiner oder gleich einem vorgegebenen Wert ist.
Da eine Intensität des Reflexionslichts und eine Intensität des Messlichts MB, die auf den Lichtrezeptor 224 einwirken, innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen können, kann die Bestrahlungsposition MP des Messlichts MB in Bezug auf die Bestrahlungsposition LP des Reflexionslichts leicht von einem Lichtrezeptor 224 abgeleitet werden, ohne eine Vielzahl von Lichtrezeptoren 224 zu verwenden. Dies liegt daran, dass, wenn eine der Intensitäten des Reflexionslichts und die Intensität des Messlichts MB außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, ein Lichtrezeptor 224 benötigt wird, der jeder Intensität entspricht.
Des Weiteren umfasst die Laserverarbeitungsapparatur 201 einen Messprozessor 204 zum Messen einer Tiefe des Verarbeitungspunkts WP. Der zweite Spiegel 211 ändert einen optischen Pfad des Messlichts MB basierend auf der Tiefe des Verarbeitungspunkts WP, die durch den Messprozessor 204 gemessen wurde, um eine Bestrahlungsposition des Verarbeitungslichts LB und eine Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W miteinander auszurichten, und ändert den optischen Pfad des Messlichts MB basierend auf der relativen Position R, die durch die Strahlpositionsmesseinheit 220 abgeleitet wird, wenn die Bestrahlungsposition des Verarbeitungslichts LB und die Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W miteinander ausgerichtet sind.
Demnach kann die Ausrichtung zwischen einer Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und einer Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W zuverlässiger und genauer erfolgen.
Des Weiteren ist der Messprozessor 204 ein Interferometer, das die Länge des optischen Weges des Messlichts MB auf der Basis einer Wellenform misst, die durch eine Interferenz zwischen dem durch Reflexion des Messlichts MB am Werkstück W erzeugten Licht und dem Messlicht MB erzeugt wird.
Demnach kann die Laserverarbeitungsapparatur 201 eine Einstrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W genau ableiten.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die bisher beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt. Solange nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abgewichen wird, umfasst die vorliegende Offenbarung auch eine Form, in der verschiedene Modifikationen an den vorliegenden beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden, und eine Form, die durch Kombination von Komponenten in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen konstruiert wird.
Obwohl beispielsweise das in 21 dargestellte Flussdiagramm als ein von der Steuervorrichtung 230 ausgeführtes Programm beschrieben wird, kann ein Benutzer der Laserverarbeitungsapparatur 201 jeden Schritt des Flussdiagramms von 21 ausführen. In diesem Fall umfasst die Steuervorrichtung 230 eine Anzeige (nicht dargestellt), die die relative Position R im Lichtempfänger 224 anzeigt, und einen Bediener (nicht dargestellt) für einen Benutzer, um das Umschalten der Positionen des Reflektors 221 und des Strahlabschlusses 222 und die Einstellung eines Winkels des zweiten Spiegels 211 durchzuführen.
Des Weiteren wird die relative Position R im Lichtempfänger 224 durch Verschieben der Einstrahlungsposition MP des Messlichts MB im Lichtempfänger 224 eingestellt, kann aber stattdessen auch durch Verschieben der Einstrahlungsposition LP des Reflexionslichts im Lichtempfänger 224 eingestellt werden. In diesem Fall kann beispielsweise ein Winkelverstellmechanismus am Verarbeitungslichteinlass 207 angeordnet sein, und die Steuervorrichtung 230 kann den Winkelverstellmechanismus steuern, um einen optischen Pfad des Verarbeitungslichts LB zu ändern. Winkeleinstellmechanismen sind sowohl im zweiten Spiegel 211 als auch im Messlichteinlass 207 angeordnet, und die Steuervorrichtung 230 kann beide Winkeleinstellmechanismen steuern, um einen optischen Pfad des Messlichts LB und einen optischen Pfad des Messlichts MB zu ändern und die relative Position R im Lichtempfänger 224 einzustellen. Des Weiteren kann der im zweiten Spiegel 211 angeordnete Winkeleinstellmechanismus im Messlichteinlass 206 angeordnet sein. Des Weiteren kann jeder Winkeleinstellmechanismus durch eine Steuervorrichtung 230 gesteuert werden oder ein manueller Typ sein.
Des Weiteren umfasst die Strahlpositionsmesseinheit 220 in den oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen einen Reflektor 221, kann aber eine Vielzahl von Reflektoren 221 umfassen. In diesem Fall können, wie in 24 dargestellt, ein erster Reflektor 221a, der sich zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 bewegt, und ein zweiter Reflektor 221b, der das vom ersten Reflektor 221a reflektierte Reflexionslicht und Messlicht MB zur zweiten Linse 223 und zum Lichtempfänger 224 reflektiert, vorgesehen sein. Des Weiteren sind in diesem Fall eine Vielzahl von Strahlabschlüssen 222 vorgesehen, die der Anzahl der Reflektoren 221 entsprechen. Das vom ersten Reflektor 221a durchgelassene Durchlicht wird durch den ersten Strahlabschluss 222a beendet. Das durch den zweiten Reflektor 221b übertragene Durchlicht wird durch den zweiten Strahlabschluss 222b abgeschlossen. Durch die Bereitstellung einer Vielzahl von Reflektoren 221 können die Intensität des Reflexionslichts und die Intensität des Messlichts MB innerhalb eines vorbestimmten Bereichs eingestellt werden, selbst wenn die Intensität des Verarbeitungslichts LB und die Intensität des Messlichts MB relativ groß sind.
Des Weiteren verwendet der Reflektor 221 einen Spiegel, der das Prozesslicht LB in Transmissionslicht und Reflexionslicht trennt, aber zusätzlich kann auch ein Spiegel vorgesehen werden, der das Prozesslicht LB vollständig reflektiert. In diesem Fall darf der Strahlabschluss 222 nicht vorgesehen sein.
Des Weiteren werden in den oben beschriebenen Ausführungsformen das Bearbeitungslicht LB und das Messlicht MB vom Reflektor 221 reflektiert und dann durch die zweite Linse 223 zum Lichtempfänger 224 geleitet. Stattdessen können das Verarbeitungslicht LB und das Messlicht MB durch die zweite Linse 223 übertragen und dann vom Reflektor 221 reflektiert werden, um auf den Lichtempfänger 224 angewendet zu werden. In diesem Fall ist die zweite Linse 223 beweglich angeordnet. Selbst wenn die zweite Linse 223 eine lange Brennweite aufweist, werden die optischen Pfade des Reflexionslichts und des Messlichts MB gekrümmt, so dass eine Vergrößerung der Strahlpositionsmesseinheit 220 verhindert werden kann.
Des Weiteren kann die Strahlpositionsmesseinheit 220 mit zwei Lichtempfängern (nicht dargestellt) konfiguriert sein. In einer zweiten optischen Ausrichtung ist der erste Lichtempfänger zwischen Bearbeitungslichteinlass 207 und erstem Spiegel 208 angeordnet, und der erste Lichtempfänger wird mit Bearbeitungslicht LB bestrahlt. In der zweiten optischen Ausrichtung ist der zweite Lichtempfänger zwischen der Kollimationslinse 210 und dem zweiten Spiegel 211 angeordnet und wird mit dem Messlicht MB bestrahlt. Der Mittelpunkt des auf den ersten Lichtempfänger auftreffenden Bearbeitungslichts LB entspricht einer optischen Achse des Bearbeitungslichts. Des Weiteren entspricht das Zentrum des Messlichts, das auf den zweiten Lichtempfänger trifft, einer optischen Achse des Messlichts MB. Somit kann die Steuervorrichtung 230 direkt eine relative Position der optischen Achse des Messlichts MB in Bezug auf eine optische Achse des Verarbeitungslichts LB ableiten, basierend auf einer zentralen Position des Verarbeitungslichts LB, das auf den ersten Lichtempfänger angewendet wird, und einer zentralen Position des Messlichts MB, das auf den zweiten Lichtempfänger angewendet wird. Des Weiteren steuert die Steuervorrichtung 230 in diesem Fall einen Winkeleinstellmechanismus, der im Messlichteinlass 206 angeordnet ist, um einen Winkel des Messlichteinlasses 206 einzustellen und einen optischen Pfad des Messlichts MB zu ändern.
Des Weiteren ist der Reflektor 221 in den oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen in einer Plattenform ausgebildet, kann aber auch eine andere Form als die Plattenform aufweisen, solange ein Abschnitt, der Bearbeitungslicht LB und Messlicht MB reflektiert, flach ist.
Des Weiteren umfasst die Strahlpositionsmesseinheit 220 einen Strahlabschluss 222, kann aber stattdessen einen Strahlabschluss 222 umfassen, wenn die Intensität des Transmissionslichts relativ gering ist.
Des Weiteren kann, obwohl der Reflektor 221 das Messlicht MB vollständig reflektiert, stattdessen ein Reflexionsgrad eingestellt werden, um das Messlicht MB in das Reflexionslicht und das Transmissionslicht zu unterteilen. Da in diesem Fall die relative Position R im Lichtempfänger 224 während der Bearbeitung des Werkstücks W in Echtzeit abgeleitet werden kann, können eine Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und eine Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W während der Bearbeitung des Werkstücks W in Echtzeit aufeinander ausgerichtet werden.
Wenn Laserlicht (beispielsweise ein Monomode-Faserlaser) mit einem Strahldurchmesser von 50µm oder weniger am Verarbeitungspunkt WP verwendet wird, muss die Genauigkeit der Einstellung der Bestrahlungsposition des Verarbeitungslichts LB und der Bestrahlungsposition des Messlichts MB 10µm oder weniger betragen, aber eine optische Ausrichtung der oben beschriebenen Laserverarbeitungsapparatur 201 kann die erforderliche Genauigkeit erfüllen.
Des Weiteren wird eine erste optische Ausrichtung durchgeführt, indem ein am Verarbeitungspunkt WP ausgebildetes Mikroloch mit Messlicht MB wie oben beschrieben abgetastet wird, aber stattdessen können, wie in 25 dargestellt, ein Plattenelement 140, in dem ein Schlitz 141 ausgebildet ist, und ein Leistungsmesser 150, der eine Intensität von Verarbeitungslicht LB erfasst, verwendet werden.
In diesem Fall ändert die Steuervorrichtung 230 den optischen Pfad des Bearbeitungslichts LB, um den Schlitz 141 mit Hilfe des Bearbeitungslichts LB abzutasten, und eine Änderung der Intensität des Bearbeitungslichts LB wird vom Leistungsmesser 150 erfasst. Die Steuervorrichtung 230 passt eine relative Position des optischen Pfads des Bearbeitungslichts LB in Bezug auf den Spalt 141 an, basierend auf der erfassten Änderung der Intensität des Bearbeitungslichts LB. Ebenso stellt die Steuervorrichtung 230 eine relative Position eines optischen Pfads des Messlichts MB in Bezug auf den Schlitz 141 ein, um eine Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB und eine Bestrahlungsposition des Messlichts MB auf dem Werkstück W aufeinander auszurichten.
Des Weiteren gibt es zwei Spiegel des ersten Spiegels 208 und des zweiten Spiegels 211, die das Messlicht MB in Richtung der Bestrahlungsposition des Bearbeitungslichts LB auf dem Werkstück W reflektieren, aber es ist unnötig zu sagen, dass die Anzahl der Spiegel darauf nicht beschränkt ist. Zum Beispiel kann die Anzahl der Spiegel zwei oder mehr betragen. Des Weiteren kann die Anordnung des Messlichteintritts 206 geändert werden, und die Anzahl der Spiegel beträgt eins. In diesem Fall können beispielsweise der Messlichteinlass 206 und die Kollimationslinse 210 in einem rechten Abschnitt des ersten Spiegels 208 angeordnet sein, und der Spiegel kann nur der erste Spiegel 208 sein. In diesem Fall kann ein Winkelverstellmechanismus am ersten Spiegel 208 angeordnet sein.
Des Weiteren weist der erste Spiegel 208 die Eigenschaften auf, Verarbeitungslicht LB durchzulassen und Messlicht MB zu reflektieren, kann aber stattdessen die Eigenschaften aufweisen, Messlicht MB durchzulassen und Verarbeitungslicht LB zu reflektieren. In diesem Fall fällt beispielsweise das Verarbeitungslicht LB vom rechten Abschnitt auf den ersten Spiegel 208, und das Messlicht MB fällt von einem oberen Abschnitt auf den ersten Spiegel 208. Des Weiteren kann der erste Spiegel 208 die Eigenschaft aufweisen, sowohl Verarbeitungslicht LB als auch Messlicht MB zu reflektieren. In diesem Fall fallen beispielsweise das Verarbeitungslicht LB und das Messlicht MB vom rechten Abschnitt auf den ersten Spiegel 208. Somit reflektiert der erste Spiegel wenigstens Bearbeitungslicht LB und/oder Messlicht MB in Richtung des Werkstücks W.
Die Laserverarbeitungsapparatur und das Laserverarbeitungsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung eignen sich für die Laserbearbeitung von beispielsweise Automobilen und elektronischen Bauteilen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2013501964 [0006]

Claims

Laserverarbeitungsapparatur, umfassend: einen Laseroszillator, der so konfiguriert ist, dass er Verarbeitungslaserlicht oszilliert, das auf einen Verarbeitungspunkt auf einer Verarbeitungsfläche eines Werkstücks auftrifft; einen Koppelspiegel, der so konfiguriert ist, dass er das Verarbeitungslaserlicht und das Messlicht, das auf den Verarbeitungspunkt auftrifft, in Richtung des Verarbeitungspunkts ablenkt oder überträgt; eine Messlicht-Ablenkungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Einfallswinkel des Messlichts auf den Koppelspiegel ändert; eine Linse, die zum Konzentrieren des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts auf den Verarbeitungspunkt konfiguriert ist; eine Steuerung, die zur Steuerung des Laseroszillators und der Messlicht-Ablenkungseinheit konfiguriert ist; einen Messprozessor, der so konfiguriert ist, dass er eine Tiefe einer Dampfkapillare misst, die an dem Verarbeitungspunkt durch das Verarbeitungslaserlicht erzeugt wird, indem er ein optisches Interferenzsignal verwendet, das auf einer Interferenz basiert, die durch eine optische Wegdifferenz zwischen dem an dem Verarbeitungspunkt reflektierten Messlicht und dem Referenzlicht erzeugt wird; und eine Strahlpositionsmesseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Positionen des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts misst.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen ersten Spiegel, der so konfiguriert ist, dass er eine Laufrichtung des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts ändert, wobei die Steuerung des Weiteren den ersten Spiegel auf der Basis von Bearbeitungsdaten steuert.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 2, wobei: die Verarbeitungsdaten einen ersten Befehlswert umfassen, der einen Operationsbetrag des ersten Spiegels angibt, und einen zweiten Befehlswert, der einen Operationsbetrag der Messlicht-Ablenkungseinheit angibt, die Strahlpositionsmesseinheit umfasst: einen Positionsmessspiegel, der das Verarbeitungslaserlicht und das Messlicht, die jeweils durch die Linse hindurchgehen, reflektiert, und ein zweidimensionales Abbildungselement, das die Positionen des Verarbeitungslaserlichts und des Messlichts misst, die jeweils von dem Positionsmessspiegel reflektiert werden, und die Steuerung eine Zielposition auf der Verarbeitungsfläche festlegt, den ersten Befehlswert festlegt, um zu bewirken, dass das Verarbeitungslaserlicht auf die Zielposition auftrifft, und den zweiten Befehlswert auf Grundlage der durch das zweidimensionale Abbildungselement gemessenen Positionen berechnet.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 3, wobei der Positionsmessspiegel so eingestellt ist, dass er einen Reflexionsgrad bei einer Wellenlänge des Verarbeitungslaserlichts aufweist, wobei der Reflexionsgrad eine Leistung verursacht, die es dem Verarbeitungslaserlicht ermöglicht, in das zweidimensionale Abbildungselement einzutreten, und das zweidimensionale Abbildungselement an einer Position angeordnet ist, an der eine optische Weglänge von der Linse zu dem zweidimensionalen Abbildungselement mit einer optischen Weglänge von der Linse zu dem Verarbeitungspunkt übereinstimmt.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Positionsmessspiegel aus einer Vielzahl von Spiegeln zusammengesetzt ist.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 3 oder 4, wobei in dem Positionsmessspiegel ein Reflexionsgrad einer Wellenlänge des Verarbeitungslaserlichts 0,1 % oder weniger beträgt.
Laserverarbeitungsapparatur nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Steuerung ein Gitterformmuster auf der Verarbeitungsfläche einstellt und einen Gitterpunkt des Gitterformmusters auf die Zielposition einstellt.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlpositionsmesseinheit eine relative Position einer optischen Achse des Messlichts in Bezug auf eine optische Achse des Verarbeitungslaserlichts ableitet, und die Steuerung den eine Winkeleinstellfunktion aufweisenden Koppelspiegel oder die Messlicht-Ablenkungseinheit basierend auf der von der Strahlpositionsmesseinheit abgeleiteten Relativposition steuert.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 8, wobei die Linse zwischen dem Koppelspiegel und dem Werkstück angeordnet ist, und die Strahlpositionsmesseinheit zwischen dem Koppelspiegel und der Linse angeordnet ist.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Strahlpositionsmesseinheit umfasst: einen Reflektor, der das Verarbeitungslaserlicht und das Messlicht in eine andere Richtung als in Richtung des Werkstücks reflektiert, und einen Lichtempfänger, der das Verarbeitungslaserlicht und das Messlicht empfängt, die jeweils von dem Reflektor reflektiert werden, und die Strahlpositionsmesseinheit die relative Position auf der Basis einer Einstrahlungsposition des Verarbeitungslaserlichts und einer Einstrahlungsposition des Messlichts in dem Lichtempfänger ableitet.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 10, wobei ein Reflexionsgrad des Verarbeitungslaserlichts des Reflektors so eingestellt wird, dass er kleiner oder gleich einem vorgegebenen Wert ist.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Strahlpositionsmesseinheit eine Vielzahl von Reflektoren umfasst, die jeweils der Reflektor sind.
Laserverarbeitungsapparatur nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei: die Steuerung den Koppelspiegel oder die Messlicht-Ablenkungseinheit so steuert, dass: ein optischer Pfad des Verarbeitungslaserlichts und/oder des Messlichts verändert wird, um eine Bestrahlungsposition des Verarbeitungslaserlichts und eine Bestrahlungsposition des Messlichts auf dem Werkstück miteinander auszurichten, und ein optischer Pfad von wenigstens dem Verarbeitungslaserlicht und/oder dem Messlicht basierend auf der relativen Position, die von der Strahlpositionsmesseinheit abgeleitet wird, geändert wird, wenn die Bestrahlungsposition des Verarbeitungslaserlichts und die Bestrahlungsposition des Messlichts auf dem Werkstück zueinander ausgerichtet sind.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 13, wobei der Messprozessor ein Interferometer ist, das eine Länge eines optischen Pfades des Messlichts basierend auf einer durch die Interferenz erzeugten Wellenform misst.
Laserverarbeitungsapparatur nach Anspruch 8, wobei die Steuerung den Koppelspiegel oder die Messlicht-Ablenkungseinheit veranlasst, eine Abstrahlposition des Verarbeitungslaserlichts und eine Abstrahlposition des Messlichts auf dem Werkstück aufeinander auszurichten, die von der Strahlpositionsmesseinheit abgeleitete Relativposition speichert, wenn die Einstrahlposition des Verarbeitungslaserlichts und die Einstrahlposition des Messlichts auf das Werkstück aufeinander ausgerichtet sind, und den Koppelspiegel oder die Messlicht-Ablenkungseinheit so ansteuert, dass eine Relativposition zwischen der Abstrahlposition des Verarbeitungslaserlichts und der Abstrahlposition des Messlichts auf der Strahlpositionsmesseinheit mit der gespeicherten Relativposition fluchtet.
Laserverarbeitungsverfahren, das von einer Laserverarbeitungsapparatur durchgeführt wird, die eine Laserlichtemissionseinheit, die Laserlicht auf ein Werkstück emittiert, und eine Messlichtemissionseinheit umfasst, die Messlicht zum Messen einer Bestrahlungsposition des Laserlichts auf dem Werkstück emittiert, wobei das Verfahren umfasst: aufeinander Abgleichen einer Einstrahlungsposition des Laserlichts und einer Einstrahlungsposition des Messlichts auf dem Werkstück.
Laserverarbeitungsverfahren nach Anspruch 16, des Weiteren umfassend: Ableiten einer relativen Position einer optischen Achse des Messlichts in Bezug auf eine optische Achse des auf das Werkstück auftreffenden Laserlichts; und Ändern eines optischen Pfades von wenigstens dem Laserlicht und/oder dem Messlicht, basierend auf der abgeleiteten relativen Position.
Laserverarbeitungsverfahren nach Anspruch 16, wobei: die Laserverarbeitungsapparatur des Weiteren einen ersten Spiegel umfasst, der die Ausbreitungsrichtung des Laserlichts und des Messlichts ändert, und eine Messlicht-Ablenkungseinheit, die einen Einfallswinkel des Messlichts auf den ersten Spiegel ändert, und das Anpassen der Bestrahlungsposition des Laserlichts und der Bestrahlungsposition des Messlichts auf dem Werkstück umfasst: Einstellen einer Zielposition auf einer Verarbeitungsfläche des Werkstücks, Einstellen eines ersten Befehlswertes, der einen Operationsbetrag des ersten Spiegels angibt, durch den das Laserlicht die Zielposition erreicht, Erhalten eines zweiten Befehlswertes, der einen Operationsbetrag der Messlicht-Ablenkungseinheit angibt, basierend auf Positionen des Laserlichts und des Messlichts, die jeweils von einer Strahlpositionsmesseinheit zum Messen der Positionen des Laserlichts und des Messlichts gemessen werden, und Steuern der Laserlicht-Emissionseinheit, des ersten Spiegels und der Messlicht-Ablenkungseinheit auf Grundlage von Verarbeitungsdaten, die den ersten Befehlswert und den zweiten Befehlswert umfassen.