DE10208781B4

DE10208781B4 - Verfahren zum Bestimmen der Intensitätsverteilung beim Auftreffen eines Laserstrahls auf eine Objektoberfläche

Info

Publication number: DE10208781B4
Application number: DE2002108781
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl.-Ing. Olowinsky; Reiner Dipl.-Ing. Witte; Arnold Dr. Gillner; Armin Dipl.-Ing. Schildecker
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-03-01
Also published as: DE10208781A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Intensitätsverteilung beim Auftreffen eines Laserstrahls auf eine Objektoberfläche mit folgenden Schritten:
– Erfassen von ersten Intensitätsverteilungen des Laserstrahls in mehreren Ebenen, die den Laserstrahl annähernd senkrecht schneiden und bekannte gegenseitige Abstände aufweisen;
– Bereitstellen der ersten Intensitätsverteilungen in digitalisierter Form;
– Rechnergestützte Anordnung und Ausrichtung der ersten Intensitätsverteilungen entsprechend den gegenseitigen Abständen der Ebenen sowie der Strahlachse des Laserstrahls in einem dreidimensionalen Bezugssystem;
– Bereitstellen des dreidimensionalen Oberflächenverlaufs der Objektoberfläche zumindest im Bereich des Auftreffortes des Laserstrahls in dem Bezugssystem im Rechner;
– Berechnen der Intensitätsverteilung auf der Objektoberfläche aus Stützstellen der erfassten ersten Intensitätsverteilungen durch Interpolation.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Intensitätsverteilung beim Auftreffen eines Laserstrahls auf eine Objektoberfläche, die beliebig geformt und unter beliebigem Winkel gegenüber dem Laserstrahl angeordnet sein kann.
Die Kenntnis der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls auf einer Objektfläche ist in vielen Bereichen der Laserbearbeitung wünschenswert. Bei Kenntnis dieser Intensitätsverteilung können die Parameter der Laserbearbeitung optimal eingestellt und bestimmte Vorgänge während der Laserbearbeitung besser verstanden werden.
Auf dem breiten Anwendungsgebiet der Laserbearbeitung kommen sowohl gepulste als auch kontinuierlich angeregte Lasersysteme, beispielsweise im Wellenlängenbereich zwischen 350 nm und 1100 nm, zur Anwendung. Viele Laseranwendungen setzen den Laser nicht oder nur selten senkrecht zur Materialoberfläche ein. So wird der Laserstrahl in der industriellen Produktion häufig nicht lotrecht auf die Bearbeitungsfläche gerichtet, da dies entweder vom Prozess her nicht erwünscht oder aufgrund der vorgegebenen Geometrien am Bearbeitungsort nicht möglich ist.
Auf einem anderen Anwendungsgebiet, der Beschriftung von Objekten, werden Scanner zur Führung des Laserstrahls eingesetzt. Da bei derartigen Scannern der Laserstrahl über eine Spiegelumlenkung, beispielsweise einen rotierenden Facettenspiegel, über den Bearbeitungs- bzw. Beschriftungsort geführt wird, trifft er an jedem Ort der Oberfläche unter einem anderen Winkel auf. Daraus können unterschiedliche Eigenschaften des Laserstrahls an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche resultieren.
Ein weiteres Anwendungsgebiet stellt das Löten von Bauteilen mittels Laserstrahlung dar. Bei einem derartigen Lötprozess ist es einerseits von Vorteil, die Lötstelle unter einem nicht lotrechten Winkel zu beleuchten, andererseits ist dies in vielen Fällen auch nicht anders möglich, da durch das zu lötende Bauteil häufig kein freier senkrechter Strahlweg zur Lötstelle vorhanden ist.
In all diesen beispielhaft genannten Anwendungsgebieten ist es erwünscht, die Intensitätsverteilung des Laserstrahls beim Auftreffen auf die Objektoberfläche bestimmen zu können.

Bei Laseranwendungen, bei denen der Einstrahlwinkel des Lasers auf das Material 90° beträgt, kann die Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Fokusebene mit einem geeigneten flächigen Detektor erfasst werden. Als Beispielanwendung für eine Laseranwendung mit senkrechtem Einstrahlwinkel ist das Laserstrahlschneiden zu nennen. Verwendung finden hierbei sowohl thermische Detektorschichtsysteme als auch bildgebende Arrays photoempfindlicher Elemente.

Auf Basis der mit diesen Detektoren erfassten bzw. aufgezeichneten Intensitätsverteilungen des Laserstrahls in der Fokusebene, d. h. auf der Objektoberfläche, können die Parameter beim Laserstrahlschneiden optimiert werden. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass auch das zu bearbeitende Objekt eine ebene Oberfläche aufweist, auf die der Laserstrahl senkrecht auftrifft.

Aus der DE 38 41 244 C2 ist eine Vorrichtung zum Messen des Intensitätsprofils eines CO₂-Laserstrahls bekannt, bei der die Messung indirekt mit Hilfe eines phosphoreszierenden Plättchens und eines Festkörperbildsensors erfolgt. Das phosphoreszierende Plättchen wird unter einem Winkel von etwa 45° in den Strahlengang des Lasers gebracht und die auf dem Plättchen sichtbare räumliche Verteilung der Phosphoreszenz mit einem Festkörperbildsensor erfasst. Hierdurch lässt sich jedoch die Intensitätsverteilung im Strahl nur qualitativ ableiten.

Die US 4,760,537 beschreibt ein Detektionssystem zum Analysieren eines Laserstrahlprofils, bei dem der Strahl auf einen Festkörperbildsensor auftrifft, die erfassten Signale in einem Minicomputer verarbeitet und als zweidimensionale Intensitätsverteilung in Echtzeit an einem Monitor dargestellt werden. Auch diese Vorrichtung dient wiederum nur der Beurteilung der Strahlqualität.

Die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls beim Auftreffen auf eine Objektfläche lässt sich mit einem derartigen System nur dann zuverlässig bestimmen, wenn die Objektoberfläche senkrecht zum Strahl ausgerichtet ist und der Festkörperbildsensor die Intensitätsverteilung an der Stelle der Objektoberfläche erfasst.

In vielen Bereichen der Laserstrahlbearbeitung, wie beispielsweise bei den eingangs genannten Anwendungen, ist diese Voraussetzung jedoch nicht erfüllt. So wird gerade in den Bereichen des Laserstrahlfügens und Laserstrahllötens häufig auch in einem von 90° abweichenden Winkel auf die Objektoberfläche eingestrahlt. Daraus ergibt sich eine von senkrechtem Einfall abweichende Strahlgeometrie und Intensitätsverteilung auf der Objektoberfläche. Diese kann mit den bisher der Anmelderin bekannten Vorrichtungen und Verfahren nicht bestimmt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Intensitätsverteilung beim Auftreffen eines Laserstrahls auf eine Objektoberfläche anzugeben, das für beliebige Geometrien der Objektoberfläche und beliebige Einstrahlwinkel des Laserstrahls auf die Objektoberfläche einsetzbar ist.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Beim vorliegenden Verfahren werden zunächst erste Intensitätsverteilungen des Laserstrahls in mehreren Ebenen erfasst, die den Laserstrahl annähernd senkrecht schneiden und bekannte gegenseitige Abstände aufweisen.

Die Erfassung dieser Intensitätsverteilungen in den jeweiligen Ebenen kann mit bekannten Detektoren erfolgen. Die erfassten Intensitätsverteilungen werden einem Rechner zugeführt und rechnergestützt unter Berücksichtigung der gegenseitigen Abstände der Ebenen sowie der Strahlachse des Laserstrahls in einem dreidimensionalen Bezugssystem angeordnet und ausgerichtet. Weiterhin wird der dreidimensionale Oberflächenverlauf der Objektoberfläche zumindest im Bereich des Auftreffortes des Laserstrahls in dem gewählten Bezugssystem im Rechner bereitgestellt. Dies kann über eine funktionelle Darstellung als Oberflächenfunktion z = f(x, y) oder in tabellarischer Form, d. h. durch Bereitstellung einer Vielzahl von Oberflächenkoordinaten, erfolgen. Schließlich wird die Intensitätsverteilung auf der bereitgestellten Objektoberfläche aus Stützstellen der erfassten ersten Intensitätsverteilungen durch Interpolation berechnet. Das Ergebnis kann sowohl in graphischer Darstellung als auch durch numerische Intensitätswerte in Abhängigkeit von den Bezugskoordinaten senkrecht zur Laserstrahlachse ausgegeben werden.

Die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine erste Eingabeschnittstelle zum Erhalt von ersten Intensitätsverteilungen des Laserstrahls in mehreren Ebenen, die den Laserstrahl annähernd senkrecht schneiden und bekannte gegenseitige Abstände aufweisen, eine zweite Eingabeschnittstelle zum Erhalt des dreidimensionalen Oberflächenverlaufs der Objektoberfläche zumindest im Bereich des Auftreffortes des Laserstrahls in einem Bezugssystem, und eine Speichereinheit zum Speichern der ersten Intensitäts verteilungen, der Abstände der Ebenen sowie des dreidimensionalen Oberflächenverlaufs in digitalisierter Form. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Recheneinheit, die derart ausgebildet ist, dass sie die ersten Intensitätsverteilungen entsprechend den gegenseitigen Abständen der Ebenen sowie der Strahlachse des Laserstrahls in dem dreidimensionalen Bezugssystem anordnet und ausrichtet sowie die Intensitätsverteilung auf der Objektoberfläche aus Stützstellen der ersten Intensitätsverteilungen durch Interpolation berechnet und ausgibt.

Die Vorrichtung kann beispielsweise eine speziell für die Intensitätsbestimmung ausgebildete Einheit mit den beiden Schnittstellen sowie einem Speicher und einem Mikroprozessor sein.

Das. Verfahren sowie die Vorrichtung bieten die Möglichkeit, Strahlformen und -intensitäten auf nicht ebenen und nicht senkrecht zur Strahlachse liegenden Oberflächen im Vorfeld einer Laserbearbeitung zu bestimmen. Dies ermöglicht in einer frühen Planungsphase, das Werkzeug Laser optimal hinsichtlich Strahlformung, Intensität und Einstrahlwinkel vorzubereiten und einzuplanen. Dadurch kann bei Prozessoptimierungen ein wesentlicher Teil der Arbeit an den Rechnerarbeitsplatz verlegt werden, welche früher in mühevoller Kleinarbeit direkt mit dem aktiven Laserstrahl durchgeführt werden musste. Das vorliegende Verfahren und die zugehörige Vorrichtung tragen somit zur Erleichterung der Planung neuer Prozesse und zur schnelleren Findung der Prozessparameter im Bereich der Laserbearbeitung bei. Desweiteren wird durch die hierdurch verringerte Strahlzeit des Lasers bei Einrichtarbeiten die Unfallgefahr am Arbeitsplatz bei sonst sehr langwierigen Parameterstudien verringert.

Gerade beim Löten von elektronischen Bauteilen, beispielsweise von SMDs (surface mounted device) auf Baugruppenträger, können das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung sehr vorteilhaft eingesetzt werden. Sie ermöglichen die Bestimmung bzw. Berechnung der Intensitätsverteilungen auf der Oberfläche der Lötstelle, so dass diese Erkenntnis zur Prozessoptimierung herangezogen werden kann. Im praktischen Einsatz ergab dies bereits neue Erkenntnisse im Verständnis des Wärmeeintrags in die Lötstelle zwischen Bauteil und Bauteilträger, beispielsweise einer Platine.

Die mit dem vorliegenden Verfahren bzw. der vorliegenden Vorrichtung gewonnenen Intensitätsverteilungen können auch als Anfangswerte für FEM-Berechnungen herangezogen werden. Dies ist mit den bekannten Verfahren bisher nicht möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens werden die Ebenen, in denen die ersten Intensitätsverteilungen erfasst werden äquidistant gewählt. Dies vereinfacht die Bestimmung der Intensitätsverteilung auf der Objektoberfläche.

Die Erfassung der Intensitätsverteilungen erfolgt vorzugsweise durch Messung mit einem die Intentsitätsverteilung zweidimensional erfassenden Detektor, der an verschiedenen Orten in den Strahlengang des Laserstrahls eingebracht wird. Als Detektoren können bekannte Festkörpersensorarrays (z.B. CCD) eingesetzt werden. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Art der Erfassung der Intensitätsverteilungen festgelegt.

Die Ebenen, in denen die Intensitätsverteilung erfasst wird, werden vorzugsweise in den Bereich des Fokus, in dem sich in der Regel die Objektoberfläche befindet, gelegt. Die Anzahl dieser Ebenen beträgt vorzugsweise zumindest 10. Sehr gute Ergebnisse lassen sich mit etwa 10 bis 20 Ebenen erzielen.

Die Anordnung und Ausrichtung der erfassten ersten Intensitätsverteilungen erfolgt zum einen anhand des bekannten Abstandes der Ebenen, zum anderen anhand charakteristischer Merkmale dieser erfassten Intensitätsverteilungen, die Aufschluss über den Ort der Strahlachse geben. Hierfür werden die Rohdaten mit Hilfe eines Algorithmus analysiert. Bei einem gaußförmigen Strahlprofil liegt die Strahlachse in bekannter Weise bei der maximalen Intensität, so dass diese zur Bestimmung der Strahlachse herangezogen werden kann. Bei anderen Strahlprofilen können vergleichbare charakteristische Muster bzw. Werte herangezogen werden. Die einzelnen Bildebenen bzw. deren Intensitätsverteilungen werden anhand dieser Strahlachse ausgerichtet. Dem Fachmann in der Bildverarbeitung sind geeignete Algorithmen für eine derartige Vorgehensweise bekannt.

Aus diesen auf diese Weise verarbeiteten Rohdaten und der Oberflächengeometrie des Objektes werden im Rechner Stützstellen aus den Bildern bzw. Intensitätsverteilungen erzeugt, die dann zur Bestimmung einer Abbildung der Intensitätsverteilung auf der Objektoberfläche per Interpolationsalgorithmus verarbeitet werden. Die resultierenden Daten geben die wahrscheinliche Intensitätsverteilung auf der betrachteten Oberfläche wieder.

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur ohne Beschränkung des vorangehend beschriebenen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird anhand eines vereinfachten Beispiels die prinzipielle Vorgehensweise bei der Bestimmung der Intensitätsverteilung beim Auftreffen eines Laserstrahls auf eine Objektoberfläche nochmals aufgezeigt. Um die neue Intensitätsverteilung zu bestimmen, werden im vorliegenden Beispiel äquidistante Abbildungen der Laserstrahlintensität längs des Strahlweges ortsaufgelöst mit einem CCD-Sensor-Array erfasst.
Die äquidistanten Ebenen, in denen die zweidimensionale Intensitätsverteilung gemessen wird, liegen vorzugsweise in unmittelbarer Fokusnähe. Die Erlangung dieser Intensitätsverteilungen ist unkritisch und gängige Praxis für alle auf dem Markt befindlichen Lasersysteme. Die Daten werden digitalisiert und einem Rechnersystem zugeführt.
In dem Rechnersystem müssen diese Rohdaten zunächst auf ein einheitliches Koordinatensystem ausgerichtet werden. Hierfür wird eine Achse dieses Koordinatensystems, im vorliegenden Fall die x-Achse, der Strahlachse zugeordnet. Zum Anordnen und Ausrichten der Rohdaten wird ein Algorithmus eingesetzt, der die Rohdaten, d. h. die Intensitätsverteilungen jedes einzelnen Bildes bzw. jeder einzelnen Ebene, analysiert und anhand der charakteristischen Intensitätsverteilungen zueinander orientiert. Dies kann beispielsweise an der Figur nachvollzogen werden, in der das Bezugssystem mit der als Strahlachse definierten x-Achse sowie vier Bilder der erfassten Intensitätsverteilungen dargestellt sind. Zur Erreichung einer hohen Genauigkeit bei der Bestimmung der Intensitätsverteilung auf der Objektoberfläche werden in der Regel die Intensitätsverteilungen in mehr als vier Ebenen erfasst. Im vorliegenden Beispiel sind zur Vereinfachung lediglich vier Abbildungen dargestellt. Die vier Abbildungen werden entsprechend der Messung äquidistant und parallel zueinander ausgerichtet. Jede der Abbildungen zeigt im vorliegenden Beispiel einen annähernd kreisförmigen Strahlquerschnitt mit einem Zentrum maximaler Intensität. Dies entspricht einem annähernd gaußförmigen Strahlprofil. In der Figur sind die vier Abbildungen noch nicht entlang der zentralen Achse, der Strahlachse aufgereiht. Dies erfolgt rechnergestützt durch Auswertung des Ortes des Intensitätsmaximums in jedem Bild und Verschieben des jeweiligen Bildes, so dass sich das Intensitätsmaximum auf der x-Achse befindet.
Diese Aufreihung der einzelnen Aufnahmen entlang der zentralen Achse kann bei abweichenden Strahlgeometrien über ein entsprechend anderes Charakteristikum bzw. einen charakteristischen Wert in jeder Abbildung erreicht werden.
Wird während der Erstellung der einzelnen Abbildungen mit unterschiedlichen Filtern gearbeitet, beispielsweise um eine Übersteuerung der lichtempfindlichen Fläche eines CCD-basierten Systems zu vermeiden, so führt dies zu Abweichungen in der Grundintensität. Durch Normierung der Bilddaten kann diese Abweichung im Rechner wieder aufgehoben werden.
Die zu bestimmende Intensitätsverteilung ist abhängig von der zugrundeliegenden Geometrie der zu bearbeitenden Oberfläche. Im vorliegenden Fall wird als Beispiel die Intensitätsverteilung auf einer schiefen Ebene berechnet und ausgegeben. Es können jedoch auch beliebig andere mathematisch beschreibbare Oberflächen behandelt werden. Diese werden dem Rechner als Funktion f(x,y) oder tabellarisch zur Verfügung gestellt.
Mittels der rechnergestützt angeordneten und ausgerichteten Daten in dem Bezugssystem und der Oberflächengeometrie, die in dem Bezugssystem vorliegt, werden Stützstellen aus dem Originalbildern erzeugt, die dann zur Erzeugung einer Abbildung der Intensitätsverteilung über dem Ort I (x, y) per Interpolationsalgorithmus verarbeitet werden. Die Ausgabe der auf diese Weise errechneten Intensitätsverteilung auf der Objektoberfläche kann in graphischer Weise oder auch durch Übergabe entsprechender Intensitätswerte in Abhängigkeit vom Ort auf der Objektoberfläche erfolgen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Intensitätsverteilung beim Auftreffen eines Laserstrahls auf eine Objektoberfläche mit folgenden Schritten: – Erfassen von ersten Intensitätsverteilungen des Laserstrahls in mehreren Ebenen, die den Laserstrahl annähernd senkrecht schneiden und bekannte gegenseitige Abstände aufweisen; – Bereitstellen der ersten Intensitätsverteilungen in digitalisierter Form; – Rechnergestützte Anordnung und Ausrichtung der ersten Intensitätsverteilungen entsprechend den gegenseitigen Abständen der Ebenen sowie der Strahlachse des Laserstrahls in einem dreidimensionalen Bezugssystem; – Bereitstellen des dreidimensionalen Oberflächenverlaufs der Objektoberfläche zumindest im Bereich des Auftreffortes des Laserstrahls in dem Bezugssystem im Rechner; – Berechnen der Intensitätsverteilung auf der Objektoberfläche aus Stützstellen der erfassten ersten Intensitätsverteilungen durch Interpolation.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des dreidimensionalen Oberflächenverlaufs der Objektoberfläche als Oberflächenfunktion f(x,y) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des dreidimensionalen Oberflächenverlaufs der Objektoberfläche in tabellarischer Form erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenen äquidistant gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Intensitätsverteilungen in zumindest zehn voneinander beabstandeten Ebenen erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Ebenen in unmittelbarer Umgebung eines Fokus des Laserstrahls gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der ersten Intensitätsverteilungen durch Messung mit einem die Intensitätsverteilung zweidimensional erfassenden Detektor erfolgt, der an verschiedenen Orten in den Strahlengang des Laserstrahls eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die rechnergestützte Ausrichtung der ersten Intensitätsverteilungen anhand charakteristischer Werte der ersten Intensitätsverteilungen erfolgt.
Verfahren nach einem der Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die rechnergestützte Ausrichtung der ersten Intensitätsverteilungen bei annähernd gaußförmigem Stahlprofil des Laserstrahls durch Auswerten und Aufreihen der Intensitätsmaxima der ersten Intensitätsverteilungen entlang einer zentralen Achse erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung auf der Objektoberfläche als zweidimensionale Abbildung bereitgestellt wird.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Prozessoptimierung bei der Laserbearbeitung von Oberflächen.
Verwendung nach Anspruch 11 zur Prozessoptimierung beim Löten mittels Laserstrahlung.