DE202012101155U1

DE202012101155U1 - Monitoring device for detecting and monitoring the contamination of an optical component in a device for laser material processing

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Publication number: DE202012101155U1
Application number: DE202012101155U
Authority: DE
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Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-07-01
Anticipated expiration: 2022-03-31

Abstract

Überwachungseinrichtung zur Erfassung und Überwachung der Verschmutzung einer optischen Komponente (5) in einer Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung, welche einen Prozeß-Laserstrahl (6) durch oder auf die optische Komponente (5) emittiert, mit – einer Lichtquelle (1), welche einen Meßstrahl (11) emittiert und unter einem Einfallswinkel (51) auf eine Außenfläche (5a) der optischen Komponente (5) projiziert, – einem ersten lichtempfindlichen Detektor (2), – einer Lochblende (7), durch die der unter dem Ausfallwinkel (52) von der Außenfläche (5a) der Komponente (5) reflektierte Strahl (21) auf den ersten Detektor (2) geführt wird, um die Intensität des reflektierten Strahls (21) zu erfassen, – einem zweiten lichtempfindlichen Detektor (3), mit dem die Intensität der diffus von der Außenfläche (5a) der Komponente (5) unter einem Streuwinkel (53) gestreuten Streustrahlung (31) erfasst wird, – und mit einer Auswerteeinrichtung (27, 37), welche aus den erfassten Intensitäten des reflektierten Strahls (21) und der Streustrahlung (31) ein Maß für den Grad der Verschmutzung der Komponente (5) ermittelt.Monitoring device for detecting and monitoring contamination of an optical component (5) in a device for laser material processing, which emits a process laser beam (6) through or onto the optical component (5), comprising a light source (1) which generates a measuring beam ( 11) and projected onto an outer surface (5a) of the optical component (5) at an angle of incidence (51), - a first light-sensitive detector (2), - a pinhole (7) through which the angle of incidence (52) of the outer surface (5a) of the component (5) reflected beam (21) is guided on the first detector (2) to detect the intensity of the reflected beam (21), - a second light-sensitive detector (3), with the intensity the scattered radiation (31) scattered diffusely from the outer surface (5a) of the component (5) at a scattering angle (53) is detected, and with an evaluation device (27, 37), which detects the detected int the scattered radiation (21) and the scattered radiation (31), a measure of the degree of soiling of the component (5) is determined.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung zur Erfassung und Überwachung der Verschmutzung einer optischen Komponente, wie z.B. einer Linse, einer Schutzscheibe oder einem Spiegel, in einer Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung. The invention relates to a monitoring device for detecting and monitoring the contamination of an optical component, such as e.g. a lens, a protective screen or a mirror, in a device for laser material processing.

Die Verwendung optischer Komponenten im industriellen Umfeld erfordert in erster Linie intakte und saubere optische Flächen dieser Komponenten. Insbesondere bei der Strahlformung und -umlenkung von Hochleistungslaserstrahlen kommt es darauf an, die Eigenschaften der verwendeten optischen Komponenten wie Linsen und Spiegel im Kontext ihrer Funktionalität stets zu prüfen, da die hohe Laserstrahl-Leistungsdichte an den optischen Flächen der Komponenten schnell zu Verschmutzung, Zerstörung und zu Folgeschäden führen kann. Besonders kritisch sind Applikationen im Bereich der Lasermaterialbearbeitung, bei denen aufgrund der örtlichen Nähe des Bearbeitungskopfes der Materialbearbeitungsvorrichtung zu dem zu bearbeitenden Werkstück mit einer verstärkten Verschmutzung, beispielsweise durch vom Prozess erzeugten Materialspritzern und Schmauch gerechnet werden muss. The use of optical components in the industrial environment primarily requires intact and clean optical surfaces of these components. In particular, in the beam shaping and deflection of high-power laser beams, it is important to always check the properties of the optical components used such as lenses and mirrors in the context of their functionality, since the high laser beam power density on the optical surfaces of the components quickly to pollution, destruction and can lead to consequential damage. Particularly critical are applications in the field of laser material processing, in which due to the local proximity of the machining head of the material processing device to the workpiece to be machined with increased pollution, for example due to material generated by the process spatter and smoke must be expected.

Um die Kosten der unvermeidbaren Verschmutzung der optischen Komponenten zu minimieren, sind Schutzeinrichtungen wie cross-jet und anti-reflex (AR) – beschichtete Schutzscheiben vorgesehen, mit denen die funktionalen optischen Komponenten wie Linsen und Spiegel vor Verschmutzung geschützt werden. In der vorliegenden Anmeldung geht es hauptsächlich um die Funktionalität der oben genannten AR- beschichteten Schutzscheiben. To minimize the cost of unavoidable fouling of the optical components, protective devices such as cross-jet and anti-reflex (AR) coated protective screens are provided to protect the functional optical components such as lenses and mirrors from contamination. In the present application, it is mainly about the functionality of the above-mentioned AR-coated protective screens.

Häufig entsteht die Verschmutzung in einer Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung, wie z.B. dem Laserschweißen oder Laserschneiden, wie folgt: Flüssige Metallspritzer des vom Prozesslaser verflüssigten Prozessbad gelangen auf die dem Bearbeitungspunkt (TCP, tool center point) zugewandten (prozeßseitigen) Flächen der optischen Komponente der Vorrichtung. Einige Spritzer bleiben an der prozeßseitigen Oberfläche der optischen Komponente haften und werden alsbald durch die hohe Strahlleistungsdichte des Prozess-Laserstrahls in die Oberfläche eingebrannt. Dadurch wird – proportional mit der Fläche der eingebrannten Spritzer – die Transmissivität der optischen Komponenten vermindert. Gleichzeitig absorbieren die eingebrannten Spritzer die Laserleistung, so dass die thermisch meist nicht sehr gut leitenden optischen Komponenten einseitig (prozeßseitig) aufgeheizt werden. In der Folge kann die optische Komponente aufgrund der thermischen Spannungen beschädigt werden oder sogar springen. Insbesondere kann es durch die Erhitzung der optischen Komponenten zu einer Deformation kommen, was einen negativen Einfluss auf die Lage des Brennpunktes des Prozess-Laserstrahls im TCP haben kann, so dass außer dem Leistungsverlust durch die eingebrannten Spritzer eine zusätzliche Beeinträchtigung der Prozessqualität entstehen kann. Often, the contamination is created in a laser material processing apparatus, such as e.g. laser welding or laser cutting as follows: Liquid metal splashes of the process liquefied liquefied process bath reach the tool point (TCP) facing (process-side) surfaces of the optical component of the device. Some spatters adhere to the process-side surface of the optical component and are soon burned into the surface by the high beam power density of the process laser beam. As a result, the transmissivity of the optical components is reduced in proportion to the area of the baked-on splashes. At the same time, the burned-in splashes absorb the laser power, so that the thermal components, which are usually not very conductive, are heated on one side (on the process side). As a result, the optical component may be damaged or even jump due to thermal stress. In particular, the heating of the optical components can lead to a deformation, which can have a negative influence on the position of the focal point of the process laser beam in the TCP, so that, in addition to the loss of power due to the baked-on splashes, an additional impairment of the process quality can occur.

Aus dem Stand der Technik sind zur Vermeidung dieser Effekte Einrichtungen zur Detektion und Überwachung der Verschmutzung von optischen Komponenten und insbesondere von Schutzscheiben in Vorrichtungen zur Lasermaterialbearbeitung bekannt. In order to avoid these effects, devices for detecting and monitoring the soiling of optical components and, in particular, protective screens in devices for laser material processing are known from the prior art.

Passive Methoden der Überwachung nutzen, wie im Falle der Veröffentlichungen DE 19605018-A , DE 19507401-A , WO 9833059-A , DE 19839930-A , DE 10113518-A und EP1 488882-A die Erfassung der Streustrahlung des Prozesslaserstrahls, die von den entstandenen Spritzern gestreut wird. Dies kann bspw. Bei einer Schutzscheibe on- oder offaxis oberhalb der Schutzscheibe (auf der prozeßabgewandten Seite der Schutzscheibe), oder lateral durch die Messung der in die Schutzscheibe eingekoppelten Streustrahlung erfolgen. Die bekannten Verfahren haben jedoch erhebliche Nachteile, die eine praktische Anwendung stark einschränken. Beispielsweise führt eine gewollte Änderung der Leistung des Prozesslaser zu falschen Alarmsignalen (bei einer Leistungserhöhung) oder zum Ausfall der Überwachungsfunktion (bei einer Verkleinerung der Leistung, da die relativ geringe Zunahme des Nutzsignals unter der Alarmschaltschwelle liegen kann). Ebenso unkontrolliert ist der Einfluss der vom Werkstück reflektierten Strahlung des Prozesslaser. Ferner ist diese Art der Vorrichtung nicht störungssicher („fail-safe“) in ihrer Funktionsweise, da im Falle eines Bruchs der überwachten Schutzscheibe oder nicht eingesetzter Schutzscheibe nichts gemessen werden kann. Use passive methods of surveillance, as in the case of publications DE 19605018-A . DE 19507401-A . WO 9833059-A . DE 19839930-A . DE 10113518-A and EP1 488882-A the detection of the scattered radiation of the process laser beam, which is scattered by the resulting splashes. This can be done, for example, with a protective screen on or offaxis above the protective pane (on the side of the protective pane facing away from the process), or laterally by the measurement of the scattered radiation coupled into the protective pane. However, the known methods have considerable disadvantages which severely restrict a practical application. For example, a deliberate change in the power of the process laser results in false alarms (in the case of a power increase) or failure of the monitoring function (in the case of a reduction in power, since the relatively small increase in the useful signal can be below the alarm switching threshold). Equally uncontrolled is the influence of the radiation of the process laser reflected from the workpiece. Furthermore, this type of device is not fail-safe ("fail-safe") in its operation, since in the event of breakage of the monitored protective screen or unused protective screen nothing can be measured.

Eine weitere bekannte Möglichkeit der Überwachung sieht vor, über berührende Temperatursensoren die Temperatur der Schutzscheibe zu messen. Dies geschieht in der Annahme, dass die eingebrannten Spritzer auf der Oberfläche der Schutzscheibe zu einer erhöhten Absorption von Laserleistung und damit zu einer Erwärmung der Schutzscheibe führen. Es hat sich aber herausgestellt, dass diese bekannten Verfahren sehr langsam und unsensibel reagieren und darüber hinaus vom augenblicklichen Wert der Leistung des Prozesslasers und der von der Oberfläche der Schutzscheibe reflektierten Laserleistung abhängig sind. Ferner sind diese bekannten Verfahren ebenfalls nicht störungssicher in ihrer Funktionsweise, da im Falle eines Bruchs der überwachten Schutzscheibe oder nicht eingesetzter Schutzscheibe nichts gemessen werden kann. Another known possibility of monitoring provides to measure the temperature of the protective screen via contacting temperature sensors. This is based on the assumption that the baked-on splashes on the surface of the protective pane lead to an increased absorption of laser power and thus to a heating of the protective pane. However, it has been found that these known methods are very slow and insensitive and, moreover, are dependent on the instantaneous value of the power of the process laser and the laser power reflected from the surface of the protective screen. Furthermore, these known methods are also not trouble-free in their operation, since in the event of breakage of the monitored protective screen or unused protective screen nothing can be measured.

Eine Variante der o. g. passiven Möglichkeiten der Überwachung sieht vor, die Wärmestrahlung der eingebrannten Verunreinigungen zu messen. Es hat sich aber herausgestellt, dass auch diese Verfahren vom augenblicklichen Wert der Leistung des Prozesslasers und der von der Oberfläche der Schutzscheibe reflektierten Laserleistung abhängig sind. Ferner ist auch dieses Verfahren nicht störungssicher in ihrer Funktionsweise, da im Falle eines Bruchs der überwachten Schutzscheibe oder nicht eingesetzter Schutzscheibe nichts gemessen werden kann. A variant of the above-mentioned passive possibilities of monitoring provides to measure the thermal radiation of the baked-in impurities. But it turned out that too these methods are dependent on the instantaneous value of the power of the process laser and the laser power reflected from the surface of the protective screen. Furthermore, this method is not trouble-free in its operation, since in the event of breakage of the monitored protective screen or unused protective disc nothing can be measured.

Die aus dem Stand der Technik wie z.B. der DE 19839930-A , DE 20314918-A , BE 1007005-A , EP 01398612-A und DE 19654850-A bekannten aktiven Überwachungseinrichtungen setzen zusätzliche Lichtquellen (z.B. LEDs oder Laserdioden) ein, um bestimmte Merkmale der Schutzscheibe zu detektieren. In der Regel werden dabei mehrere zusätzliche Lichtquellen mit unterschiedlichen Funktionen eingesetzt, um eine umfangreichere Überwachung zu gewährleisten. So kann z.B. ein Bruch der Schutzscheibe zuverlässig erkannt werden. Alternativ werden die aktiven Verfahren auch durch passive Meßmethoden ergänzt, die jedoch die oben bereits aufgezeigten Nachteile aufweisen und darüber hinaus die Komplexität der Überwachungseinrichtung vergrößern. The from the state of the art such as the DE 19839930-A . DE 20314918-A . BE 1007005-A . EP 01398612-A and DE 19654850-A known active monitoring devices use additional light sources (eg LEDs or laser diodes) to detect certain features of the protective screen. As a rule, several additional light sources with different functions are used to ensure more extensive monitoring. For example, a breakage of the protective disk can be reliably detected. Alternatively, the active methods are also supplemented by passive measuring methods, which, however, have the disadvantages already outlined above and, moreover, increase the complexity of the monitoring device.

Eine aus der BE 1007005-A und der EP 01398612-A bekannte aktive Überwachungseinrichtung nutzt eine Art Reflexlichtschranke. Mit dieser Überwachungseinrichtung kann vorteilhafterweise sowohl die Verschmutzung als auch ein Bruch der Schutzscheibe schnell und weitgehend unabhängig von der Laserleistung des Prozesslasers detektiert werden. Auch hier ist die vorgeschlagene Lösung nicht optimal, da die Verfahrensempfindlichkeit sehr gering und stark von den optischen Eigenschaften der abgetasteten Oberfläche der Schutzscheibe abhängig ist. Ferner ist die Messung auch stark von der Sendeleistung einer zusätzlichen Lichtquelle abhängig, welche einen Meßstrahl auf die Oberfläche der Schutzscheibe emittiert. One from the BE 1007005-A and the EP 01398612-A known active monitoring device uses a kind of reflected light barrier. With this monitoring device can advantageously both the contamination and a fraction of the protective screen can be detected quickly and largely independent of the laser power of the process laser. Again, the proposed solution is not optimal, since the process sensitivity is very low and highly dependent on the optical properties of the scanned surface of the protective screen. Furthermore, the measurement is also strongly dependent on the transmission power of an additional light source, which emits a measuring beam to the surface of the protective pane.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Überwachungseinrichtung zur Erfassung und Überwachung der Verschmutzung einer optischen Komponente in einer Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung vorzuschlagen, mit der zuverlässig, schnell und unabhängig von Leistungsschwankungen des Prozesslaserstrahls sowie unabhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche der zu überwachenden Komponente der Grad der Verschmutzung kontinuierlich während der laufenden Materialbearbeitung erfasst werden kann. Ferner soll es mit der Einrichtung auch ermöglicht werden, einen Bruch der zu überwachenden optischen Komponente zu ermitteln oder fest zu stellen, dass die optische Komponente fehlt. Object of the present invention is to provide a monitoring device for detecting and monitoring the contamination of an optical component in a device for laser material processing, with the reliable, fast and independent of power fluctuations of the process laser beam and regardless of the nature of the surface of the component to be monitored the degree of Contamination can be recorded continuously during ongoing material processing. Furthermore, it should also be possible with the device to determine a fraction of the optical component to be monitored or to determine that the optical component is missing.

Gelöst werden diese Aufgaben durch eine Überwachungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Überwachungseinrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche. These objects are achieved by a monitoring device with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the monitoring device are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung zur Erfassung und Überwachung der Verschmutzung einer optischen Komponente in einer Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung, welche einen Prozeß-Laserstrahl durch oder auf die optische Komponente emittiert, umfasst folgende Komponenten:

– eine Lichtquelle, welche einen Meßstrahl emittiert und unter einem Einfallswinkel auf eine Außenfläche der optischen Komponente projiziert,
– einen ersten lichtempfindlichen Detektor,
– eine Lochblende, durch die der unter dem Ausfallwinkel von der Außenfläche der optischen Komponente reflektierte Strahl auf den ersten Detektor geführt wird, um die Intensität des reflektierten Strahls zu erfassen,
– einen zweiten lichtempfindlichen Detektor, mit dem die Intensität der diffus von der Außenfläche der optischen Komponente unter einem Streuwinkel gestreute Streustrahlung erfasst wird,
– und eine Auswerteeinrichtung, welche aus den erfassten Intensitäten des reflektierten Strahls und der Streustrahlung ein Maß für den Grad der Verschmutzung der optischen Komponente ermittelt.

The monitoring device according to the invention for detecting and monitoring the contamination of an optical component in a device for laser material processing, which emits a process laser beam through or onto the optical component, comprises the following components:

A light source which emits a measuring beam and projects at an incident angle onto an outer surface of the optical component,
A first photosensitive detector,
A pinhole through which the beam reflected at the angle of reflection from the outer surface of the optical component is guided onto the first detector in order to detect the intensity of the reflected beam,
A second light-sensitive detector with which the intensity of the scattered radiation scattered diffusely by the outer surface of the optical component at a scattering angle is detected,
- And an evaluation, which determines a measure of the degree of contamination of the optical component of the detected intensities of the reflected beam and the scattered radiation.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Verschmutzung einer Schutzscheibe in einer Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung erfasst und überwacht wird, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen: An embodiment of the invention, in which the contamination of a protective screen is detected and monitored in a device for laser material processing, will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. The drawings show:

1: Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Überwachung einer Schutzscheibe; 1 : Schematic representation of a device according to the invention for monitoring a protective screen;

2: Prinzipdarstellung von bevorzugten Signalverarbeitungsmethoden gemäß der Erfindung; 2 : Schematic representation of preferred signal processing methods according to the invention;

3: Zusammenhang zwischen dem gemessenen Verschmutzungsgrad und der Reduktion der optischen Transmission der Schutzscheibe von 1 in Folge der Verschmutzung; 3 : Correlation between the measured degree of soiling and the reduction of the optical transmission of the protective screen of 1 as a result of pollution;

4: Prinzipdarstellung eines Strahlengangs einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung am Beispiel einer Schutzscheibe unter Nutzung der an der Schutzscheibe gebrochenen Strahlung des Meßstrahls und der an der Schutzscheibe reflektierten Strahlung sowie der an der Schutzscheibe versetzt austretenden Strahlung; 4 : Schematic representation of a beam path of a monitoring device according to the invention using the example of a protective pane using the radiation of the measuring beam refracted on the protective pane and the radiation reflected by the protective pane and the radiation emerging offset on the protective pane;

5: Prinzipdarstellung von bevorzugten erweiterten Signalverarbeitungsmethoden gemäß der Erfindung; 5 : Schematic representation of preferred advanced signal processing methods according to the invention;

6: Querschnitt durch einen Bearbeitungskopf einer Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit einer Schutzscheibe und einer Überwachungseinrichtung gemäß der Erfindung; 6 : Cross section through a machining head of a device for laser material processing with a protective disk and a monitoring device according to the invention;

7: Schematische Darstellung des Aufbaus eines optischen Faserbündels zur Detektion der reflektierten Strahlung und der Streustrahlung in einer Überwachungseinrichtung nach der Erfindung. 7 : Schematic representation of the construction of an optical fiber bundle for the detection of the reflected radiation and the scattered radiation in a monitoring device according to the invention.

Zur Durchführung eines Verfahrens zur Erfassung und Überwachung der Verschmutzung einer optischen Komponente in einer Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung wird eine erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung verwendet, wie sie in 1 schematisch dargestellt ist. Diese Überwachungseinrichtung ist zum Einbau in den Bearbeitungskopf einer Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung vorgesehen. Ein solcher Bearbeitungskopf ist in 6 gezeigt. To carry out a method for detecting and monitoring the soiling of an optical component in a device for laser material processing, a monitoring device according to the invention is used, as described in US Pat 1 is shown schematically. This monitoring device is intended for installation in the machining head of a device for laser material processing. Such a processing head is in 6 shown.

Der Bearbeitungskopf emittiert einen Prozeßlaserstrahl 6 durch eine schützende, optisch transparente Schutzscheibe 5, welche die übrigen optischen Komponenten in dem Bearbeitungskopf gegen prozeßbedingte Spritzer 55 schützt. Die Schutzscheibe 5 ist zweckmäßig mit einer antireflex-(AR)-Beschichtung versehen. Der Prozeßlaserstrahl 6 wird in einen Brennpunkt 61 (tool center point, TCP) auf der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks fokussiert. The processing head emits a process laser beam 6 through a protective, optically transparent protective screen 5 representing the remaining optical components in the processing head against process-related spatters 55 protects. The protective screen 5 is expediently provided with an antireflection (AR) coating. The process laser beam 6 becomes a focus 61 (tool center point, TCP) focused on the surface of a workpiece to be machined.

Die in 1 dargestellte Überwachungseinrichtung umfasst eine Lichtquelle 1, bspw. eine Leucht- oder Laserdiode, die einen vorzugsweise kollimierten Meßstrahl 11 auf einen zentralen Bereich 65 der prozeßzugewandten Außenfläche 5a der Schutzscheibe 5 unter einem Einfallswinkel 51 einstrahlt. Der von der Außenfläche 5a der Schutzscheibe 5 unter dem zum Einfallswinkel 51 korrespondierenden Ausfallwinkel 52 reflektierte Strahl 21 wird durch eine Lochblende 7 mit vorzugsweise demselben Durchmesser wie der kollimierte Strahl 11 auf einen lichtempfindlichen Detektor 2 geführt. Die von der Außenfläche 5a der Schutzscheibe 5 im Auftreffbereich 65 des Meßstrahls 11 diffus gestreute Streustrahlung wird mit einem zweiten Detektor 3 erfasst. Der Streuwinkel 53 wird dabei zweckmäßig unterschiedlich vom Ausfallwinkel 52 der reflektierten Strahlung 21 gewählt. Die Intensität der Streustrahlung ist abhängig vom Grad der Verschmutzung der Schutzscheibe 5 und wird insbesondere von etwaigen Materialspritzern beeinflusst, die sich auf der Außenfläche 5a befinden und sich dort ggf. bereits eingebrannt haben. In the 1 The monitoring device shown comprises a light source 1 , For example, a light emitting diode or laser diode, the preferably collimated measuring beam 11 on a central area 65 the process-facing outer surface 5a the protective screen 5 at an angle of incidence 51 irradiates. The of the outer surface 5a the protective screen 5 under the angle of incidence 51 corresponding failure angle 52 reflected beam 21 is through a pinhole 7 preferably having the same diameter as the collimated beam 11 on a photosensitive detector 2 guided. The of the outer surface 5a the protective screen 5 in the impact area 65 of the measuring beam 11 diffuse scattered scattered radiation is combined with a second detector 3 detected. The scatter angle 53 will be useful different from the angle of failure 52 the reflected radiation 21 selected. The intensity of the scattered radiation depends on the degree of contamination of the protective screen 5 and is particularly affected by any splashes of material that affect the outer surface 5a located and may have already burned there.

Wahlweise und bevorzugt wird gleichzeitig die Intensität des durch die Schutzscheibe 5 transmittierten Strahls 41 des Meßstrahls 11 mittels eines im Inneren des Bearbeitungskopfs (von außen gesehen hinter der Schutzscheibe 5) angeordneten dritten Detektors 4 erfasst. Bevorzugt sind die Detektoren 2, 3, 4 selektiv ig empfindlich für die Wellenlänge des Meßstrahls, die zweckmäßig im sichtbaren Spektralbereich liegt. Optionally, and at the same time, the intensity of the light passing through the protective pane is selected 5 transmitted beam 41 of the measuring beam 11 by means of an inside of the machining head (seen from the outside behind the protective glass 5 ) arranged third detector 4 detected. The detectors are preferred 2 . 3 . 4 selectively sensitive to the wavelength of the measuring beam, which is expediently in the visible spectral range.

Der gewählte Einfallswinkel 51 kann sowohl kleiner als auch größer oder genau 30° sein und richtet sich in erster Linie nach dem Platzangebot im Bearbeitungskopf. Der dazu korrespondierende Ausfallwinkel 52 hat den gleichen Betrag wie der Einfallwinkel 51. Der ausgewählte Streuwinkel 53 wird entweder kleiner oder größer als der Ausfallwinkel 52 gewählt. Wenn er gleich groß wie der Ausfallwinkel 52 gewählt wird, dann ist der zweite Detektor 3 neben dem ersten Detektor 2 lateral versetzt angeordnet, so dass die räumlich voneinander getrennten Detektoren 2 und 3 stets dieselbe Auftrefffläche 65 der Strahlung 11 auf der Schutzscheibe 5 abbilden. The chosen angle of incidence 51 can be both smaller and larger or exactly 30 ° and is primarily based on the space available in the processing head. The corresponding cornering angle 52 has the same amount as the angle of incidence 51 , The selected scatter angle 53 will either be smaller or larger than the angle of failure 52 selected. If he is the same size as the angle of failure 52 is chosen, then the second detector 3 next to the first detector 2 arranged laterally offset, so that the spatially separated detectors 2 and 3 always the same impact area 65 the radiation 11 on the protective screen 5 depict.

Wahlweise können weitere Detektoren zur Erfassung der Streustrahlung unter unterschiedlichen Streuwinkeln angeordnet werden, deren Ausgangssignale dann zweckmäßig aufsummiert und normiert werden. Optionally, further detectors for detecting the scattered radiation can be arranged at different scattering angles, the output signals of which are then expediently summed and normalized.

Zur Ermittlung des Verschmutzungsgrades der Schutzscheibe 5 werden das Verhältnis der Ausgangssignale der Detektoren 3 und 2 und/oder der Detektoren 3 und 4 und/oder des Detektors 3 mit der Summe der Detektoren 2 und 4 gebildet und mit einer voreingestellten Schaltschwelle verglichen. Sobald Verschmutzung vorliegt, werden die Ausgangssignale der Detektoren 2 und 4 kleiner und des das Ausgangssignal des Detektors 3 wird größer, verglichen mit einer unverschmutzten Schutzscheibe 5. Da die Verwendung des Detektors 4 vom Platzangebot im Bearbeitungskopf abhängig ist, stellt die Verhältnisbildung der Signale der Detektoren 3 und 2 die bevorzugte Auswertemethode dar, die alle Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Ein idealisierter Verlauf der Verschmutzungsgrad-Messung gemäß der bevorzugten Auswertemethode ist in 3 dargestellt. To determine the degree of soiling of the protective screen 5 be the ratio of the output signals of the detectors 3 and 2 and / or the detectors 3 and 4 and / or the detector 3 with the sum of the detectors 2 and 4 formed and compared with a preset switching threshold. As soon as contamination is present, the output signals of the detectors become 2 and 4 smaller and the output of the detector 3 gets bigger, compared to an unpolluted protective glass 5 , Because the use of the detector 4 depends on the space available in the processing head, provides the ratio formation of the signals of the detectors 3 and 2 the preferred evaluation method, which has all the advantages of the method according to the invention. An idealized course of the contamination degree measurement according to the preferred evaluation method is shown in FIG 3 shown.

Zur Erfassung des Verschmutzungsgrads eignet sich besonders gut auch die Bildung des Verhältnisses der Signale von Detektor 3 und der Summe der Signale der Detektoren 2 und 3. Die Summe der Signale der Detektoren 2 und 3 stellt im Grunde ein Maß für die Leistung des Meßstrahls 11 dar. Allerdings kann die von etwaigen Materialspritzern auf der Außenfläche 5a der Schutzscheibe 5 gestreute Streustrahlung aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen nur unvollständig erfaßt werden, so dass das gemessene Signal geringfügig nichtlinear mit dem Grad der Verschmutzung wird, aber dennoch monoton bleibt. To detect the degree of soiling, the formation of the ratio of the signals from the detector is particularly well suited 3 and the sum of the signals from the detectors 2 and 3 , The sum of the signals of the detectors 2 and 3 is basically a measure of the power of the measuring beam 11 However, that of any spatters on the outside surface 5a the protective screen 5 scattered scattered radiation for practical and economic reasons are incompletely detected, so that the measured signal is slightly non-linear with the degree of pollution, but still remains monotone.

Eine weitgehend damit vergleichbare Möglichkeit der Auswertung der Detektorsignale zur Ermittlung des Grads der Verschmutzung stellt die Bildung eines Verhältnisses zwischen dem Signal des Detektors 3 und der momentanen Leistung des von der Lichtquelle 1 emittierte Meßstrahls 11 dar. Diese Methode setzt jedoch voraus, dass die Leistung des Meßstrahls über eine Monitor-Photodiode 10 aus dem Teilstrahl 110 gemessen wird, der aus dem Meßstrahl 11 über einen teildurchlässigen Spiegel 8 herausreflektiert wird, wie in 5 gezeigt. A largely comparable possibility of evaluating the detector signals for Determining the degree of pollution represents the formation of a ratio between the signal of the detector 3 and the instantaneous power of the light source 1 emitted measuring beam 11 However, this method assumes that the power of the measuring beam via a monitor photodiode 10 from the partial beam 110 is measured from the measuring beam 11 via a partially transparent mirror 8th is reflected out as in 5 shown.

Im Falle der Verwendung einer Monitor-Photodiode 10 zur Messung der augenblicklichen Sendeleistung ist es besonders vorteilhaft, die Leistung des Meßstrahls 11 mit Hilfe des Signals vom Detektor 2 als IST- Wert über ene Regelung 19 zu regeln. Die Leistung der Lichtquelle 1 wird dabei über die Regelung 19 stets so nachgeregelt, dass das Ausgangssignal des Detektors 2 konstant bleibt. Der SOLL- Wert 20 der Leistung der Lichtquelle 1 wird hierbei manuell eingestellt. Diese Vorgehensweise sichert im Normalfall (ohne Verschmutzung) eine konstante Sendeleistung der Lichtquelle 1, die im Falle einer Verschmutzung nicht konstant ist. Gleichzeitig erfolgt bei einem Austausch der Schutzscheibe 5 automatisch eine Anpassung an die optischen Eigenschaften einer neuen Schutzscheibe, die bspw. von einer anderen Produktionscharge oder gar von einem anderen Lieferanten stammen kann. Wenn dann die Verschmutzung voranschreitet, würde das Signal des Detektors 2 (wie oben beschrieben) kleiner werden, aber die Regelung 19 hält bei diesem Ausführungsbeispiel den Pegel der reflektierten Strahlung 21 konstant. Dabei wird entsprechend dem verschmutzungsbedingten Signalverlust die Sendeleistung der Lichtquelle 1 erhöht, so dass das Signal des Detektors 3 (Streustrahlung) proportional mit der Verschmutzung ansteigt. In case of using a monitor photodiode 10 For measuring the instantaneous transmission power, it is particularly advantageous for the power of the measuring beam 11 with the help of the signal from the detector 2 as actual value over a regulation 19 to regulate. The power of the light source 1 is doing about the scheme 19 always readjusted so that the output signal of the detector 2 remains constant. The target value 20 the power of the light source 1 is set manually. This procedure normally ensures (without soiling) a constant transmission power of the light source 1 that is not constant in case of pollution. At the same time, the protective screen is replaced 5 automatically adapted to the optical properties of a new protective screen, which may for example come from another production lot or even from another supplier. Then, as the pollution progresses, the signal from the detector would turn off 2 (as described above) become smaller, but the scheme 19 holds the level of the reflected radiation in this embodiment 21 constant. In this case, according to the pollution-related signal loss, the transmission power of the light source 1 increased, so that the signal of the detector 3 (Scattered radiation) increases proportionally with the pollution.

Im Falle eines Bruchs der Schutzscheibe 5 wird das Signal des Detektors 2 zu Null, das in der Auswertung im Nenner des Auswertesignals sitzt. Dadurch wird das Auswertesignal undefiniert und führt zu einem elektronisch leicht erkennbaren Zustand. Außerdem führt der Vergleich des Signals des Detektors 2 mit einer voreingestellten Schaltschwelle ebenfalls zur zuverlässigen Erkennung eines Bruchs der Schutzscheibe 5. Zusätzlich wird im Falle eines Bruchs das Transmissionssignal des Detektors 4 größer als in der Ausgangssituation mit unverschmutzter und intakter Schutzscheibe und kann ebenfalls zur Bruchdetektion herangezogen werden. In case of breakage of the protective screen 5 becomes the signal of the detector 2 to zero, which sits in the evaluation in the denominator of the evaluation signal. As a result, the evaluation signal is undefined and leads to an electronically easily recognizable state. In addition, the comparison of the signal of the detector performs 2 with a preset threshold also for reliable detection of breakage of the protective screen 5 , In addition, in case of a break, the transmission signal of the detector becomes 4 greater than in the initial situation with unpolluted and intact protective screen and can also be used for fracture detection.

In 2 ist ein vorzugsweise mit einer Schaltfrequenz F gepulster Treiber 18 der Lichtquelle 1 gezeigt. Die Detektorverstärker 17, 27, 37 und 47 arbeiten in diesem Ausführungsbeispiel synchron mit der Schaltfrequenz F der Lichtquelle 1. Dadurch werden eine hohe Betriebssicherheit und eine zuverlässige Unterdrückung von Tageslicht und anderen störenden Licht- und Signalquellen sichergestellt. In 2 is a preferably pulsed with a switching frequency F driver 18 the light source 1 shown. The detector amplifiers 17 . 27 . 37 and 47 operate in this embodiment in synchronism with the switching frequency F of the light source 1 , This ensures high reliability and reliable suppression of daylight and other disturbing light and signal sources.

Die (nicht dargestellte) Verwendung von optischen Bandpaßfiltern, welche auf die Wellenlänge des Meßstrahls 11 abgestimmt sind, ist ferner zweckmäßig für die Verbesserung der Empfindlichkeit der Messung. The use of optical bandpass filters (not shown), which are based on the wavelength of the measuring beam 11 are also useful for improving the sensitivity of the measurement.

4 zeigt zusätzlich die in der Schutzscheibe 5 gebrochene Strahlung 12, die intern an der oberen Fläche der Schutzscheibe als Strahlung 13 (gestichelt dargestellt) reflektiert und anschließend an der unteren Fläche der Schutzscheibe erneut als versetzt (gegenüber der reflektierten Strahlung 21) austretende Strahlung 14 (gestrichelt) gebrochen wird. Dieser zusätzliche Strahlengang zeigt auf, dass bei günstigem Einfallwinkel 51 ein ausreichend großer Teilstrahl 12 der Strahlung 11 in die Schutzscheibe eingekoppelt wird, so dass seine Leistung durch die eingebrannten Materialspritzer 55 reduziert wird, um nach der internen Reflexion als Teilstrahl 13 erneut beim Austreten in der Leistung durch die eingebrannten Spritzer 55 moduliert zu werden. In diesem Fall sitzt die Lochblende 7 an der neuen Position welche in 4 mit 71 markiert ist, wo sie nur die Schnittmenge der Strahlen 21 und 14 auf den Detektor 2 durchlässt. In diesem Fall wird die Empfindlichkeit der Messung verbessert. 4 also shows the in the protective screen 5 broken radiation 12 that is internal to the top surface of the protective screen as radiation 13 (shown in pencil) reflected and then again on the lower surface of the protective screen as offset (relative to the reflected radiation 21 ) emerging radiation 14 (dashed) is broken. This additional beam path shows that at a favorable angle of incidence 51 a sufficiently large partial beam 12 the radiation 11 is coupled into the protective screen, so that its performance through the burned splashes of material 55 is reduced to after the internal reflection as a partial beam 13 again in the exit in the performance of the burned splashes 55 to be modulated. In this case, the pinhole sits 7 at the new position which in 4 With 71 is marked, where only the intersection of the rays 21 and 14 on the detector 2 pass through. In this case, the sensitivity of the measurement is improved.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung in einem Bearbeitungskopf gemäß 6 hat den Vorteil, dass die Komponenten der Überwachungseinrichtung fest im unteren Teil des Bearbeitungskopfs gut geschützt montiert werden können, während die Schutzscheibe 5 in eine vorgesehene Schublade 50 leicht austauschbar eingebaut ist. The application of the monitoring device according to the invention in a processing head according to 6 has the advantage that the components of the monitoring device can be mounted firmly protected in the lower part of the machining head, while the protective screen 5 in a designated drawer 50 easily replaceable installed.

Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung gem. den 1 und 4 ist mit Einschränkungen an die Empfindlichkeit und nach unwesentlichen technischen Anpassungen auch mit einer nicht kollimierten Lichtquelle 1 mit einer leicht divergenten Strahlung 11 verwendbar. The monitoring device according to the invention. the 1 and 4 with limitations on sensitivity and minor technical adjustments even with a non-collimated light source 1 with a slightly divergent radiation 11 usable.

Die erfindungsgemäße Anordnung nach den 1 und 4 ist ferner nicht nur für die Überwachung der Verschmutzung von Schutzscheiben, sondern auch für andere optische Komponenten, wie z.B. für für Spiegeloberflächen oder Linsen verwendbar, wobei die Erfassung der Transmissions-Strahlung 41 mit dem Detektor 4 bei nicht-transmissiven optischen Komponenten wie Spiegel entfällt. The inventive arrangement according to the 1 and 4 Furthermore, it is useful not only for monitoring the soiling of protective screens but also for other optical components such as for mirror surfaces or lenses, wherein the detection of the transmission radiation 41 with the detector 4 for non-transmissive optical components such as mirrors is omitted.

Vorteilhaft ist auch die Tatsache, dass nur eine erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung zur Überwachung der optischen Komponente benötigt wird. Aus DE 19839930 und DE 20314918 ist beispielsweise bekannt, dass für eine zuverlässige Überwachung mehrere am Umfang der optischen Komponente angeordnete Überwachungsvorrichtungen benötigt werden. Also advantageous is the fact that only one monitoring device according to the invention is required for monitoring the optical component. Out DE 19839930 and DE 20314918 For example, it is known that several monitoring devices arranged on the circumference of the optical component are required for reliable monitoring.

Sowohl die Lichtquelle 1 als auch die Detektoren 2, 3, 4 können als diskrete Komponenten oder über optische Faser in der benötigten Lage im oder am Bearbeitungskopf montiert werden. Die Detektoren 2 und 3 können besonders praktisch als optisches Faserbündel ausgelegt werden, wie in 7 dargestellt, wobei die Fasern 20 und 30, die jeweils mit Faserkern und -mantel dargestellt sind, auch unterschiedliche Durchmesser haben können. Both the light source 1 as well as the detectors 2 . 3 . 4 can be mounted as discrete components or via optical fiber in the required position in or on the machining head. The detectors 2 and 3 can be particularly practical designed as an optical fiber bundle, as in 7 shown, wherein the fibers 20 and 30 , which are each shown with fiber core and sheath, may also have different diameters.

Eine damit vergleichbare koaxiale Anordnung der Detektoren 2 und 3 lässt sich besonders praktisch auch mit einem Lochspiegel und zwei diskreten Detektoren realisieren (ohne Abbildung). A comparable coaxial arrangement of the detectors 2 and 3 can be implemented in a particularly practical way with a perforated mirror and two discrete detectors (not shown).

Statt der vorgeschlagenen lichtempfindlichen Detektoren 2 und 3 können auch Matrixdetektoren (CCD-Kamerachips) oder XY-positionsempfindliche Detektoren (PSD) ohne Abbildungsoptik zur Erfassung der Verschiebung des Beleuchtungsschwerpunktes in den reflektierten Strahlen (Summenbildung der Intensitäten der Strahlen 21, 31 und 14) verwendet werden (ohne Abbildung). Die höchste Strahlungsdichte liefert die Kombination der Strahlen 21 und 14 durch Summenbildung deren Intensitäten. Um eine Verschiebung mit einer minimalen Detektorfläche zu erkennen, muss sie radial (räumlich) von Detektor 2 in Richtung Detektor 3 angeordnet werden. Instead of the proposed light-sensitive detectors 2 and 3 For example, matrix detectors (CCD camera chips) or XY position-sensitive detectors (PSD) without imaging optics can also be used to detect the shift of the illumination center in the reflected beams (summation of the intensities of the beams 21 . 31 and 14 ) (not shown). The highest radiation density provides the combination of the rays 21 and 14 by summing their intensities. To detect a shift with a minimum detector surface, it must be radial (spatial) from the detector 2 towards the detector 3 to be ordered.

Ergänzend kann die Überwachungseinrichtung aus 4 auch zur selektiven Erfassung der Verschmutzung auf der sich im Bearbeitungskopf befindlichen Innenseite 5b der Schutzscheibe 5 verwendet werden, unter der Voraussetzung, dass die Außenseite 5a prozeßbedingt sauber bleibt. In diesem Fall steckt die Information über den Verschmutzungsgrad der Innenseite 5b im Teilstrahlenbündel 14, so dass für eine bessere Detektion der Verschmutzung die Strahlen 12 und 14 möglichst gut separiert werden, indem der Durchmesser des Meßstrahls 11 entsprechend oder zumindest in der Größenordnung der Dicke der Schutzscheibe 5 gewählt wird. In addition, the monitoring device off 4 also for selective detection of contamination on the inside located in the machining head 5b the protective screen 5 be used, provided that the outside 5a remains clean due to the process. In this case, the information is on the degree of contamination of the inside 5b in the partial beam 14 , so for a better detection of pollution the rays 12 and 14 be separated as well as possible by the diameter of the measuring beam 11 corresponding or at least on the order of the thickness of the protective disk 5 is selected.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19605018 A [0006]
DE 19507401 A [0006]
WO 9833059 A [0006]
DE 19839930 A [0006, 0009]
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BE 1007005 A [0009, 0010]
EP 01398612 A [0009, 0010]
DE 19654850 A [0009]
DE 19839930 [0039]
DE 20314918 [0039]

Claims

Monitoring device for detecting and monitoring the contamination of an optical component ( 5 ) in a device for laser material processing, which a process laser beam ( 6 ) by or on the optical component ( 5 ), with - a light source ( 1 ), which a measuring beam ( 11 ) and at an angle of incidence ( 51 ) on an outer surface ( 5a ) of the optical component ( 5 ), - a first light-sensitive detector ( 2 ), - a pinhole ( 7 ), by which the under the corner angle ( 52 ) from the outer surface ( 5a ) of the component ( 5 ) reflected beam ( 21 ) to the first detector ( 2 ) to determine the intensity of the reflected beam ( 21 ), - a second light-sensitive detector ( 3 ), with which the intensity of the diffuse from the outer surface ( 5a ) of the component ( 5 ) at a scattering angle ( 53 ) scattered radiation ( 31 ), and - with an evaluation device ( 27 . 37 ), which from the detected intensities of the reflected beam ( 21 ) and the scattered radiation ( 31 ) a measure of the degree of contamination of the component ( 5 ).

Monitoring device according to claim 1, characterized in that the intensity of the light emitted by the optical component ( 5 ) transmissive transmission beam ( 41 ) of a third light-sensitive detector ( 4 ) is detected.

Monitoring device according to claim 1 or 2, characterized in that the of the light source ( 1 ) emitted measuring beam ( 11 ) is collimated and in a central area ( 65 ) on the outer surface ( 5a ) impinges the optical component.

Monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the detectors ( 2 . 3 . 4 ) with respect to the wavelength of the measuring beam ( 11 ) are wavelength sensitive photosensitive.

Monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the amount of the angle of incidence ( 51 ) equal to the amount of the angle of failure ( 52 ).

Monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the failure angle ( 52 ) and the scattering angle ( 53 ) are different.

Monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the power of the light source 1 emitted measuring beam ( 11 ) via a monitor diode ( 10 ) and the degree of contamination of the optical component from the detected intensity of scattered radiation ( 31 ) and the power of the measuring beam ( 11 ) is determined.

Monitoring device according to claim 7, characterized in that the power of the light source ( 1 ) emitted measuring beam ( 11 ) via a control device ( 19 ) is adjusted so that that of the first detector ( 2 ) detected signal of the reflected beam ( 21 ) regardless of the degree of soiling of the optical component ( 5 ) is kept constant.

Monitoring device according to one of the preceding claims, wherein the optical component is a protective screen ( 5 ) or a lens or a mirror.