DE19600978A1 - Vorrichtung zur Echtzeit-Überwachung des Strahlprofils eines Lasers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Echtzeit-Überwachung des Strahlprofils eines Lasers.

Bei speziellen Laser-Anwendungen ist es erforderlich, während des Betriebs ununterbrochen ein bestimmtes Strahlprofil aufrechtzuerhalten.

Eine spezielle Laser-Anwendung ist eine Lasergravuranlage, in der beispielsweise in die Oberfläche einer Kunststoffwalze ein bestimmtes Muster eingearbeitet wird, in dem der Laserstrahl die Oberfläche der Walze mit gleicher Geschwindigkeit zeilenweise abtastet, während die Stärke des Laserstrahls moduliert wird. Maßgebend für die Tiefe, bis zu der der Laserstrahl in das Werkstück eindringt, ist die Energie, die von dem Laserstrahl während dessen Verweilzeit an einer bestimmten Stelle der Werkstückoberfläche in das Werkstück gelangt. Dabei spielt ersicht­ lich der Querschnitt, d. h. das Strahlprofil des Lasers eine bedeutende Rolle; denn bei großem Strahlquerschnitt verteilt sich die Leistung des Lasers auf eine größere Fläche als bei kleinem Strahlquerschnitt.

Wie man sieht, muß also in bestimmten Anwendungsfällen darauf ge­ achtet werden, daß ein einmal eingestelltes Strahlprofil während des gesamten Bearbeitungsvorgangs beibehalten wird. Besonders wichtig ist dies, wenn sich ein im Zuge des Betriebs ändernder Strahlquerschnitt nicht anhand von Sekundärinformation erkennen läßt. Wenn beispiels­ weise die Laserleistung selbst auch bei Änderung des Strahlprofils un­ verändert bleibt, würde man aus diesem Umstand schließen, daß keine Störung vorliegt.

Zur Echtzeit-Überwachung des Strahlprofils eines Lasers kann man einen optischen Aufnehmer, beispielsweise eine CCD-Kamera, in Ver­ bindung mit einer Auswerteelektronik einsetzen. Ein von dem Laser beispielsweise mittels eines teildurchlässigen Spiegels im Ausgangsstrah­ lengang abgeleitete Laserstrahl fällt auf die CCD-Kamera. Die von den einzelnen Bildelementen der Kamera gelieferten Signale können dann mit einem entsprechend gerasterten Soll-Bild verglichen werden.

Betrachtet man als Beispiel ein kreisförmiges Strahlprofil, wobei der Kreis sich an einer bestimmten Stelle eines in geeigneter Weise einge­ stellten Koordinatensystems befindet, so liefert die CCD-Kamera im Idealfall genau an solchen Stellen ein Signal "Hell", die einem "Soll"-Bild entsprechen. Ein solches System arbeitet zufriedenstellend, ist aber anfällig bei einem Versatz des Strahlprofils in der Bildebene. Wenn durch eine Fehljustierung oder dergleichen das Strahlprofil nach oben und/oder seitlich versetzt wird, liefert der Abgleich mit dem Soll-Bild das Ergebnis, wonach das Soll-Strahlprofil nicht mit dem Ist-Strahlprofil übereinstimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zu der oben angespro­ chenen Vorrichtung alternative Vorrichtung zur Echtzeitüberwachung eines Laser-Strahlprofils anzugeben.

Erfindungsgemäß ist eine solche Vorrichtung gekennzeichnet durch einen optischen Korrelator, der im Strahlengang eines von dem Laser abgelei­ teten Laserstrahls angeordnet ist und der das Ist-Strahlprofil mit einem Soll-Strahlprofil vergleicht und nur bei Übereinstimmung ein signifikan­ tes Ausgangssignal liefert.

Der Begriff "optischer Korrelator" bezeichnet ein spezielles Bauteil, mit dessen Hilfe ein eingekoppeltes Lichtmuster mit einem vorgegebenen Muster optisch verglichen wird, um einen Korrelationspeak im Fernfeld zu bilden, der Information über den Zusammengang zwischen den bei­ den miteinander verglichenen Mustern darstellt.

Optische Korrelatoren für die Mustererkennung sind in der Fachliteratur ausführlich beschrieben. Beispiele für solche optischen Korrelatoren sind der van-der-Lugt-Korrelator, der Joint-Transform-Korrelator, der Dual-Axis-Joint-Fourier-Transform-Korrelator und der 4-f-Korrelator. Bei all diesen optischen Korrelatoren werden ein Soll-Muster und ein Ist-Muster verglichen, wobei der sich ergebende Korrelationspeak im Fernfeld in einem monotonen Zusammenhang mit der Übereinstimmung beider Muster steht.

Die Erfindung macht nun von einem solchen an sich bekannten opti­ schen Korrelator Gebrauch, um eine Echtzeit- oder Online-Überwachung für einen Laserstrahl durchzuführen. Wird der erwähnte Korrelations­ peak von dem optischen Korrelator geliefert so kann dieser mit einer entsprechenden Einrichtung nachgewiesen werden. Ist er in einer ge­ wissen Intensität vorhanden, d. h. in einem Mindest-Ausmaß am Ausgang des optischen Korrelators abgebildet, so liegt Übereinstimmung zwischen dem Ist-Strahlprofil des Laserstrahls und dem gewünschten oder Soll-Strahlprofil vor.

In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung, dem 4f Korrelator enthält der optische Korrelator

• - eine erste Linse, auf die der abgeleitete Laserstrahl gegeben wird, und die den Laserstrahl in einer Brennebene fokussiert,
• - ein diffraktives Element, das in der Brennebene der ersten Linse an­ geordnet ist und entsprechend dem Soll-Strahlprofil ausgebildet ist, und
• - eine zweite Linse, die dem diffraktiven Element nachgeordnet ist.

Das diffraktive Element ist ein ebenfalls seit längerer Zeit bekanntes optisches Element, welches mit Hilfe eines Computers nach Maßgabe der Information über das Soll-Strahlprofil angefertigt wird.

Von der ersten Linse wird der zu analysierende Laserstrahl in eine Brennebene fokussiert, in der sich das diffraktive Element befindet. In der Brennebene entsteht die Fouriertransformierte des Strahlprofils des Eingangs-Laserstrahls.

Das diffraktive Element ist - im einfachsten Fall - das Inverse der Amplituden- und Phasenverteilung der Fouriertransformierten des Soll- Strahlprofils. Wenn das Ist-Strahlprofil mit dem Soll-Strahlprofil, dessen Information in dem diffraktiven Element enthalten ist, übereinstimmt, so ergibt sich eine ebene Welle, welche durch eine zweite Linse über eine Blende auf einen Photodetektor abgebildet wird.

Liegt keine Übereinstimmung zwischen Ist- und Soll-Strahlprofil vor, so entsteht ein diffuses Beugungsbild, und die zweite Linse kann das diffuse Beugungsbild nicht auf den Photodetektor fokussieren.

Man sieht also, daß der Photodetektor nur bei weitgehender Überein­ stimmung zwischen Soll-Strahlprofil und Ist-Strahlprofil Licht über die Blende von der zweiten Linse empfängt und dementsprechend ein elek­ trisches Ausgangssignal liefert. Bei fehlender Übereinstimmung oder bei nur geringfügiger Übereinstimmung gelangt kein oder nur wenig Licht auf den Photodetektor, so daß dieser allenfalls nur ein schwaches elek­ trisches Signal liefert. Mit Hilfe eines nachgeordneten Schwellenwert­ detektors läßt sich also eine justierbare Entscheidung "Ja/Nein" erhalten, so daß eine leichte Echtzeitüberwachung des Strahlprofils möglich ist, indem das Ausgangssignal des Schwellenwertdetektors bei verändertem Strahlprofil umschaltet von "Ja" auf "Nein".

Das im Echtzeitbetrieb "Online" erfolgende Überwachen des Strahlpro­ fils geschieht mit Hilfe eines Teilstrahls, der in an sich bekannter Weise auf dem optischen Weg des Arbeitsstrahls abgeleitet werden kann. Der abgeleitete Laserstrahl kann auch über den dem Auskoppelspiegel des Resonators gegenüberliegenden Resonatorspiegel gewonnen werden, wobei dieser Resonatorspiegel dann schwach durchlässig ist.

Der erfindungsgemäß verwendete optische Korrelator ermöglicht also die Realisierung einer Echtzeit-Überwachung des Strahlprofils eines Laser­ strahls als Alternative zu der Verwendung einer CCD-Kamera. Gegen­ über einer solchen bekannten Überwachungsvorrichtung hat die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung noch den Vorteil, daß auch bei einem Strahl­ versatz des abgeleiteten Laserstrahls am Ausgang des optischen Korrela­ tors ein fokussiertes Signal geliefert wird. Wenngleich dies in seiner Lage etwas verschoben ist (die Verschiebung hängt von der Verschie­ bung des Eingangs-Laserstrahls am optischen Korrelator ab), kann mit Hilfe des Photodetektors die Existenz des fokussierten Strahlenbündels und damit die Übereinstimmung zwischen Ist-Strahlprofil und Soll-Strahlprofil nachgewiesen werden.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Lasers mit einer Vorrichtung zur Echtzeit-Überwachung des Strahlprofils des Lasers;

Fig. 2 eine detaillierte Ansicht des in Fig. 1 verwendeten opti­ schen Korrelators, und

Fig. 3 eine anschauliche Darstellung von drei verschiedenen Strahlprofilen und der dazugehörigen, mit Hilfe eines speziellen diffraktiven Elements gebildeten Korrelations­ peaks.

Gemäß Fig. 1 liefert ein Laser 2 über einen Auskoppelspiegel 22 einen Arbeitsstrahl, der über eine Optik 6 auf eine hier nicht dargestellte Werkstück-Oberfläche gegeben wird. Mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels 4 wird ein Anteil des Arbeitsstrahls ausgekoppelt und auf den Eingang eines optischen Korrelators 8 gegeben. Der in den optischen Korrelator 8 eintretende, abgeleitete Laserstrahl hat ein bestimmtes Strahlprofil P_ist. Dieses Strahlprofil entspricht im Idealfall einem Soll-Strahlprofil P_soll. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung dient dem Zweck, eine Veränderung des Strahlprofils, also eine Abweichung des Strahlprofils P_ist vom gewünschten Strahlprofil P_soll zu erfassen, damit geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden können.

Am Ausgang des optischen Korrelators 8 wird ein Lichtstrahl erhalten, der die Information P_ist = P_soll enthält. Wichtig ist in diesem Zusammen­ hang, daß das Signal P_ist = P_soll nicht etwa die Differenz der beiden "verglichenen" Strahlprofile im Sinne einer Flächendifferenz, einer Energiedifferenz oder dergleichen bezeichnet, sondern daß das Signal P_ist = P_soll im wesentlichen nur die Information beinhaltet, daß eine Überein­ stimmung der beiden Strahlprofile oder zumindest doch eine gewisse Übereinstimmung zwischen den beiden Signalen vorliegt.

Bei dem den optischen Korrelator 8 nachgeordneten Photodetektor 10 handelt es sich z. B. um eine Photodiode, die dann ein elektrisches Aus­ gangssignal liefert, wenn Licht auf eine lichtempfindliche Fläche der Diode fällt.

Dem Photodetektor 10 nachgeschaltet ist optional eine Schwellenwert­ schaltung 12, die dann, wenn das Ausgangssignal des Photodetektors 10 eine gewisse Amplitude überschreitet, an ihrem Ausgang einen Signalpe­ gel von zwei möglichen Pegeln liefert, was einer Entscheidung "Ja/Nein" entspricht.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des optischen Korrelators 8, bei dem es sich hier um einen 4-f-Korrelator handelt. Der Laserstrahl fällt durch eine Eintrittsöffnung von links in Fig. 2 auf eine Kondensor­ linse 82, die den Laserstrahl in einer Brennebene fokussiert, in der sich ein diffraktives Element 84 befindet. In der Brennebene wird die Fouriertransformierte des eingekoppelten Strahlprofils gebildet. Das diffraktive Element (DE) 84 ist ein speziell für ein einzigartiges Strahl­ profil angefertigtes Element. Die Herstellung solcher diffraktiven Ele­ mente für bestimmte Zwecke ist seit längerer Zeit bekannt. Das diffrak­ tive Element stellt im vorliegenden Beispiel das Inverse der Amplituden- und Phasenverteilung der Fouriertransformierten des Sollprofils dar. Mit Hilfe einer zweiten Linse 86 erfolgt eine weitere Fouriertransformation. Wenn das in den optischen Korrelator 8 gelangende Laserlicht ein Strahlprofil aufweist, welches dem Strahlprofil entspricht, für welches das diffraktive Element 84 ausgelegt ist, entsteht eine ebene Welle. Der von der Linse 86 fokussierte Strahl gelangt durch eine Blende 14 auf die lichtempfindliche Fläche des Photodetektors 10.

Nur bei Übereinstimmung des Ist-Strahlsprofils mit dem Soll-Strahlprofil (die Information über das Soll-Strahlprofil ist in dem diffraktiven Element 84 enthalten) wird eine ebene Welle erzeugt, und nur wenn eine ebene Welle erzeugt wird, gelangt in nennenswertem Umfang Licht über die zweite Linse 86 und die Blende 14 auf den Photodetektor 10, so daß dieser ein signifikantes Ausgangssignal auf den dann ansprechenden Schwellenwertbildner 12 gibt.

Wenn das in den optischen Korrelator 8 gelangende Laserlicht ein Strahlprofil aufweist, welches nicht mit dem zu dem diffraktiven Ele­ ment 84 gehörigen Soll-Strahlprofil übereinstimmt, wird von dem diffraktiven Element 84 ein diffuses Beugungsbild erzeugt, weiches in Fig. 2 durch gestrichelte Linien 88 angedeutet ist.

Die oben angesprochenen Zusammenhänge sind in Fig. 3 etwas näher dargestellt. In Fig. 3A) ist auf der linken Seite eine ringförmige Inten­ sitätsverteilung dargestellt, welche dem Strahlprofil links von der ersten Linse 82 in dem in Fig. 2 gezeigten optischen Korrelator 8 entspricht. Das diffraktive Element 84 hat ein bestimmtes, mit Hilfe eines Rechners erstelltes Muster, welches diesem Profil entspricht (Sollprofil). Wenn der in den optischen Korrelator eintretende Laserstrahl die links in Fig. 3A) dargestellte ringförmige Intensitätsverteilung aufweist, also sein Ist-Strahlprofil mit dem Soll-Strahlprofil übereinstimmt, erzeugt das diffraktive Element 84 in Verbindung mit den übrigen Elementen des optischen Korrelators den rechts in Fig. 3A) dargestellten Korrelations­ peak. Dieser Korrelationspeak wird über die Blende 14 gemäß Fig. 2 auf den Photodetektor 10 gegeben. Der Korrelationspeak, wie er rechts in Fig. 3A) dargestellt ist, enthält ausreichend Licht, damit der Photode­ tektor und der diesem nachgeschaltete Schwellenwertbildner 12 anspre­ chen.

In Fig. 3B) ist links in der Mitte eine ebenfalls ringförmige Intensitäts­ verteilung dargestellt, welche sich von der in Fig. 3A) links dargestell­ ten Intensitätsverteilung jedoch dadurch unterscheidet, daß der Ring einen wesentlich kleineren Durchmesser besitzt. Wenn dieses einem kleinen Ring entsprechende Strahlprofil in den optischen Korrelator 8 eingegeben wird, herrscht also keine Übereinstimmung zwischen diesem Ist-Strahlprofil und dem durch das diffraktive Element 84 repräsentierten Soll-Strahlprofil. Deshalb wird ein diffuses Beugungsbild erzeugt, und in der Brennebene der Linse 8b erhält man nicht wie bei korrektem Ist-Strahlprofil einen ausgeprägten Korrelationspeak, sondern allenfalls nur geringe Anteile, die in dem rechts in der Mitte der Fig. 3 dargestellten Quadrat auf der unteren Linie als kleine Wellen geringer Höhe darge­ stellt sind. In diesem Bild ist so wenig Licht enthalten, daß der Photode­ tektor 10 praktisch nicht anspricht.

Ähnliches gilt für den in Fig. 3C) dargestellten Fall, in welchem das Strahlprofil insgesamt sechs in Form von zwei Reihen und drei Spalten angeordnete Intensitätsmaxima aufweist. Auch wenn ein solches Strahl­ profil vorliegt, bildet das diffraktive Element 84 keinen Korrelations­ peak.

Gemäß Fig. 1 wird der abgeleitete Laserstrahl mit Hilfe eines teil­ durchlässigen Spiegels 4 gewonnen. Man kann den abgeleiteten Laser­ strahl für die Echtzeitüberwachung auch über das dem Auskoppelspiegel 22 gegenüberliegende Spiegelelement 24 gewinnen, wozu dieser Spiegel dann teildurchlässig ausgebildet ist.

Der hier als Beispiel dienende 4-f-Korrelator ist eine von mehreren Möglichkeiten des Einsatzes eines optischen Korrelators, wie sie per se aus dem Stand der Technik bekannt sind.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Echtzeitüberwachung des Strahlprofils eines Lasers (2), gekennzeichnet durch einen optischen Korrelator (8), der im Strahlengang eines von dem Laser abgeleiteten Laserstrahls angeordnet ist, und der das Ist-Strahlprofil (P_ist) mit einem Soll-Strahlprofil (P_soll) vergleicht und nur bei Überein­ stimmung ein signifikantes Ausgangssignal liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Korrelator (8) aufweist:

• - eine erste Linse (82), auf die der abgeleitete Laserstrahl gegeben wird, und die den Laserstrahl in einer Brennebene fokussiert,
• - ein diffraktives Element (84), das in der Brennebene der ersten Linse (82) angeordnet ist und entsprechend dem Soll-Strahlprofil (P_soll) ausge­ bildet ist; und
• - eine zweite Linse (86), die dem diffraktiven Element (84) nachgeord­ net ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten Linse (86) in deren Brennebene eine Blende (14) nach­ geordnet ist, über die das von dem diffraktiven Element (84) kommende Beugungslicht auf einen Photodetektor (10) gelangt.