DE102022126278A1

DE102022126278A1 - Abbildungsvorrichtung, Laserbearbeitungsmaschine mit einer Abbildungsvorrichtung sowie Verfahren zum Ermitteln von Prozessgrößen

Info

Publication number: DE102022126278A1
Application number: DE102022126278.2A
Authority: DE
Inventors: Winfried Magg; David Schindhelm; Steffen Kessler; Manuel Geiger; Alexander Schmid; Andrea Rüdinger
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2022-10-11
Filing date: 2022-10-11
Publication date: 2024-04-11
Also published as: WO2024079042A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung (12) zum Abbilden einer Prozesszone (14) einer Laserbearbeitungsmaschine (10), umfassend einen Bildsensor (28) und ein zwischen der Prozesszone (14) und dem Bildsensor (28) angeordnetes optisches Abbildungssystem (30); wobei das optische Abbildungssystem (30) eine zwischen dem Bildsensor (28) und der Prozesszone (14) verlaufende Systemachse (32); eine zur Systemachse (32) radial beabstandete erste Blende (34) und eine zweite Blende (36) aufweist; wobei von der Prozesszone (14) unter verschiedenen Abbildungswinkeln (38, 42) abgestrahlte Lichtstrahlen (40, 44) durch die Blenden (34, 36) begrenzt werden; und wobei das optische Abbildungssystem (30) zum örtlich getrennten Abbilden der ersten Lichtstrahlen (40) von den zweiten Lichtstrahlen (44) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Laserbearbeitungsmaschine (10) mit einer Abbildungsvorrichtung (12) sowie ein Verfahren zum Ermitteln von Prozessgrößen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung mit einem optischen Abbildungssystem zum Abbilden einer Prozesszone einer Laserbearbeitungsmaschine auf einem Bildsensor. Die Erfindung betrifft ferner eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Abbildungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Ermitteln von Prozessgrößen.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind in verschiedenen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt und dienen der Überwachung des Laserbearbeitungsverfahrens. Typischerweise wird durch die Abbildungsvorrichtungen eine dreidimensionale Ausbildung der Prozesszone auf einem Bildsensor als zweidimensionale Abbildung dargestellt. Aus der Analyse der Abbildung der Prozesszone können bei ausreichend genauer Abbildung wichtige Funktions- und Regelgrößen für gängige Laserschneidmaschinen abgeleitet werden, die beispielsweise eine Vorschubregelung oder eine Fehlschnitterkennung während des Laserbearbeitens unterstützen können.
WO 2016 062636 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Tiefe einer Schweißnaht beim Schweißen oder Fügen eines Werkstücks mittels Strahlung. Die Vorrichtung kann gegenüber einem Bearbeitungsstrahl in Abhängigkeit einer Vorschubgeschwindigkeit geneigt werden, um eine von der Vorschubgeschwindigkeit abhängige Neigung der Schweißnaht messtechnisch berücksichtigen zu können. Die Darstellung der Schweißnaht aus lediglich einem, wenn auch veränderbaren Winkel, kann jedoch nur ungenügende Informationen über die Prozesszone übermitteln. Beispielsweise können Informationen aufgrund eines reduzierten Abbildungsbereichs verloren gehen.
WO 2016 181359 A1 beschreibt eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit zumindest einer Gruppe von Detektoranordnungen. Die Detektoranordnung ist ringförmig um eine optische Achse der Laserschneidvorrichtung angeordnet. Die Detektoranordnung ist zur Erfassung der Prozesszone unter einer Vielzahl von statischen Winkeln ausgebildet. Die beschriebene Detektoranordnung stellt erhebliche konstruktive Anforderungen an die Umsetzung des beschriebenen Prinzips und bedarf zur Auswertung der detektierten Informationen eine aufwendige Auswertungsroutine.
DE 10 2013 218 421 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Überwachen eines Laserschneidprozesses an einem Werkstück mit einer Bilderfassungseinrichtung, wobei ein Beobachtungsstrahl unter einem zum Laserstrahl geneigten Beobachtungswinkel ausgebildet ist. Die Vorrichtung kann zudem mehrere Beobachtungsrichtungen mit dem gleichen Beobachtungswinkel aufweisen.
Die vorgenannte Vorrichtung weist zwar die Möglichkeit auf, die Prozesszone aus unterschiedlichen Richtungen, beispielsweise durch Drehen der Vorrichtung, abzubilden. Jedoch bildet die Vorrichtung die Prozesszone lediglich unter einem einzelnen vorgegebenen Winkel ab. Hierdurch kann die Abbildung der Prozesszone nur ungenau erfolgen. Beispielsweise können entscheidende Informationen unter lediglich einem vorbestimmten Winkel nicht durch die Vorrichtung abbildbar sein. Die „geometrische Sichtbarkeit“ der Prozesszone hängt typischerweise von einem Düsendurchmesser der Laserbearbeitungsmaschine, der Materialdicke des zu bearbeitenden Werkstücks, dem Abstand zwischen Düse und Werkstück sowie Emissionseigenschaften des Laserbearbeitungsprozesses ab.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zum Abbilden einer Prozesszone einer Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, die eine zuverlässige Ermittlung von Prozessgrößen aus der Abbildung ermöglichen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Abbildungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Aufgabe wird zudem gelöst durch eine Laserbearbeitungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19. Die Unteransprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Erfindungsgemäß ist eine Abbildungsvorrichtung vorgesehen. Die Abbildungsvorrichtung ist zum Abbilden einer Prozesszone einer Laserbearbeitungsmaschine geeignet. Typischerweise erfolgt das Abbilden der Prozesszone optisch durch Abbilden von aus der Prozesszone abgestrahltem Licht.
Die Abbildungsvorrichtung umfasst einen Bildsensor. Der Bildsensor ist typischerweise zum zweidimensionalen Abbilden von Lichtstrahlung, vorzugsweise im Spektralbereich von ultraviolettem Licht (UV) bis zu kurzwelligem Infrarotlicht (SWIR), besonders bevorzugt von 350nm bis 1800nm, ausgebildet. Vorzugsweise ist der Bildsensor halbleiterbasiert ausgebildet.
Die Abbildungsvorrichtung umfasst zudem ein zwischen der Prozesszone und dem Bildsensor angeordnetes optisches Abbildungssystem. Das optische Abbildungssystem ist vorzugsweise zur Lichtleitung und Lichtlenkung der von der Prozesszone abgestrahlten Lichtstrahlung zu dem Bildsensor ausgebildet. Weiter vorzugsweise ist das optische Abbildungssystem zum Umlenken eines Bearbeitungsstrahls der Laserbearbeitungsvorrichtung auf ein zu bearbeitendes Werkstück ausgebildet.
Das optische Abbildungssystem weist eine zwischen dem Bildsensor und der Prozesszone verlaufende Systemachse auf. Die Systemachse kann als eine - zur vereinfachten Erläuterung der Erfindung - idealisierte Achse verstanden werden. Die idealisierte Achse kann eine in der Praxis üblicherweise verwendete optische Strecke ersetzen, die aus jeweils geneigt zueinander ausgebildeten Teilstrecken bestehen kann. Der Fachmann vermag die Erfindung ausgehend von der Systemachse auf eine optische Strecke zu übertragen, um beispielsweise einen Versatz zwischen der Prozesszone und dem Bildsensor konstruktiv zu ermöglichen.
Das optische Abbildungssystem weist zudem eine zur Systemachse radial beabstandete erste Blende auf. Die erste Blende ist vorzugsweise senkrecht zur Systemachse ausgebildet. Die erste Blende begrenzt von der Prozesszone unter einem ersten Abbildungswinkel abgestrahlte erste Lichtstrahlen. Mit anderen Worten lässt die erste Blende lediglich unter einem bestimmten Winkel abgestrahlte Lichtstrahlung der Prozesszone passieren.
Das optische Abbildungssystem weist weiter eine zweite Blende auf. Vorzugsweise ist die zweite Blende senkrecht zur Systemachse ausgebildet. Die zweite Blende kann von der ersten Blende, insbesondere radial in Bezug zur Systemachse, beabstandet sein. Die zweite Blende begrenzt von der Prozesszone unter einem zweiten Abbildungswinkel abgestrahlte zweite Lichtstrahlen.
Das optische Abbildungssystem weist weiter eine zwischen den Blenden und dem Bildsensor angeordnete erste Abbildungslinse auf. Mit anderen Worten ist die erste Abbildungslinse in einem Strahlengang des optischen Abbildungssystems vor der ersten Abbildungslinse angeordnet. Hierdurch ist das optische Abbildungssystem zur Integration von weiteren optischen Komponenten zwischen den Blenden und der ersten Abbildungslinse ausgebildet. Weitere optische Komponenten können beispielsweise in Form von optischen Filtern in das optische Abbildungssystem integrierbar sein. Hierdurch kann das optische Abbildungssystem zur Durchführung von optischen Messverfahren, beispielsweise der Stereometrie/Stereoskopie, der Quotienten-Pyrometrie, der Goniometrie oder der Spektralanalyse verwendet werden.
Die erste Abbildungslinse ist typischerweise als Sammellinse ausgebildet. Die erste Abbildungslinse ist zum Abbilden von zumindest den ersten und den zweiten Lichtstrahlen auf dem Bildsensor ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist der erste Abbildungswinkel verschieden zu dem zweiten Abbildungswinkel. Mit anderen Worten weisen die durch die erste Blende begrenzten ersten Lichtstrahlen einen anderen Abbildungswinkel wie die durch die zweite Blende begrenzten zweiten Lichtstrahlen auf. Unter einem Abbildungswinkel ist ein zwischen dem jeweiligen Lichtstrahl und der Systemachse eingeschlossener Winkel zu verstehen. Mit anderen Worten können mehrere Lichtstrahlen den gleichen Winkelbetrag aufweisen, jedoch in unterschiedlichen Richtungen von der Prozesszone abgestrahlt werden. Der Abbildungswinkel kann null Grad betragen.
Das optische Abbildungssystem ist ferner zum örtlich getrennten Abbilden der ersten Lichtstrahlen von den zweiten Lichtstrahlen ausgebildet. Die ersten Lichtstrahlen und die zweiten Lichtstrahlen werden typischerweise auf dem Bildsensor abgebildet.
Mit anderen Worten wird die zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass die Abbildungsvorrichtung zum simultanen, bzw. gleichzeitigen Abbilden der Prozesszone unter zumindest zwei unterschiedlichen Abbildungswinkeln ausgebildet ist, während die übrige von der Prozesszone abgestrahlte Lichtstrahlung ausgeblendet, bzw. reflektiert oder absorbiert wird. Ferner erfolgt die Abbildung der Prozesszone aus zumindest zwei gerichteten Abbildungswinkeln, wodurch der durch die Abbildungsvorrichtung abbildbare Bereich der Prozesszone vergrößert ist. Weiter erfolgt die simultane Abbildung der beiden Lichtstrahlen örtlich getrennt auf dem Bildsensor und ermöglicht so eine Zuordnung der Abbildungen zu den Abbildungswinkeln. Mit der Kenntnis der Abbildungswinkel können die Abbildungen der Prozesszone für einen geometrischen Vergleich verwendet werden. Mit anderen Worten kann die Prozesszone dreidimensional analysiert werden. Aus einer dreidimensionalen Analyse können Prozessgrößen, wie beispielsweise eine Länge der Bearbeitungsfront der Laserbearbeitungsmaschine, eine ortsaufgelöste Temperaturmessung und/oder Temperaturverteilung innerhalb der Prozesszone zuverlässig bestimmt werden. Hierdurch kann beispielsweise die Entstehung von Plasma bzw. Metalldampf erkannt und die Qualität der Laserbearbeitung durch Vermeiden von Fehlschnitten erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung weist das optische Abbildungssystem eine zwischen der Prozesszone und den Blenden angeordnete Richtlinse auf. Die Richtlinse kann von der Prozesszone abgestrahlte Lichtstrahlen parallel zur Systemachse auf die Blenden ausrichten. Mit anderen Worten kann die Abbildungsvorrichtung einen Kollimator ausbilden. Hierdurch kann das Begrenzen der Lichtstrahlen durch die Blenden besonders genau erfolgen.
Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung, bei der die optische Abbildungsvorrichtung eine dritte Blende aufweist. Die dritte Blende kann von der Prozesszone unter einem dritten Abbildungswinkel abgestrahlte dritte Lichtstrahlen begrenzen. Durch eine weitere Blende kann die dreidimensionale Beobachtung der Prozesszone weiter verbessert werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung ist der dritte Abbildungswinkel verschieden zu dem ersten und/oder dem zweiten Abbildungswinkel. Hierdurch kann eine noch genauere Bestimmung der Prozessgrößen erfolgen.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung, bei der das optische Abbildungssystem zum örtlich getrennten Abbilden der dritten Lichtstrahlen von den ersten und/oder den zweiten Lichtstrahlen auf dem Bildsensor ausgebildet ist. Vorzugsweise werden alle Lichtstrahlen örtlich getrennt voneinander auf dem Bildsensor abgebildet. Hierdurch können die Abbildungen mit eindeutiger Zuordnung zu den jeweiligen Abbildungswinkeln ausgewertet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung weist das optische Abbildungssystem eine Prozesszonenblende auf. Die Prozesszonenblende kann insbesondere als eine Bearbeitungsdüse der Laserbearbeitungsmaschine ausgebildet sein. Hierdurch kann ein Begrenzen der insgesamt von der Prozesszone in Richtung der Abbildungsvorrichtung abgestrahlten Lichtstrahlen erfolgen, wodurch die Abbildungsgenauigkeit der Lichtstrahlen erhöht wird.
Bei einer bevorzugte Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung sind die Blenden an einer gemeinsamen Blendenscheibe ausgebildet. Die gemeinsame Blendenscheibe ist vorzugsweise senkrecht, bzw. orthogonal zur Systemachse angeordnet. Eine gemeinsame Blendenscheibe ermöglicht, insbesondere während des Bewegens der Blenden, eine besonders genaue Beabstandung der Blenden zueinander. Vorzugsweise kann die Blendenscheibe als beschichtetes Glassubstrat ausgebildet sein. Besonders bevorzugt transmittiert die Blendenscheibe Lichtstrahlung im Bereich der Blenden und dämpft, bzw. absorbiert oder reflektiert die Lichtstrahlung außerhalb der Blenden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung ist die Blendenscheibe um die Systemachse drehbar ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Blendenscheibe in Abhängigkeit einer Bearbeitungsrichtung der Laserbearbeitungsmaschine drehbar ausgebildet. Hierdurch können die Abbildungen der Lichtstrahlen bezogen auf eine von der Bearbeitungsrichtung abhängige Ausbildung der Prozesszone beibehalten werden. Beispielsweise kann eine sogenannte stechende Abbildung der Prozesszone bei einem Richtungswechsel der Laserbearbeitung um bspw. 90 Grad weiter stechend abgebildet werden, wenn die Blendenscheibe ebenfalls um 90 Grad gedreht wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung weist das optische Abbildungssystem eine der ersten Blende nachgelagerte erste optische Drehentkopplung auf. Die erste optische Drehentkopplung ist typischerweise unabhängig von einer Drehung der Blendenscheibe zur positionstreuen Abbildung der ersten Lichtstrahlen auf dem Bildsensor ausgebildet ist. Mit anderen Worten können die ersten Lichtstrahlen unabhängig von einer Bearbeitungsrichtung der Laserbearbeitungsmaschine auf demselben Abbildungsbereich des Bildsensors abgebildet werden. Hierdurch kann das Zuweisen des Abbildungswinkels zu der Abbildung besonders einfach erfolgen. Weiter können die Abmessungen des Bildsensors besonders kompakt gehalten werden.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung, bei der die Systemachse den Bildsensor in einem Abbildungsschnittpunkt schneidet. Vorzugsweise ist die erste Abbildungslinse in diesem Fall zum zentrischen Abbilden der ersten Lichtstrahlen auf den Abbildungsschnittpunkt ausgebildet. Durch Abbilden der ersten Lichtstrahlen in dem Abbildungsschnittpunkt kann eine ortsfeste Abbildung der ersten Lichtstrahlen erfolgen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung, bei der die Systemachse zentrisch durch die zweite Blende verläuft, weist die Abbildungsvorrichtung zumindest einen der ersten Abbildungslinse vorgelagerten und der zweiten Blende nachgelagerten optischen Keil auf. Mit anderen Worten begrenzt die zweite Blende in diesem Fall die koaxial mit der Systemachse verlaufenden zweiten Lichtstrahlen, die optisch unabhängig von einer Verdrehung der zweiten Blende sind. Der optische Keil ist vorzugsweise zum gegenüber der Systemachse geneigten Umlenken der zweiten Lichtstrahlen auf die erste Abbildungslinse ausgebildet. Durch Umlenken der zweiten Lichtstrahlen kann eine Position der Abbildung auf dem Bildsensor bestimmt werden. Vorzugsweise werden die zweiten Lichtstrahlen auf einen zum Abbildungsschnittpunkt dezentrierten bzw. beabstandeten Abbildungsbereich auf dem Bildsensor abgebildet. Hierdurch kann eine positionsgetreue und drehunabhängige Abbildung der zweiten Lichtstrahlen ohne Drehentkopplung erfolgen.
Alternativ kann in einer Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung mit einer durch die zweite Blende zentrisch verlaufenden Systemachse vorgesehen sein, dass das optische Abbildungssystem ein erstes optisches Nebensystem mit einer zweiten Abbildungslinse aufweist. Das erste optische Nebensystem, bzw. die zweite Abbildungslinse ist vorzugsweise zum positionstreuen Abbilden der zweiten Lichtstrahlen auf dem Bildsensor ausgebildet. Durch eine zweite Abbildungslinse können optische Überlagerungen der Lichtstrahlen in der ersten Abbildungslinse vermieden und somit die Abbildungsgenauigkeit erhöht werden. Durch Ausbilden eines optischen Nebensystems kann ein von dem optischen Pfad der ersten Lichtstrahlen separierter optischer Pfad mit unterschiedlichen spektralen Transmissionseigenschaften bereitgestellt werden. Hierdurch kann die Abbildung der Prozesszone mit anderen spektralen Eigenschaften erfolgen, wodurch die Analyse der Prozesszone weiter verbessert werden kann.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung, bei der das erste optische Nebensystem einen den Blenden nachgelagerten ersten Umlenkspiegel aufweist, wobei der erste Umlenkspiegel zum Umlenken von zweiten Lichtstrahlen ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der erste Umlenkspiegel zum Umlenken von bestimmten Wellenlängen der zweiten Lichtstrahlen ausgebildet. Insbesondere können ungewünschte Wellenlängen gefiltert werden. Hierdurch kann die Abbildung der zweiten Lichtstrahlen besonders genau erfolgen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung in Verbindung mit einer dritten Blende kann vorgesehen sein, dass das optische Abbildungssystem ein der dritten Blende nachgelagertes zweites optisches Nebensystem aufweist. Das zweite optische Nebensystem ist vorzugsweise unabhängig von einer Drehung der Blendenscheibe zum positionstreuen Abbilden der dritten Lichtstrahlen, insbesondere auf dem Bildsensor, ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung, bei der das zweite optische Nebensystem einen den Blenden nachgelagerten zweiten Umlenkspiegel aufweist. Der zweite Umlenkspiegel ist vorzugsweise zum Umlenken von bestimmten Wellenlängen der dritten Lichtstrahlen ausgebildet. Hierdurch kann die Abbildung der dritten Lichtstrahlen in einem vorbestimmten Spektralbereich erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung ist das optische Abbildungssystem zum Abbilden der Lichtstrahlen auf einem einzigen Bildsensor ausgebildet.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird zudem gelöst durch eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer vorhergehend und im Folgenden beschriebenen Abbildungsvorrichtung.
Die Laserbearbeitungsmaschine weist typischerweise eine Laserbearbeitungseinheit zur Ausbildung eines Laserstrahls auf. Zudem weist die Laserbearbeitungsmaschine typischerweise eine Maschinensteuerung auf. Die Maschinensteuerung kann zur Steuerung bzw. Regelung der Laserbearbeitungseinheit und/oder der Abbildungsvorrichtung eingerichtet sein.
Vorzugsweise weist die Maschinensteuerung eine Auswertungseinheit auf. Die Auswertungseinheit ist besonders bevorzugt zum Auswerten der Abbildungen auf dem Bildsensor eingerichtet.
Ferner wird die zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln von Prozessgrößen der Prozesszone mittels der vorhergehend und im Folgenden beschriebenen Abbildungsvorrichtung. Das Verfahren weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.
In einem Verfahrensschritt wird zumindest eine erste Abbildung und zumindest eine zweite Abbildung der Prozesszone erstellt. Die Abbildungen werden typischerweise durch die ersten und zweiten Lichtstrahlen auf dem Bildsensor erzeugt. Vorzugsweise kann eine dritte Abbildung durch die dritten Lichtstrahlen erzeugt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden zumindest der erste Abbildungswinkel und der zweite Abbildungswinkel bereitgestellt. Die Abbildungswinkel können beispielsweise von der Maschinensteuerung und/oder von einem Bediener der Abbildungsvorrichtung bereitgestellt werden.
In einem anschließenden Verfahrensschritt wird zumindest die erste Abbildung mit der zweiten Abbildung verglichen. Vorzugsweise werden die geometrischen Inhalte der Abbildungen miteinander verglichen.
Auf Grundlage des Vergleichs wird zumindest eine Prozessgröße ermittelt bzw. berechnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen 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. Es zeigen:

1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung, wobei die Abbildungsvorrichtung einen Bildsensor und ein optisches Abbildungssystem aufweist;
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung;
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung;
4 zeigt den Bildsensor aus 3 in einer schematischen Darstellung;
5 zeigt die Blendenscheibe aus 3 in einer schematischen Ansicht;
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer schematischen Darstellung.

1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine 10 mit einer Abbildungsvorrichtung 12 zum Abbilden einer Prozesszone 14 der Laserbearbeitungsmaschine 10. Die Prozesszone 14 ist im dargestellten Fall als ein Bearbeitungsbereich bzw. Bestrahlungsbereich eines nicht näher dargestellten Laserstrahls der Laserbearbeitungsmaschine 12 ausgebildet.
Der Laserstrahl tritt während eines Bearbeitungsprozesses durch eine Bearbeitungsdüse 16 der Laserbearbeitungsmaschine 10 in Richtung eines zu bearbeitenden Werkstücks 18 aus. Zur besseren Bearbeitung kann das Werkstück 18 wie im dargestellten Fall auf einer, vorzugsweise stegartigen, Werkstückauflage 20 aufliegen. Durch Bestrahlen des Werkstücks 18 kann dieses im Wirkungsbereich des Laserstrahls aufgeschmolzen und/oder zumindest teilweise verdampft werden. Wird die Laserbearbeitungsmaschine 10 dabei in einer Bearbeitungsrichtung 22 bewegt, kann das zu bearbeitende Werkstück 18 bspw. entlang einer Schnittkante 24 geschnitten werden. Im Übergangsbereich zwischen dem Werkstück 18 und der Schnittkante 24 bildet sich dabei in Abhängigkeit einer Bestrahlungsdauer durch den Laserstrahl eine Bearbeitungsfront 26 an dem Werkstück 18 aus. Aus der Ausbildung der Bearbeitungsfront 26 können wichtige Informationen über den Bearbeitungsprozess abgeleitet werden. Die Ausbildung der Bearbeitungsfront 26 ist daher zur Steuerung bzw. Regelung der Laserbearbeitungsmaschine 10 maßgeblich und muss beispielsweise zur Sicherstellung einer hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit und/oder Bearbeitungsgüte überwacht werden.
Die Abbildungsvorrichtung 12 ist gemäß der gezeigten Ausführungsform an der Laserbearbeitungsmaschine 10 angeordnet, vorzugsweise in die Laserbearbeitungsmaschine 10 integriert. Die Abbildungsvorrichtung 12 umfasst einen Bildsensor 28 und ein zwischen der Prozesszone 14 und dem Bildsensor 28 angeordnetes optisches Abbildungssystem 30. Das optische Abbildungssystem 30 ist entlang einer Systemachse 32 ausgebildet, die zwischen dem Bildsensor 28 und der Prozesszone 14 verläuft. Vorzugsweise ist die Systemachse 32 als optische Achse des optischen Abbildungssystems 30 ausgebildet. Mit anderen Worten kann das optische Abbildungssystem 30 zumindest überwiegend rotationssymmetrisch zur Systemachse 32 ausgebildet sein. Die Systemachse 32 ist weiter vorzugsweise orthogonal zu dem zu bearbeitenden Werkstück 18 ausgebildet. Das optische Abbildungssystem 30, insbesondere die gesamte Abbildungsvorrichtung 12, kann orthogonal zu dem zu bearbeitenden Werkstück 18 angeordnet sein.
Das optische Abbildungssystem 30 weist eine zur Systemachse 32 radial beabstandete erste Blende 34 auf. Zudem weist das optische Abbildungssystem 30 eine zweite Blende 36 auf. Die zweite Blende 36 ist von der ersten Blende 34, insbesondere radial, beabstandet angeordnet. Gemäß der gezeigten Ausführungsform kann die zweite Blende 36 zentrisch zur Systemachse 32 angeordnet sein.
Die erste Blende 34 begrenzt von der Prozesszone 14 unter einem ersten Abbildungswinkel 38 abgestrahlte erste Lichtstrahlen 40. Die zweite Blende 36 begrenzt von der Prozesszone 14 unter einem zweiten Abbildungswinkel 42 abgestrahlte zweite Lichtstrahlen 44. Die Abbildungswinkel 38, 42 können als Neigung der jeweiligen Lichtstrahlen 40, 44 gegenüber der Systemachse 32 bestimmt werden. Gemäß der dargestellten Ausführungsform werden die zweiten Lichtstrahlen 44 parallel zur Systemachse 32 abgestrahlt, weshalb der zweite Abbildungswinkel 42 hier betragsmäßig null Grad ist. Der erste Abbildungswinkel 38 ist zu dem zweiten Abbildungswinkel 42 betragsmäßig verschieden ausgebildet. Vorzugsweise weist der erste Abbildungswinkel einen Betrag zwischen drei Grad und vier Grad auf.
Die ersten Lichtstrahlen 40 und die zweiten Lichtstrahlen 44 werden durch das optische Abbildungssystem 30 örtlich getrennt auf dem Bildsensor 28 abgebildet. Dies ermöglicht eine perspektivische Betrachtung der Prozesszone 14. Rein zur kompakteren Darstellung sind die Strahlengänge der ersten Lichtstrahlen 40 und der zweiten Lichtstrahlen 44 durch zwei horizontale Linien 46 unterbrochen dargestellt.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform kann das optische Abbildungssystem 30 eine Prozesszonenblende 48 - hier an der Bearbeitungsdüse 16 ausgebildet - aufweisen. Die Prozesszonenblende 48 begrenzt die von der Prozesszone 14 abgestrahlten Lichtstrahlen, beispielsweise die ersten und die zweiten Lichtstrahlen 40, 44. Hierdurch kann Streustrahlung verringert und die Abbildung der ersten und zweiten Lichtstrahlen 40, 44 verbessert werden.
Das optische Abbildungssystem 30 kann eine Richtlinse 50 aufweisen. Die Richtlinse 50 kann zwischen der Prozesszone 14, insbesondere zwischen der Prozesszonenblende 48, und der ersten und/oder der zweiten Blende 34, 36 angeordnet sein. Vorzugsweise richtet die Richtlinse 50 die von der Prozesszone 14 abgestrahlten ersten und/oder zweiten Lichtstrahlen 40, 44 parallel zur Systemachse 32 aus. Hierdurch kann die Abbildungsvorrichtung 12 in ihren Abmessungen radial zur Systemachse 32 kompakt gehalten werden.
Das optische Abbildungssystem 30 weist eine erste Abbildungslinse 52 auf. Die erste Abbildungslinse 52 ist zwischen den Blenden 34, 36 und dem Bildsensor 28 angeordnet. Die erste Abbildungslinse 52 ist typischerweise dazu ausgebildet, die ersten Lichtstrahlen 40 und/oder die zweiten Lichtstrahlen 44 auf dem Bildsensor 28 abzubilden. Wie in 1 dargestellt bildet die Abbildungslinse 52 die ersten Lichtstrahlen 40 in einem ersten Abbildungsbereich 54 und die zweiten Lichtstrahlen 44 in einem zweiten Abbildungsbereich 56 auf dem Bildsensor 28 ab. Der erste Abbildungsbereich 54 ist von dem zweiten Abbildungsbereich 56 örtlich getrennt.
Ausführungsgemäß ist ein einzelner Bildsensor 28 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Abbildungsvorrichtung 12 mehrere Bildsensoren 28 zum Abbilden der Lichtstrahlen 40, 44 aufweist. Der Bildsensor 28 sowie die Abbildungsbereiche 54, 56 mit den auf dem Bildsensor 28 abgebildeten ersten und zweiten Lichtstrahlen 40, 44 sind zur besseren Erläuterung als Draufsicht in einer Detaildarstellung gezeigt.
Die ersten Lichtstrahlen 40 sind gemäß 1 in die Bearbeitungsrichtung 22 geneigt, wodurch eine „stechende Abbildung“ der Prozesszone 14 bewirkt wird. Mit anderen Worten ermöglicht eine „stechende Abbildung“ eine geneigte Ansicht auf die Prozesszone 14 und die Bearbeitungsfront 26 in Bearbeitungsrichtung 22. Hieraus kann beispielsweise eine von dem ersten Abbildungswinkel 38 abhängige erste Länge 58 der Bearbeitungsfront 26 ermittelt werden.
Die zweiten Lichtstrahlen 44 weisen keine Neigung zur Systemachse 32 auf, wodurch eine „mittige Abbildung“ der Prozesszone 14 bewirkt wird. Mit anderen Worten ermöglicht eine „mittige Abbildung“ eine zentrale Ansicht auf die Prozesszone 14 und die Bearbeitungsfront 26 unabhängig von der Bearbeitungsrichtung 22. Hieraus kann beispielsweise eine von dem zweiten Abbildungswinkel 42 abhängige zweite Länge 60 der Bearbeitungsfront 26 ermittelt werden.
In einem geometrischen Vergleich der ermittelten Längen 58, 60 der Bearbeitungsfront 26 können anschließend weitere geometrische Größen der Prozesszone 14, beispielsweise eine momentane Eindringtiefe des Laserstrahls, ermittelt werden.
Das optische Abbildungssystem 30 kann eine Blendenscheibe 62 aufweisen. Die Blendenscheibe 62 ist zur besseren Erläuterung als Draufsicht in einer weiteren Detaildarstellung gezeigt. Die erste Blende 34 und die zweite Blende 36 können an der (gemeinsamen) Blendenscheibe 62 ausgebildet sein. Dies begünstigt eine genaue Positionierung der ersten Blende 34 zu der zweiten Blende 36, was sich vorteilhaft auf die Abbildungsgenauigkeit der Prozesszone 14 auswirkt.
Die Blendenscheibe 62 kann, wie durch den Pfeil 64 gekennzeichnet, um die Systemachse 32 drehbar ausgebildet sein. Dies ermöglicht das Anpassen der Abbildungsvorrichtung 12 an eine geänderte Bearbeitungsrichtung 22 der Laserbearbeitungsmaschine 10. Wird beispielsweise die in 1 dargestellte Bearbeitungsrichtung 22 umgekehrt, bildet das optische Abbildungssystem 30 die Prozesszone 14 entgegen der Bearbeitungsrichtung 22 ab. Durch Drehen der Blendenscheibe 62 um 180 Grad kann dies verhindert werden.
Das optische Abbildungssystem 30 kann, wie dargestellt, eine erste Drehentkopplung 66 aufweisen. Die erste Drehentkopplung 66 ist der ersten Blende 34 nachgelagert. Die erste Drehentkopplung 66 ist gemäß der gezeigten Ausführungsform als eine um die Systemachse 32 rotationssymmetrisch ausgebildete Sammellinse, hier in Form der Abbildungslinse 52, ausgebildet. Die Systemachse 32 entspricht dabei der optischen Achse der Abbildungslinse 52. Die erste Drehentkopplung 66 bildet die durch die erste Blende 34 begrenzten ersten Lichtstrahlen 40 in dem Abbildungsbereich 54 des Bildsensors 28 ab. Der Abbildungsbereich 54 ist zentrisch zu einem Abbildungsschnittpunkt 68 der Systemachse 32 mit dem Bildsensor 28 angeordnet, sodass die Abbildung der ersten Lichtstrahlen 40 unabhängig von einer zur Systemachse 32 ausgebildeten Verschiebung bzw. Verdrehung der ersten Blende 34 um die Systemachse 32 positionstreu erfolgen kann. Mit anderen Worten können die ersten Lichtstrahlen 40 unabhängig von einer Verdrehung der ersten Blende 34 in dem ortsfesten Abbildungsbereich 54 abgebildet werden. Die Position der Abbildung auf dem Bildsensor 28 ändert sich mithin nicht.
Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform weist das optische Abbildungssystem 30 zum örtlich beabstandeten Abbilden der zweiten Lichtstrahlen 44 auf dem Bildsensor 28 einen optischen Keil 70 auf. Der optische Keil 70 ist dazu eingerichtet, die zweiten Lichtstrahlen 44 gegenüber der Systemachse 32 geneigt auf die Abbildungslinse 52 zu richten. Ein geneigtes Anstrahlen der Abbildungslinse 52 bewirkt das vom Abbildungsschnittpunkt 70 radial beabstandete Abbilden der zweiten Lichtstrahlen 44 auf dem Bildsensor 28. Aufgrund der zentrischen Anordnung der zweiten Blende 36 auf der Systemachse 32 kann eine positionstreue Abbildung der zweiten Lichtstrahlen 44 unabhängig von einem Verdrehen der zweiten Blende 36 um die Systemachse 32 in dem Abbildungsbereich 56 des Bildsensors 28 erfolgen. Eine Drehentkopplung kann bei dieser Ausführungsform entfallen.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Abbildungsvorrichtung 12 in einer schematischen Darstellung. Ein optisches Abbildungssystem 30 weist eine erste Drehentkopplung 66 auf, die mittels einer ersten Abbildungslinse 52 eine verdrehunabhängige und positionstreue Abbildung erster Lichtstrahlen 40 im Abbildungsbereich 54 auf einem Bildsensor 28 ermöglicht.
Daneben weist das optische Abbildungssystem 30 ein erstes optisches Nebensystem 72 auf. Das optische Nebensystem 72 ist zum von den ersten Lichtstrahlen 40 örtlich getrennten Abbilden der zweiten Lichtstrahlen 44 auf dem Bildsensor 28 ausgebildet. Das erste optische Nebensystem 72 weist gemäß der gezeigten Ausführungsform einen ersten Umlenkspiegel 74, einen zweiten Umlenkspiegel 76, eine zweite Abbildungslinse 78 und ein Abbildungsprisma 80 auf.
Der erste Umlenkspiegel 74 ist zwischen den Blenden 34, 36 und der ersten Abbildungslinse 52 angeordnet und zum Umlenken zweiter Lichtstrahlen 44 eingerichtet. Darstellungsgemäß können die zweiten Lichtstrahlen 44 durch den ersten Umlenkspiegel 74 an der ersten Abbildungslinse 52 vorbei auf einen zweiten Umlenkspiegel 76 gelenkt werden.
Der zweite Umlenkspiegel 76 kann zum Ausrichten der zweiten Lichtstrahlen 44 ausgebildet sein. Vorzugsweise richtet der zweite Umlenkspiegel 76 die zweiten Lichtstrahlen 44 parallel zur Systemachse 32 aus. Mit anderen Worten erfolgt durch die Umlenkspiegel 74, 76 eine Parallelverschiebung der zweiten Lichtstrahlen 44 bzw. eine radiale Beabstandung der zweiten Lichtstrahlen 44 von der Systemachse 32.
Die zweiten Lichtstrahlen 44 können anschließend mittels der zweiten Abbildungslinse 78 auf den Bildsensor 28 abgebildet werden, wodurch die Abbildungsqualität verbessert werden kann.
Um die Abmessungen des Bildsensors 28 gering zu halten, kann, wie dargestellt, vorgesehen sein, dass die durch die Umlenkspiegel 74, 76 bedingte radiale Beabstandung teilweise oder vollständig durch das Abbildungsprisma 80 ausgeglichen wird.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Abbildungsvorrichtung 12 in einer schematischen Darstellung.
Ein optisches Abbildungssystem 30 weist eine zur Systemachse 32 radial beabstandete erste Blende 34, eine zweite Blende 36 und eine dritte Blende 82 auf. Die Blenden 34, 36, 82 können an einer gemeinsamen Blendenscheibe 62 ausgebildet sein.
Durch die erste Blende 34 begrenzte erste Lichtstrahlen 40 werden mittels einer Abbildungslinse 52 in einem ersten Abbildungsbereich 54 auf einen Bildsensor 28 abgebildet. Zweite Lichtstrahlen 44 werden analog zur 2 mittels einem ersten optischen Nebensystem 72 bzw. einer zweiten Abbildungslinse 78 in einem zweiten Abbildungsbereich 56 auf dem Bildsensor 28 abgebildet.
Die dritte Blende 82 kann von der ersten Blende 34 und/oder von der zweiten Blende 36, insbesondere radial, beabstandet angeordnet sein. Die dritte Blende 36 ist typischerweise zum Begrenzen von dritten Lichtstrahlen 84 ausgebildet, die unter einem dritten Abbildungswinkel 86 von der Prozesszone 14 abgestrahlt werden. Der dritte Abbildungswinkel 86 kann entgegen der Bearbeitungsrichtung 22 geneigt ausgebildet sein. Das optische Abbildungssystem 30 ist zum Abbilden der dritten Lichtstrahlen 84 auf dem Bildsensor 28, insbesondere in einem dritten Abbildungsbereich 88, ausgebildet.
Das optische Abbildungssystem 30 kann darstellungsgemäß ein zweites optisches Nebensystem 90 aufweisen, das zum Abbilden der dritten Lichtstrahlen 84 auf dem Bildsensor 28 eingerichtet ist. Das zweite optische Nebensystem 90 kann einen dritten Umlenkspiegel 92, einen vierten Umlenkspiegel 94, eine dritte Abbildungslinse 96 und ein zweites Abbildungsprisma 98 aufweisen.
Das zweite optische Nebensystem 90 kann anlog zu dem ersten optischen Nebensystem 72 zum radialen Beabstanden der dritten Lichtstrahlen 84 eingerichtet sein. Zu diesem Zweck kann zunächst ein Auslenken der ersten Lichtstrahlen 84 aus einer Richtung parallel zu der Systemachse 32 mit anschließendem erneuten parallelen Ausrichten gegenüber der Systemachse 32 der ausgelenkten dritten Lichtstrahlen 84 vorgesehen sein. Eine Abbildung der dritten Lichtstrahlen 84 kann so über die dritte Abbildungslinse 96 und das Abbildungsprisma 98 in dem, insbesondere ortsfesten, dritten Abbildungsbereich 88 positionstreu erfolgen.
Gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform ist das zweite optische Nebensystem 90 zudem als eine zweite Drehentkopplung 100 ausgebildet. Dies ermöglicht die positionstreue Abbildung der dritten Lichtstrahlen 84 auch bei Verdrehen der dritten Blende 82, bzw. der Blendenscheibe 62.
Der dritte Umlenkspiegel 92 des zweiten optischen Nebensystems 90 kann in einer zur Systemachse 32 orthogonalen Ebene rotationssymmetrisch zur Systemachse 32 ausgebildet sein. Der dritte Umlenkspiegel 92 kann in der zur Systemachse 32 orthogonalen Ebene kreisringartig ausgebildet sein, wobei der Innendurchmesser kleiner als ein kleinster Abstand der dritten Blende 82 von der Systemachse 32 ist und wobei der Außendurchmesser größer als ein größter Abstand der dritten Blende 82 von der Systemachse 32 ist. Vorzugsweise ist der Umlenkspiegel 92 in der zur Systemachse 32 orthogonalen Ebene als umlaufender Kreisring ausgebildet. Mit anderen Worten weist der Umlenkspiegel 92 in der zur Systemachse 32 projizierten Ebene Abmessungen auf, die zumindest der umlaufenden Projektionsfläche der dritten Blende 82 entsprechen. Hierdurch kann eine größtmögliche Unabhängigkeit von der Verdrehung der dritten Blende 82 bewirkt werden. Eine kreisringartige Ausbildung des dritten Umlenkspiegels 92 ermöglicht das optisch ungehinderte Passieren der ersten Lichtstrahlen 40 und der zweiten Lichtstrahlen 44, falls die Blenden 34, 36, 82 jeweils voneinander radial beabstandete umlaufende Projektionsflächen aufweisen - mit anderen Worten, wenn sich die umlaufenden Projektionsflächen der Blenden 34, 36, 82 nicht überschneiden.
Alternativ kann, wie in 3 dargestellt, vorgesehen sein, dass der Umlenkspiegel 92 zum Umlenken von Lichtstrahlen in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich eingerichtet ist, wobei Lichtstrahlen außerhalb des vorbestimmten Wellenlängenbereichs transmittiert werden. Hierfür kann vorgesehen sein, dass dem Umlenkspiegel 92 zumindest ein optischer Bandpassfilter 102 vorgeschaltet ist. Vorzugsweise weisen die Blenden 34, 36, 82 jeweils einen optischen Bandpassfilter 102 auf, der den Wellenlängenbereich der jeweiligen Lichtstrahlen 40, 44, 84 vorbestimmt. Hierdurch können Lichtstrahlen 40, 44, 84, die sich überlagernde umlaufende Projektionsflächen aufweisen, optisch getrennt werden.
Ebenso ist eine Erfassung weiterer Informationen anhand von Polarisationseigenschaften möglich. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Blenden 34, 36, 82 alternativ oder zusätzlich zu dem optischen Bandpassfilter 102 einen Polarisationsfilter, beispielsweise zur Filterung s- und p-polarisierter Lichtstrahlen, aufweist. Mittels eines Polarisationsfilters sind entsprechend „polarisierte“ Abbildungen darstellbar und/oder messtechnisch nutzbar.
4 zeigt den Bildsensor 28 aus 3 in einer schematischen Ansicht. Abbildungsbereiche 54, 56, 88 sind örtlich voneinander beabstandet und ortsfest auf dem Bildsensor 28 angeordnet. Mit anderen Worten verändern sich die Positionen der Abbildungsbereiche 54, 56, 88 auf dem Bildsensor 28 nicht, wenn die Bearbeitungsrichtung 22 (siehe 1) bzw. die Drehlage der Blendenscheibe 62 (siehe 1-3, 5) geändert wird.
Der erste Abbildungsbereich 54 zeigt eine „stechende Abbildung“ der Prozesszone 14 (siehe 1), wodurch beispielsweise die von dem ersten Abbildungswinkel 38 (siehe 1) abhängige erste Länge 58 der Bearbeitungsfront 26 ermittelt werden kann. Weiterhin zeigt der zweite Abbildungsbereich 56 eine „mittige Abbildung“ der Prozesszone 14, wodurch beispielsweise eine von dem zweiten Abbildungswinkel 42 (siehe 1) abhängige zweite Länge 60 der Bearbeitungsfront 26 ermittelt werden kann. Zudem zeigt der dritte Abbildungsbereich 88 eine durch den dritten Abbildungswinkel 86 bewirkte „schleppende Darstellung“ der Prozesszone 14 (siehe 3) entgegen der Bearbeitungsrichtung 22 (siehe 3), wodurch beispielsweise eine dritte Länge 104 der Bearbeitungsfront 26 ermittelt werden kann.
Durch die zusätzlichen Informationen über die dritte Abbildung kann die Bestimmung von geometrischen Größen der Prozesszone 14 noch weiter verbessert werden.
5 zeigt die Blendenscheibe 62 aus 3 in einer schematischen Ansicht.
Die Blendenscheibe 62 ist, gemäß dem Pfeil 64, drehbar um die Systemachse 32 ausgebildet. Die Blenden 34, 36, 82 sind örtlich getrennt voneinander an der Blendenscheibe 62 ausgebildet. Die zweite Blende 36 ist zentrisch zur Systemachse 32 an der Blendenscheibe 62 ausgebildet.
Die erste Blende 34 und die dritte Blende 82 sind um 180 Grad versetzt an der Blendenscheibe 62 ausgebildet und weisen verschiedene radiale Abstände zur Systemachse 32 auf.
Eine durch einen gestrichelten Kreisring angedeutete Spur 106 der ersten Blende 34 überschneidet sich mit der dritten Blende 82. Hierdurch kann es zu optischen Überlagerungen bei den ersten und dritten Lichtstrahlen 40, 84 kommen, wodurch die Abbildungen auf dem Bildsensor 28 (1-4) undeutlich werden. Um eine optische Überlagerung zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass die Blenden 34, 36, 82, hier insbesondere die erste und die dritte Blende 34, 82, einen optischen Bandpassfilter 102 aufweisen.
6 zeigt schematisch dargestellt ein Verfahren 108 zum Ermitteln von, insbesondere geometrischen, Prozessgrößen einer Prozesszone 14 (siehe 1) mittels einer Abbildungsvorrichtung 12 (siehe 1).
Das Verfahren 108 weist die nachfolgenden Verfahrensschritte (siehe nachfolgend auch 1) auf.
In einem Verfahrensschritt 110 wird eine erste Abbildung und eine zweite Abbildung der Prozesszone 14 erstellt. Die erste und die zweite Abbildung werden typischerweise durch Abbilden von ersten und zweiten Lichtstrahlen 40, 44 in einem ersten und zweiten Abbildungsbereich 54, 56 eines Bildsensors 28 erstellt.
In einem weiteren Verfahrensschritt 112 wird der erste Abbildungswinkel 38 und ein zweiter Abbildungswinkel 42 bereitgestellt.
Ein anschließender Verfahrensschritt 114 sieht das geometrisches Vergleichen der ersten Abbildung mit der zweiten Abbildung vor, wobei zumindest eine Prozessgröße durch den geometrischen Vergleich ermittelt bzw. berechnet wird.
Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung eine Abbildungsvorrichtung (12) zum Abbilden einer Prozesszone (14) einer Laserbearbeitungsmaschine (10), umfassend einen Bildsensor (28) und ein zwischen der Prozesszone (14) und dem Bildsensor (28) angeordnetes optisches Abbildungssystem (30). Das optische Abbildungssystem (30) weist eine zwischen dem Bildsensor (28) und der Prozesszone (14) verlaufende Systemachse (32), eine zur Systemachse (32) radial beabstandete erste Blende (34) und eine zweite Blende (36) auf. Von der Prozesszone (14) unter verschiedenen Abbildungswinkeln (38, 42) abgestrahlte Lichtstrahlen (40, 44) werden durch die Blenden (34, 36) begrenzt. Das optische Abbildungssystem (30) ist zum örtlich getrennten Abbilden der ersten Lichtstrahlen (40) von den zweiten Lichtstrahlen (44) ausgebildet. Die Erfindung betrifft ferner eine Laserbearbeitungsmaschine (10) mit einer Abbildungsvorrichtung (12) sowie ein Verfahren zum Ermitteln von Prozessgrößen.
Bezugszeichenliste

10: Laserbearbeitungsmaschine
12: Abbildungsvorrichtung
14: Prozesszone
16: Bearbeitungsdüse
18: Werkstück
20: Werkstückauflage
22: Bearbeitungsrichtung
24: Schnittkante
26: Bearbeitungsfront
28: Bildsensor
30: optisches Abbildungssystem
32: Systemachse
34: erste Blende
36: zweite Blende
38: erster Abbildungswinkel
40: erste Lichtstrahlen
42: zweiter Abbildungswinkel
44: zweite Lichtstrahlen
46: horizontale Linien
48: Prozesszonenblende
50: Richtlinse
52: erste Abbildungslinse
54: erster Abbildungsbereich
56: zweiter Abbildungsbereich
58: erste Länge
60: zweite Länge
62: Blendenscheibe
64: Pfeil
66: erste Drehentkopplung
68: Abbildungsschnittpunkt
70: optischer Keil
72: erstes optisches Nebensystem
74: erster Umlenkspiegel
76: zweiter Umlenkspiegel
78: zweite Abbildungslinse
80: Abbildungsprisma
82: dritte Blende
84: dritte Lichtstrahlen
86: dritter Abbildungswinkel
88: dritter Abbildungsbereich
90: zweites optisches Nebensystem
92: dritter Umlenkspiegel
94: vierter Umlenkspiegel
96: dritte Abbildungslinse
98: zweites Abbildungsprisma
100: zweite Drehentkopplung
102: optischer Bandpassfilter
104: dritte Länge
106: Spur
108: Verfahren
110: Verfahrensschritt
112: Verfahrensschritt
114: Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016062636 A1 [0003]
WO 2016181359 A1 [0004]
DE 102013218421 A1 [0005]

Claims

Abbildungsvorrichtung (12) zum Abbilden einer Prozesszone (14) einer Laserbearbeitungsmaschine (10), umfassend einen Bildsensor (28) und ein zwischen der Prozesszone (14) und dem Bildsensor (28) angeordnetes optisches Abbildungssystem (30); wobei das optische Abbildungssystem (30) aufweist: - eine zwischen dem Bildsensor (28) und der Prozesszone (14) verlaufende Systemachse (32); - eine zur Systemachse (32) radial beabstandete erste Blende (34), die von der Prozesszone (14) unter einem ersten Abbildungswinkel (38) abgestrahlte erste Lichtstrahlen (40) begrenzt; - Eine zweite Blende (36), die von der Prozesszone (14) unter einem zweiten Abbildungswinkel (42) abgestrahlte zweite Lichtstrahlen (44) begrenzt; - eine zwischen den Blenden (34, 36, 82) und dem Bildsensor (28) angeordnete erste Abbildungslinse (52), die zum Abbilden von Lichtstrahlen (40, 44, 84) auf dem Bildsensor (28) ausgebildet ist; wobei der erste Abbildungswinkel (38) verschieden zu dem zweiten Abbildungswinkel (42) ist; und wobei das optische Abbildungssystem (30) zum örtlich getrennten Abbilden der ersten Lichtstrahlen (40) von den zweiten Lichtstrahlen (44) ausgebildet ist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 1, wobei das optische Abbildungssystem (30) ferner eine zwischen der Prozesszone (14) und den Blenden (34, 36, 82) angeordnete Richtlinse (50) aufweist, die von der Prozesszone (14) abgestrahlte Lichtstrahlen (40, 44, 84) parallel zur Systemachse (32) auf die Blenden (34, 36, 82) ausrichtet.
Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Abbildungssystem (30) eine dritte Blende (82) aufweist, die von der Prozesszone (14) unter einem dritten Abbildungswinkel (86) abgestrahlte dritte Lichtstrahlen (84) begrenzt.
Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 3, wobei der dritte Abbildungswinkel (86) verschieden zu dem ersten und/oder dem zweiten Abbildungswinkel (38, 42) ist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das optische Abbildungssystem (30) zum örtlich getrennten Abbilden der dritten Lichtstrahlen (84) von den ersten und/oder den zweiten Lichtstrahlen (40, 44) auf dem Bildsensor (28) ausgebildet ist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Abbildungssystem (30) eine Prozesszonenblende (48), insbesondere eine Bearbeitungsdüse (16) der Laserbearbeitungsmaschine (10), zum Begrenzen der von der Prozesszone (14) abgestrahlten Lichtstrahlen (40, 44, 84) aufweist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Blenden (34, 36, 82) an einer gemeinsamen Blendenscheibe (62) ausgebildet sind.
Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 7, wobei die Blendenscheibe (62) um die Systemachse (32) drehbar ausgebildet ist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 8, wobei das optische Abbildungssystem (30) eine der ersten Blende (34) nachgelagerte erste optische Drehentkopplung (66) aufweist; wobei die erste optische Drehentkopplung (66) unabhängig von einer Drehung der Blendenscheibe (62) zur positionstreuen Abbildung der ersten Lichtstrahlen (40) auf dem Bildsensor (28) ausgebildet ist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 9, wobei die Systemachse (32) den Bildsensor (28) in einem Abbildungsschnittpunkt (68) schneidet; und wobei die erste Abbildungslinse (52) zum zentrischen Abbilden der ersten Lichtstrahlen (40) auf den Abbildungsschnittpunkt (68) ausgebildet ist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Systemachse (32) zentrisch durch die zweite Blende (36) verläuft; aufweisend einen der ersten Abbildungslinse (52) vorgelagerten optischen Keil (70), der zum gegenüber der Systemachse (32) geneigten Umlenken der zweiten Lichtstrahlen (44) auf die erste Abbildungslinse (52) ausgebildet ist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Systemachse (32) zentrisch durch die zweite Blende (36) verläuft; wobei das optische Abbildungssystem (30) ein erstes optisches Nebensystem (72) mit einer zweiten Abbildungslinse (78) aufweist; und wobei die zweite Abbildungslinse (78) zum positionstreuen Abbilden der zweiten Lichtstrahlen (44) ausgebildet ist.
Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei das erste optische Nebensystem (72) einen den Blenden (34, 36, 82) nachgelagerten ersten Umlenkspiegel (74) aufweist, wobei der erste Umlenkspiegel (74) zum Umlenken von bestimmten Wellenlängen der zweiten Lichtstrahlen (44) ausgebildet ist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 13 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das optische Abbildungssystem (30) ein der dritten Blende (82) nachgelagertes zweites optisches Nebensystem (90) mit einer dritten Abbildungslinse (96) aufweist; und wobei die dritte Abbildungslinse (96) zum positionstreuen Abbilden der dritten Lichtstrahlen (84) ausgebildet ist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 14, wobei das zweite optische Nebensystem (90) als eine zweite optische Drehentkopplung (100) ausgebildet ist; wobei die zweite optische Drehentkopplung (100) zum von einer Drehung der Blendenscheibe (62) unabhängigen positionstreuen Abbilden der dritten Lichtstrahlen (84) ausgebildet ist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 15, wobei die zweite optische Drehentkopplung (100) einen den Blenden (34, 36, 82) nachgelagerten dritten Umlenkspiegel (92) aufweist, wobei der dritte Umlenkspiegel (92) zum Umlenken von bestimmten Wellenlängen der dritten Lichtstrahlen (84) ausgebildet ist.
Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen einzigen Bildsensor (28); wobei das optische Abbildungssystem (30) zum Abbilden der Lichtstrahlen (40, 44, 84) auf dem einzigen Bildsensor (28) ausgebildet ist.
Laserbearbeitungsmaschine (10) mit einer Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren (108) zum Ermitteln von, insbesondere geometrischen, Prozessgrößen einer Prozesszone (14) mittels einer Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, aufweisend die Schritte: - Erstellen (110) von einer ersten Abbildung und einer zweiten Abbildung der Prozesszone (14); - Bereitstellen (112) des ersten Abbildungswinkels (38) und des zweiten Abbildungswinkels (42); - Geometrisches Vergleichen der ersten Abbildung mit der zweiten Abbildung; wobei zumindest eine Prozessgröße durch den geometrischen Vergleich ermittelt wird.