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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen von optischen Elementen einer Laserlichtquelle. Die Erfindung betrifft ferner eine Laseranordnung mit einer Laserlichtquelle, welche optische Elemente aufweist.
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Laserlichtquellen weisen typischerweise mehrere optische Elemente wie Spiegel oder Linsen auf. Beispielsweise durch Verschmutzungen oder Beschichtungsfehler können beim Aufbau der Laserlichtquelle oder bei deren Einsatz Defekte an den optischen Elementen auftreten. Solche Defekte erfordern zumeist ein Austauschen des betroffenen optischen Elements. Hierzu muss das defekte optische Element zunächst identifiziert werden. Dies erfolgt bisher in der Regel durch einzelnes Inspizieren aller Oberflächen der optischen Elemente. Dazu muss die Laserlichtquelle geöffnet werden, beispielsweise an ihrem Absorber. Sodann kann eine visuelle Inspektion mit einer Taschenlampe vorgenommen werden. Hierbei besteht die Gefahr von Augenschäden. Bei komplexeren Geräten ist die Suche zudem sehr aufwendig und nimmt beispielsweise bei Festkörperlasern einen Hauptteil der Nacharbeit in der Produktion oder der Arbeitszeit im Servicefall ein.
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Aus
EP 1 457 286 A2 ist ein Verfahren zur Fehlstellenüberwachung einer optischen Komponente, beispielsweise eines Schutzglases, bekannt. Die optische Komponente ist in einem ersten optischen System und einem zweiten optischen System einer Laserbearbeitungsanlage angeordnet. Über das erste optische System der Laserbearbeitungsanlage wird ein Bestrahlungsort auf einem Objekt mit Laserstrahlung bestrahlt, sodass eine Emissionszone am Bestrahlungsort auf dem Objekt erzeugt wird. Über das zweite optische System wird ein Bild aufgenommen, welches aus einer Überlagerung einer Abbildung der Emissionszone und einer Abbildung der optischen Komponente und/oder einer Abbildung deren Fehlstellen gebildet wird. Zur Trennung der Strahlengänge der optischen Systeme kann ein Strahlteiler vorgesehen sein.
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WO 2007/130313 A2 beschreibt ein Sicherheitssystem, um das Vorhandensein, den Fokus und die Integrität einer Fokussierlinse für einen Laser zu überprüfen. Das Sicherheitssystem überprüft Eigenschaften der Fokussierlinse, indem es ein Bild eines Objekts aufnimmt, wozu es das Objekt durch die Fokussierlinse entlang des Pfades des Laserstrahls betrachtet.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, das Lokalisieren von Defekten in Laserlichtquellen zu vereinfachen.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Laseranordnung mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen.
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Erfindungsgemäßes Prüfverfahren
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Überprüfen von optischen Elementen einer Laserlichtquelle vorgesehen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- A) Anordnen einer Kamera auf einer optischen Achse der Laserlichtquelle, sodass eine Aufnahmerichtung der Kamera in die Laserlichtquelle gerichtet ist,
- B) Beleuchten wenigstens eines der optischen Elemente der Laserlichtquelle,
- C) Fokussieren eines der beleuchteten optischen Elemente und Aufnehmen eines Bildes des optischen Elements mit der Kamera,
- D) Auswerten des aufgenommenen Bildes.
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Die Laserlichtquelle kann Teil eines Laserbearbeitungssystems, beispielsweise einer Laserschneidanlage oder einer Laserschweißanlage, sein. Die Laserlichtquelle kann einen Resonator, eine Strahlführungseinrichtung, eine Verstärkerstufe und/oder eine Konversionsstufe aufweisen. Die Laserlichtquelle kann ein Festkörperlaser sein. Im Betrieb sendet die Laserlichtquelle einen Laserstrahl in einer Laserstrahlausbreitungsrichtung aus.
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Erfindungsgemäß wird eine Kamera an der Laserlichtquelle angeordnet. Die Kamera wird dabei grundsätzlich außen, d. h. insbesondere außerhalb eines Gehäuses, an der Laserlichtquelle platziert. Ein Öffnen der Laserlichtquelle zum Überprüfen der optischen Elemente ist mithin nicht erforderlich. Mögliche Beschädigungen der Laserlichtquelle bzw. deren optischer Elemente beim Öffnen oder im geöffneten Zustand sowie ein Eintrag von Schmutz können dadurch vermieden werden. Zum Anordnen der Kamera an der Laserlichtquelle sind grundsätzlich keine Änderungen an der Laserlichtquelle vorzunehmen. Das Verfahren kann daher auch bei bereits vorhandenen Laserlichtquellen durchgeführt werden.
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Die Kamera wird auf einer optischen Achse der Laserlichtquelle angeordnet. Unter der optischen Achse wird eine Achse verstanden, auf welcher Laserlicht innerhalb der Laserlichtquelle, beispielsweise als Stehwelle innerhalb des Resonators, oder außerhalb der Laserlichtquelle propagiert. Insbesondere kann die optische Achse der Laserstrahlausbreitungsrichtung des von der Laserlichtquelle ausgesandten Laserstrahls entsprechen. Beim Anordnen der Kamera auf der optischen Achse der Laserlichtquelle wird eine Aufnahmerichtung der Kamera typischerweise parallel zu der optischen Achse ausgerichtet, insbesondere mit der optischen Achse zur Deckung gebracht.
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Die Aufnahmerichtung der Kamera ist in die Laserlichtquelle gerichtet. Mit anderen Worten blickt die Kamera in die Laserlichtquelle hinein. Dies ermöglicht es, Komponenten im Inneren der Laserlichtquelle mit der Kamera aufzunehmen.
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Sodann wird wenigstens eines der optischen Elemente der Laserlichtquelle beleuchtet. Vorzugsweise werden mehrere der optischen Elemente, insbesondere alle optischen Elemente, der Laserlichtquelle zugleich beleuchtet. Durch das Beleuchten des optischen Elements bzw. der optischen Elemente treten allfällige Defekte an dem optischen Element bzw. den optischen Elementen deutlich hervor.
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Die Kamera wird nun auf eines der beleuchteten optischen Elemente fokussiert. Mit anderen Worten wird die Objektebene eines der optischen Elemente auf einen Bildsensor der Kamera abgebildet. Hierzu kann eine Linse bzw. ein Linsensystem verwendet werden. Vorzugsweise wird beim Fokussieren eine scharfe Abbildung des optischen Elements auf dem Bildsensor erhalten. Hierzu kann ein Abstand der Linse bzw. des Linsensystems und/oder der Kamera zu dem optischen Element verändert werden.
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Vorzugsweise wird die Kamera nacheinander auf mehrere der beleuchteten optischen Elemente, insbesondere alle beleuchteten optischen Elemente, fokussiert. Die Kamera nimmt dann ein Bild des (jeweils) fokussierten und beleuchteten optischen Elements auf. Das Fokussieren der Kamera auf eines der optischen Elemente ermöglicht die Zuordnung von festgestellten Defekten zu den einzelnen optischen Elementen der Laserlichtquelle. Beim sukzessiven Fokussieren und Aufnehmen der optischen Elemente können in einem Arbeitsgang mehrere bzw. alle optischen Oberflächen der Laserlichtquelle überprüft werden. Durch die aufgenommenen Bilder kann zudem ein Zustand der Laserlichtquelle dokumentiert werden.
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Das aufgenommene Bild bzw. die aufgenommenen Bilder werden schließlich ausgewertet. Sollte eines der optischen Elemente einen Defekt aufweisen, äußert sich dies durch charakteristische Merkmale, beispielsweise lokal begrenzte dunkle Flecken, im entsprechenden Bild. Unter einem Defekt werden hier insbesondere strukturelle Abweichungen (beispielsweise Kratzer, Macken, Fehler in einer Beschichtung, Abweichungen im Materialaufbau und dergleichen mehr) wie auch Verschmutzungen der optischen Elemente verstanden.
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Das Auswerten kann durch Inaugenscheinnahme der Bilder durch entsprechend geschultes Personal erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Auswerten automatisiert erfolgen. Beispielsweise können die aufgenommenen Bilder von einem Bilderkennungsalgorithmus bewertet werden. Der Bilderkennungsalgorithmus kann für eine Klassifizierung der Defekte eingerichtet sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Rahmen der Herstellung der Laserlichtquelle eingesetzt werden, beispielsweise zur Zwischen- oder Endkontrolle. Ebenso kann das erfindungsgemäße Verfahren im Servicefall eingesetzt werden. Durch die Bestimmung des beschädigten optischen Elements kann Servicepersonal sich zielgerichtet auf den Einsatz vorbereiten und muss weniger Ersatzteile vorsorglich zum Einsatz mitnehmen.
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Das erfindungsgemäße Prüfverfahren wird vorzugsweise an einer unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Laseranordnung durchgeführt.
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Zum Fokussieren der optischen Elemente kann die Kamera relativ zu der Laserlichtquelle verschoben werden. Hierzu kann beispielsweise eine Linearführung, insbesondere ein Linearverschiebetisch, eingesetzt werden. Der apparative Aufwand zur Umsetzung des Verfahrens kann dadurch gering gehalten werden. Zudem ermöglicht die Linearführung auf einfache Weise ein präzises Positionieren der Kamera. Durch eine an der Kamera bzw. der Linearführung angebrachte Skala kann eine Zuordnung der aufgenommenen Bilder zu den optischen Elementen der Laserlichtquelle erfolgen.
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Vorzugsweise wird im Schritt A) zwischen der Kamera und der Laserlichtquelle eine Hilfsoptik angeordnet. Die Hilfsoptik kann ein Linsensystem mit wenigstens einer Linse aufweisen. Die Hilfsoptik für die Kamera kann so eingerichtet sein, dass die Schärfentiefe der von der Kamera aufgenommenen Bilder kleiner ist als ein (kleinster) Abstand zwischen den optischen Elementen der Laserlichtquelle. Dies vereinfacht die Zuordnung der aufgenommenen Bilder zu den optischen Elementen. Ferner kann die Hilfsoptik zum Fokussieren der Kamera dienen bzw. das Fokussieren unterstützen. Hierzu kann eine Brennweite der Hilfsoptik verändert werden. Eine oder mehrere Linsen des Linsensystems können bewegbar sein. Durch Bewegen der Linse(n) kann die Brennweite des Linsensystems geändert werden.
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Besonders bevorzugt weist die Hilfsoptik eine Flüssiglinse auf. Zum Fokussieren der einzelnen optischen Elemente kann eine Brennweite der Flüssiglinse verändert werden. Dies ermöglicht eine besonders komfortable Durchführung des Verfahrens. Insbesondere kann dies die automatisierte Durchführung des Verfahrens erleichtern.
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Wenn durch Verschieben der Kamera bzw. mittels der Hilfsoptik, insbesondere durch Verändern der Brennweite einer Flüssiglinse, die Kamera nicht auf alle optischen Elemente der Laserlichtquelle fokussiert werden kann, können mehrere Kameras verwendet werden. Beispielsweise können zum Überprüfen aller optischen Elemente eines Resonators einer leistungsstarken Laserlichtquelle drei (unterschiedliche) Kameras eingesetzt werden.
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Wenigstens eines der optischen Elemente kann Teil eines Resonators der Laserlichtquelle sein. Das optische Element bzw. eines der optischen Elemente kann beispielsweise ein Endspiegel, ein Umlenkspiegel, ein Auskoppelspiegel, eine Laserscheibe oder eine Resonatoroptik sein.
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Vorzugsweise wird zum Beleuchten der optischen Elemente ein Resonator der Laserlichtquelle unterhalb seiner Laserschwelle betrieben. Der Resonator sendet mithin keine Laserstrahlung aus, jedoch fluoresziert ein laseraktives Medium der Laserlichtquelle, beispielsweise eine Laserscheibe. Das durch die Fluoreszenz erhaltene Licht genügt zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere wenn die zu überprüfenden optischen Elemente Teil des Resonators sind. Auf gesonderte Leuchtmittel kann dann vorteilhafterweise verzichtet werden. Die Beleuchtung durch Fluoreszenz unterhalb der Laserschwelle vereinfacht die Durchführung des Verfahrens bei Laserlichtquellen nach deren Einbau in ein Laserbearbeitungssystem.
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Wenigstens eines der optischen Elemente kann Teil einer Strahlführungseinrichtung, einer Verstärkerstufe oder einer Konversionsstufe der Laserlichtquelle sein.
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Alternativ oder zusätzlich zu Beleuchtung wenigstens eines der optischen Elemente durch Betrieb eines Resonators unterhalb der Laserschwelle kann ein Leuchtmittel in der Laserlichtquelle angeordnet werden und wenigstens eines der optischen Elemente beleuchten. Das Leuchtmittel ist vorzugsweise eine Leuchtdiode. Ein solches Leuchtmittel kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn optische Elemente von passiven Modulen wie Strahlführungen überprüft werden sollen.
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Erfindungsgemäße Laseranordnung
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In Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Laseranordnung mit einer Laserlichtquelle. Die Laserlichtquelle kann Teil eines Laserbearbeitungssystems, beispielsweise einer Laserschneidanlage oder einer Laserschweißanlage, sein. Die Laserlichtquelle kann einen Resonator, eine Strahlführungseinrichtung, eine Verstärkerstufe und/oder eine Konversionsstufe aufweisen. Die Laserlichtquelle kann ein Festkörperlaser sein. Im Betrieb sendet die Laserlichtquelle einen Laserstrahl in einer Laserstrahlausbreitungsrichtung aus.
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Wenigstens eines der optischen Elemente kann Teil eines Resonators der Laserlichtquelle sein. Das optische Element bzw. eines der optischen Elemente kann beispielsweise ein Endspiegel, ein Umlenkspiegel, ein Auskoppelspiegel, eine Laserscheibe oder eine Resonatoroptik sein. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens eines der optischen Elemente Teil einer Strahlführungseinrichtung, einer Verstärkerstufe oder einer Konversionsstufe der Laserlichtquelle sein.
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Erfindungsgemäß ist auf einer optischen Achse der Laserlichtquelle eine Kamera angeordnet. Unter der optischen Achse wird insbesondere eine Achse verstanden, auf welcher Laserlicht innerhalb der Laserlichtquelle, beispielsweise als Stehwelle innerhalb des Resonators, oder außerhalb der Laserlichtquelle propagiert. Insbesondere kann die optische Achse der Laserstrahlausbreitungsrichtung des von der Laserlichtquelle ausgesandten Laserstrahls entsprechen. Beim Anordnen der Kamera auf der optischen Achse der Laserlichtquelle wird eine Aufnahmerichtung der Kamera typischerweise parallel zu der optischen Achse ausgerichtet, insbesondere mit der optischen Achse zur Deckung gebracht.
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Die Kamera kann an der Laserlichtquelle, insbesondere einem Gehäuse der Laserlichtquelle, befestigt sein. Die Kamera ist grundsätzlich außen, d. h. insbesondere außerhalb des Gehäuses, an der Laserlichtquelle angeordnet. Ein Öffnen der Laserlichtquelle zum Überprüfen der optischen Elemente ist mithin nicht erforderlich. Mögliche Beschädigungen der Laserlichtquelle bzw. deren optischer Elemente beim Öffnen oder im geöffneten Zustand sowie ein Eintrag von Schmutz können dadurch vermieden werden.
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Die Kamera kann dauerhaft an der Laserlichtquelle befestigt sein. Die Laseranlage kann dann regelmäßig auf Beschädigungen der optischen Elemente untersucht werden. Insbesondere kann die Überprüfung automatisiert erfolgen.
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Alternativ kann die Kamera lösbar an der Laserlichtquelle angeordnet sein. Dies ermöglicht das Überprüfen der optischen Elemente der Laserlichtquelle insbesondere während einer Wartung oder Reparatur.
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Weiter erfindungsgemäß ist eine Aufnahmerichtung der Kamera in die Laserlichtquelle gerichtet. Mit anderen Worten blickt die Kamera in die Laserlichtquelle hinein. Dies ermöglicht es, Komponenten im Inneren der Laserlichtquelle mit der Kamera aufzunehmen.
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Die Laseranordnung ermöglicht die Durchführung des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Prüfverfahrens. Die Laseranordnung kann eine Steuereinrichtung aufweisen, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, einen Resonator der Laserlichtquelle unterhalb der Laserschwelle zu betreiben, um die optischen Elemente zu beleuchten.
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Die Laseranordnung kann eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten von der Kamera aufgenommener Bilder der optischen Elemente aufweisen. Die Auswerteeinrichtung kann Teil der Steuereinrichtung sein. In der Auswerteeinrichtung kann ein Bilderkennungsalgorithmus zum Bewerten der aufgenommenen Bilder implementiert sein. Der Bilderkennungsalgorithmus kann für eine Klassifizierung möglicher Defekte der optischen Elemente eingerichtet sein.
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Die Kamera kann relativ zu der Laserlichtquelle verschieblich sein. Durch Verschieben der Kamera kann diese auf eines der optischen Elemente fokussiert werden. Vorzugsweise ist die Kamera an einer Linearführung, insbesondere einem Linearverschiebetisch, gehalten. Die Linearführung ermöglicht auf einfache Weise ein präzises Ausrichten der Kamera relativ zu der Laserlichtquelle. An der Kamera oder der Linearführung kann eine Skala angebracht sein. Das Fokussieren der Kamera auf ein bestimmtes optisches Element bzw. die Zuordnung eines aufgenommenen Bildes zu einem der optischen Elemente wird dadurch weiter vereinfacht.
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Zwischen der Kamera und der Laserlichtquelle kann eine Hilfsoptik angeordnet sein. Die Hilfsoptik kann ein Linsensystem mit wenigstens einer Linse aufweisen. Die Hilfsoptik für die Kamera kann so eingerichtet sein, dass die Schärfentiefe der von der Kamera aufgenommenen Bilder kleiner ist als ein (kleinster) Abstand zwischen den optischen Elementen der Laserlichtquelle. Dies vereinfacht die Zuordnung der aufgenommenen Bilder zu den optischen Elementen. Ferner kann die Hilfsoptik zum Fokussieren der Kamera dienen bzw. das Fokussieren unterstützen. Hierzu kann eine Brennweite der Hilfsoptik veränderbar sein. Eine oder mehrere Linsen des Linsensystems können bewegbar sein. Durch Bewegen der Linse(n) kann die Brennweite des Linsensystems geändert werden.
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Vorzugsweise weist die Hilfsoptik eine Flüssiglinse mit variierbarer Brennweite auf. Zum Fokussieren der Kamera auf die einzelnen optischen Elemente kann die Brennweite der Flüssiglinse verändert werden. Dies ermöglicht eine besonders komfortable und insbesondere automatisierte Überprüfung der Laserlichtquelle.
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Wenn durch Verschieben der Kamera bzw. mittels der Hilfsoptik, insbesondere durch Verändern der Brennweite einer Flüssiglinse, die Kamera nicht auf alle optischen Elemente der Laserlichtquelle fokussiert werden kann, kann die Laseranordnung mehrere (unterschiedliche) Kameras aufweisen. Beispielsweise können zum Überprüfen aller optischen Elemente eines Resonators einer leistungsstarken Laserlichtquelle drei Kameras vorgesehen sein. Wenigstens eine der Kameras ist jeweils auf einer optischen Achse der Laserlichtquelle angeordnet, wobei die Aufnahmerichtung der jeweiligen Kamera in die Laserlichtquelle hinein gerichtet ist.
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Die Laserlichtquelle kann ein Leuchtmittel aufweisen. Das Leuchtmittel ist typischerweise innerhalb eines Gehäuses der Laserlichtquelle angeordnet. Das Leuchtmittel kann insbesondere in einer Strahlführungseinrichtung der Laserlichtquelle angeordnet sein. Das Leuchtmittel ist vorzugsweise eine Leuchtdiode.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Laseranordnung mit einer Kamera, deren Aufnahmerichtung in einen Resonator einer Laserlichtquelle gerichtet ist, in einer schematischen Seitenansicht;
- 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überprüfen von optischen Elementen einer Laserlichtquelle;
- 3 ein Bild einer unterhalb ihrer Laserschwelle betriebenen Laserscheibe;
- 4 ein Bild eines optischen Elements mit Defekten;
- 5 eine erfindungsgemäße Laseranordnung, die eine Laserlichtquelle mit einem Resonator und einer Strahlführungseinrichtung und eine Kamera aufweist, die beabstandet von der Laserlichtquelle angeordnet ist, in einer schematischen Seitenansicht;
- 6 eine erfindungsgemäße Laseranordnung, die eine Laserlichtquelle mit einem Resonator und einer Strahlführungseinrichtung und eine Kamera aufweist, die an der Laserlichtquelle befestigt ist, in einer schematischen Seitenansicht.
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1 zeigt eine Laseranordnung 10. Die Laseranordnung 10 weist eine Laserlichtquelle 12 auf. Die Laserlichtquelle 12 kann ein Festkörperlaser sein. Die Laserlichtquelle 12 weist einen Resonator 14 auf. In einem Gehäuse 16 des Resonators 14 sind optische Elemente 18 angeordnet. Als die optischen Elemente 18 sind vorliegend ein Endspiegel 20, eine Laserscheibe 22, eine Resonatoroptik 24 und ein weiterer Endspiegel 26 gezeigt. Der weitere Endspiegel 26 kann auch als ein Auskoppelspiegel bezeichnet werden.
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Die Laseranordnung 10 weist ferner eine Kamera 28 auf. Die Kamera 28 kann eine handelsübliche Webcam sein. Die Kamera 28 ist zur Aufnahme in die Laserlichtquelle 12 hinein ausgerichtet und auf einer optischen Achse 29a der Laserlichtquelle 12 angeordnet. Eine Aufnahmerichtung 58 der Kamera verläuft hier entgegen einer sich beim Betrieb der Laserlichtquelle 12 einstellenden Laserstrahlausbreitungsrichtung 52. Die Laserstrahlausbreitungsrichtung 52 fällt mit der optischen Achse 29a zusammen. Alternativ könnte die Kamera 28 auf einer weiteren optischen Achse 29b oder 29c der Laserlichtquelle 12 angeordnet sein (nicht näher dargestellt). Die Kamera 28 könnte dann durch eines der optischen Elemente 20, 22 oder 24 in die Laserlichtquelle 12 hinein gerichtet sein.
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Die Kamera 28 ist hier an dem Gehäuse 16 des Resonators 14 gehalten. Über eine Linearführung, hier in Form eines Linearverschiebetischs 30, kann die Kamera 28 relativ zu der Laserlichtquelle 12, hier konkret dem Resonator 14, verschoben werden. Dadurch kann ein Fokuspunkt der Kamera 28 auf die einzelnen optischen Elemente 18 gelegt werden. Mit anderen Worten kann durch Verschieben der Kamera 28 relativ zur Laserlichtquelle 12 jeweils eines von deren optischen Elementen 18 scharf auf einem Bildsensor der Kamera 28 abgebildet werden. Um die Position bzw. Fokuslage der Kamera 28 bestimmen zu können, kann an dem Linearverschiebetisch 30 eine Skala 32 vorgesehen sein.
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Zwischen der Kamera 28 und der Laserlichtquelle 12 kann eine Hilfsoptik 34 angeordnet sein. Die Hilfsoptik 34 kann eine Linse 36 aufweisen. Die Hilfsoptik 34 bewirkt, dass eine Schärfentiefe der Kamera 28 kleiner ist als die Abstände (gemessen entlang eines optischen Pfades 38) zwischen den optischen Elementen 18 der Laserlichtquelle 12.
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Die Laseranordnung 10 weist ferner eine Steuereinrichtung 40 auf. Die Steuereinrichtung 40 ermöglicht es, die Laserlichtquelle 12 und die Kamera 28 sowie gegebenenfalls die Hilfsoptik 34 (sofern diese veränderbare optische Eigenschaften besitzt) anzusteuern. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 40 dazu eingerichtet, die optischen Elemente 18 der Laserlichtquelle 12 mittels der Kamera 28 auf Defekte zu überprüfen.
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Der Ablauf eines solchen Überprüfungsverfahrens ist in 2 skizziert. Zunächst wird in einem Schritt 102 die Kamera 28 an der Laserlichtquelle 12 angeordnet, beispielsweise wie oben beschrieben.
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Sodann werden in einem Schritt 104 die optischen Elemente 18 beleuchtet. Der Resonator 14 kann hierzu unterhalb der Laserschwelle betrieben werden. Mit anderen Worten wird die Laserscheibe 22 mit einer Leistung gepumpt, die so gering ist, dass keine Lasermode anschwingt. Bei diesem unterschwelligen Betrieb des Resonators 14 fluoresziert die Laserscheibe 22. Dadurch werden die Laserscheibe 22 selbst und die weiteren optischen Elemente 18 des Resonators 14 beleuchtet.
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Die Kamera 28 wird nun in einem Schritt 106 auf eines der optischen Elemente 18 fokussiert. Mit andern Worten wird eines der optischen Elemente 18 auf einen Bildsensor der Kamera 28 abgebildet. Beispielsweise kann die Kamera 28 zunächst auf den Auskoppelspiegel 26 fokussiert werden. Die Kamera 28 kann hierzu mittels des Linearverschiebetisches 30 relativ zu der Laserlichtquelle 12 verschoben werden.
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In einem Schritt 108 nimmt die Kamera 28 ein Bild des fokussierten und beleuchteten optischen Elements 18 auf. Gegebenenfalls wurde im Schnitt 106 durch geeignetes Einstellen der Hilfsoptik 34 sichergestellt, dass nur das aufzunehmende optische Element 18 im Bild der Kamera 28 scharf dargestellt wird.
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Das aufgenommene Bild wird in einem anschließenden Schnitt 110 ausgewertet. Die Steuereinrichtung 40 kann hierfür eine Auswerteeinrichtung 42 aufweisen. Die Auswerteeinrichtung 42 kann als ein Bilderkennungsalgorithmus in der Steuereinrichtung 40 implementiert sein.
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Nachdem ein Bild eines der optischen Elemente 18 aufgenommen wurde, kann die Kamera 28 auf ein weiteres der optischen Elemente 18 fokussiert werden und ein Bild dieses weiteren optischen Elements 18 aufnehmen. Die Schritte 106 und 108 können hierzu wiederholt werden. Es versteht sich, dass die weiteren Bilder vor oder nach der Auswertung von zuvor aufgenommenen Bildern aufgenommen werden können. Auch die Bilder der weiteren optischen Elemente 18 werden in weiteren Schritten 110 ausgewertet. Auf diese Weise können nacheinander alle optischen Elemente der Laserlichtquelle 12 überprüft werden. Im in 1 dargestellten Beispiel könnte die Kamera 28 durch sukzessives Verschieben nach dem Auskoppelspiegel 26 zunächst die Resonatoroptik 24, sodann die Laserscheibe 22 und schließlich den Endspiegel 20 fokussieren und aufnehmen. Die optischen Elemente 18 können währenddessen allesamt durch unterschwelligen Betrieb des Resonator 14 beleuchtet werden.
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3 zeigt beispielhaft ein Bild einer Laserscheibe. Die Laserscheibe wurde bei der Aufnahme des Bildes unterschwellig gepumpt, sodass sie fluoreszierte, ohne Laserstrahlung abzugeben. Die Laserscheibe erscheint im Bild gleichmäßig hell. Daraus kann geschlossen werden, dass sie keine Defekte aufweist.
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4 zeigt beispielhaft ein Bild eines weiteren optischen Elements eines Resonators. Das optische Element wurde bei der Aufnahme durch die fluoreszierende Laserscheibe, vergleiche 3, beleuchtet. In der Bildmitte sind zwei dunkle Flecken 44 zu erkennen. An diesen Stellen sind optische Eigenschaften des optischen Elements verändert. Mithin ist das optische Element defekt.
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5 zeigt eine weitere Laseranordnung 10. Die Laseranordnung 10 weist eine Laserlichtquelle 12 auf. Die Laserlichtquelle 12 umfasst einen Resonator 14 und eine Strahlführungseinrichtung 44. Der Resonator 14 kann in seinem Aufbau dem Resonator 14 der in 1 gezeigten Laserlichtquelle 12 entsprechen. Ein Gehäuse 46 der Strahlführungseinrichtung 44 kann einem Gehäuse 16 des Resonators 14 befestigt sein. Die Strahlführungseinrichtung 44 ist hier beispielhaft mit zwei optischen Elementen 18 in Form von Umlenkspiegeln 48, 50 ausgebildet.
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Beim Betrieb der Laserlichtquelle 12 tritt ein Laserstrahl in einer Laserstrahlausbreitungsrichtung 52 aus der Laserlichtquelle 12 aus.
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Die Laseranordnung 10 weist ferner eine Kamera 28 und eine Hilfsoptik 34 auf. Die Kamera 28 und die Hilfsoptik 34 können an einer gemeinsamen Halterung 54 gehalten sein. Die Hilfsoptik 34 ist vorliegend mit einer Flüssiglinse 56 mit verstellbarer Brennweite ausgebildet. Es versteht sich, dass an einer (nicht näher dargestellten) Linearführung die Hilfsoptik 34 oder die Kamera 28 (gegenüber der Halterung 54) oder deren gemeinsame Halterung 54 (gegenüber der Laserlichtquelle 12) verschieblich geführt sein können. Eine Aufnahmerichtung 58 der Kamera 28 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel entgegen der Laserstrahlausbreitungsrichtung 52 gerichtet. Eine optische Achse der Kamera 28 fällt dabei mit der optischen Achse des im Normalbetrieb aus der Laserlichtquelle 12 austretenden Laserstrahls zusammen. Durch Verändern der Brennweite der Flüssiglinse 56 kann die Kamera 28 jeweils auf eines der optischen Elemente 18 der Laserlichtquelle 12 fokussiert werden. Die Kamera 28 und die Hilfsoptik 34 sind bei der in 5 dargestellten Ausführungsform von der Laserlichtquelle 12 beabstandet angeordnet. Beispielsweise kann die Halterung 54 an einem Maschinenbett eines Laserbearbeitungssystems abgestützt sein (nicht näher dargestellt).
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Das Überprüfen der optischen Elemente 18 der Laseranordnung 10 kann entsprechend dem in 2 dargestellten und oben beschriebenen Verfahren erfolgen. Abweichend vom oben beschriebenen Ablauf kann das Fokussieren der Kamera 28 bei der Laseranordnung 10 von 5 durch Verändern der Brennweite der Flüssiglinse 56 vorgenommen oder unterstützt werden. Auch bei der Laseranordnung 10 von 5 könnte die Kamera 28 relativ zur Laserlichtquelle 12 verschoben werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Fokussieren der Kamera 28 über ein motorisiertes Objektiv 59 vorgenommen bzw. unterstützt werden.
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Das Beleuchten der optischen Elemente 18 des Resonator 14 kann wie oben beschrieben durch Fluoreszenz der Laserscheibe 22 bei unterschwelligem Betrieb erfolgen. Die Umlenkspiegel 48, 50 können grundsätzlich durch die fluoreszierende Laserscheibe 22 beleuchtet werden. Alternativ oder zusätzlich können die optischen Elemente 18 der Strahlführungseinrichtung 44 von Leuchtmitteln 60 beleuchtet werden. Die Leuchtmittel 60 können Leuchtdioden sein. Vorzugsweise sind die Leuchtmittel 60 in dem Gehäuse 46 der Strahlführungseinrichtung 44 angeordnet. Die Leuchtmittel 60 können insbesondere zur Durchführung des Prüfverfahrens in das Gehäuse 46 eingebracht und hernach wieder entnommen werden.
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6 zeigt eine Laseranordnung 10 die im Wesentlichen der Laseranordnung 10 von 5 entspricht. Anders als in 5 ist bei der Laseranordnung 10 von 6 die Halterung 54 der Kamera 28 und der Hilfsoptik 34 an der Laserlichtquelle 12 befestigt. Insbesondere kann die Halterung 54 an dem Gehäuse 46 der Strahlführungseinrichtung 44 festgelegt sein.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Anordnung zum Überprüfen von optischen Elementen einer Laserlichtquelle. Eine Kamera wird so ausgerichtet, dass sie auf einer optischen Achse der Laserlichtquelle in die Laserlichtquelle hinein blickt. Mit der Kamera können mithin Bilder der optischen Elemente in der Laserlichtquelle aufgenommen werden. Indem die Kamera so eingestellt wird, dass jeweils nur eines der optischen Elemente scharf abgebildet wird, können allfällige Defekte dem jeweiligen optischen Element zugeordnet werden. Zum Beleuchten der optischen Elemente kann die Laserlichtquelle unterhalb der Laserschwelle betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich können Leuchtmittel eingesetzt werden.
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Die Erfindung ermöglicht es, die für die Fehlersuche erforderliche Zeit zu reduzieren. Bei komplexeren Laserlichtquellen ist die Fehlersuche bisher sehr aufwendig und nimmt bei Festkörperlasern einen Hauptteil der Nacharbeit in der Produktion oder der Zeit im Servicefall ein. Die Umsetzung der Erfindung erfordert keine baulichen Änderungen an bestehenden Baugruppen und eignet sich so für einen Retrofit. Zudem werden Verschmutzung durch Öffnen eines Resonators der Laserlichtquelle oder Beschädigungen durch Ausbau der optischen Elemente zur Inspektion vermieden. Die Erfindung erlaubt eine direkte Dokumentation des Zustandes der optischen Flächen. Allfällige Schäden können automatisiert beurteilt werden. Die Kamera und gegebenenfalls eine Hilfsoptik können an der Laserlichtquelle verbleiben, sodass eine Ferndiagnose durchgeführt werden kann. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, Schäden und Verschmutzungen von optischen Elementen zu erkennen, bevor die Laserlichtquelle bzw. deren Resonator in Betrieb geht, wodurch Folgeschäden vermieden werden können. Durch Anwendung eines Bilderkennungsalgorithmus kann auch eine Erkennung und Klassifizierung von Defekten, z. B. strukturellen Schäden oder Verschmutzungen, eingerichtet werden. Bei Bedarf können die erkannten und/oder klassifizierten Defekte automatisch an einen zuständigen Servicedienst gemeldet werden. Durch einen solchen Algorithmus können Schäden und Verschmutzungen objektiv beurteilt werden. Die Erfindung kann auch in der Produktion als Vorsichtsmaßnahmen vor der Inbetriebnahme eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Laseranordnung
- 12
- Laserlichtquelle
- 14
- Resonator
- 16
- Gehäuse des Resonators 14
- 18
- optische Elemente
- 20
- Endspiegel
- 22
- Laserscheibe
- 24
- Resonatoroptik
- 26
- Auskoppelspiegel
- 28
- Kamera
- 29a, 29b, 29c
- optische Achse
- 30
- Linearverschiebetisch
- 32
- Skala
- 34
- Hilfsoptik
- 36
- Linse
- 38
- optischer Pfad
- 40
- Steuereinrichtung
- 42
- Auswerteeinrichtung
- 44
- Strahlführungseinrichtung
- 46
- Gehäuse der Strahlführungseinrichtung
- 48, 50
- Umlenkspiegel
- 52
- Laserstrahlausbreitungsrichtung
- 54
- Halterung
- 56
- Flüssiglinse
- 58
- Aufnahmerichtung
- 59
- Objektiv
- 60
- Leuchtmittel
- 102
- Anordnen
- 104
- Beleuchten
- 106
- Fokussieren
- 108
- Aufnehmen
- 110
- Auswerten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1457286 A2 [0003]
- WO 2007/130313 A2 [0004]
