WO2018228912A1 - Scanning head device and method for reflecting or transmitting beams for a scanner, scanning device with a scanning head device and scanner with a scanning head device - Google Patents

Scanning head device and method for reflecting or transmitting beams for a scanner, scanning device with a scanning head device and scanner with a scanning head device Download PDF

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WO2018228912A1
WO2018228912A1 PCT/EP2018/065013 EP2018065013W WO2018228912A1 WO 2018228912 A1 WO2018228912 A1 WO 2018228912A1 EP 2018065013 W EP2018065013 W EP 2018065013W WO 2018228912 A1 WO2018228912 A1 WO 2018228912A1
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observation
light
beam splitter
scanner
scanning
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PCT/EP2018/065013
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Inventor
Tim Baldsiefen
Original Assignee
Jenoptik Optical Systems Gmbh
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head

Definitions

  • Scan head apparatus and method for reflecting or transmitting beams for a scanner scanning apparatus having a scan head apparatus and scanner having a scan head apparatus
  • the present approach relates to a scan head device for reflecting or transmitting beams for a scanner, a scanning device having a scan head device and a scanner having a scan head device, a method for reflecting or transmitting beams for a scanner and a corresponding computer program product.
  • the present approach uses a scanning head apparatus for reflecting or transmitting beams for a scanner, a scanning apparatus having a scan head apparatus, a scanner having a scan head apparatus, and a method for reflecting or transmitting Rays for a scanner according to the main claims presented.
  • Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
  • a scan head device for reflecting or transmitting beams for a scanner has at least one beam splitter device.
  • the beam splitter device is designed and arranged to completely reflect a processing light of a processing wavelength of the scanner, wherein the beam splitter device is designed and arranged to transmit an observation light from a workpiece through the beam splitter device.
  • the scanner may be a 2D optical scanner.
  • the processing light may be a laser beam from a laser device that is generated and provided for machining the workpiece by the laser device.
  • the beam splitter device can advantageously be designed and arranged to reflect the incident processing light in the direction of the workpiece.
  • the observation light can be transmitted by the beam splitter device starting from or in the region of the workpiece in the direction of a sensor device arranged opposite the workpiece or an objective of the scanner.
  • the sensor device may be or include a camera.
  • a scan head device presented here makes it possible for a processing of a workpiece to be completely monitored by a processing light in a scanner since an observation light can transmit completely through the scan head device and thus a direct or straight observation channel is created by the scan head device which is located between the sensor device and the workpiece is arranged.
  • the scanning head apparatus may additionally comprise a mirror device which is designed and arranged to reflect the processing light of the processing wavelength generated by the laser device to the beam splitter device.
  • the laser device can be arranged next to the scan head device and be directed to the workpiece arranged below the scan head device by reflecting the processing light twice, for example in the form of a triangle, by means of the mirror device and the beam splitter device.
  • a reflection surface of the beam splitter device may in this case be arranged facing the workpiece.
  • the beam splitter device of the scan head device is arranged to be movable according to an embodiment of the approach presented here. For example, the beam splitter device can be aligned as a function of an imaging result or machining result of the workpiece.
  • a scanning device has one of the presented scan head devices and a
  • observation device with at least the aforementioned sensor device, which is adapted to read in the transmitted through the beam splitter observation light.
  • the observation device according to an embodiment of the approach described here is arranged such that the scan head device is arranged between the workpiece and the observation device. This allows a straight observation channel from the workpiece through the scanhead device.
  • the observation device of the scanning device may comprise at least one further mirror device, which is designed to be the transmitted one
  • the observation device may additionally or alternatively also comprise at least one further sensor device which is designed to read in a further observation light transmitted by the objective through the beam splitter device, in particular wherein the observation device may comprise an additional mirror device which is designed to receive the further observation light to reflect to the other sensor device.
  • An observation wavelength associated with the further sensor device for observing the objective could, for example, be located in the IR. In this way, changes in temperature can occur
  • the scanning device has a lighting device which is designed to generate an illumination light with a pattern on the workpiece. Due to the pattern on the workpiece, the workpiece can advantageously be easily measured, in particular an accurate 3D measurement is thus possible.
  • the beam splitter device and / or the further mirror device and / or the additional mirror device may or may advantageously be designed and arranged to transmit the illumination light in the direction of the workpiece.
  • the scanning device may also comprise the objective, in particular wherein the scan head device may be arranged between the observation device and the objective.
  • the scanning device may also have the laser device in order to be able to generate and provide the processing light.
  • a scanner in particular a 2D scanner, has one of the presented scan head devices or scanning devices.
  • a scanner presented here can serve as a replacement for known scanners, the presented scanner advantageously implementing the already explained advantages by the scan head device or scanning device.
  • a method for reflecting or transmitting beams for a scanner comprises at least the following steps:
  • This method may be practicable using the scanhead apparatus or scanner previously presented. Even by such a method, the advantages already described can be realized technically simple and inexpensive.
  • the processing light adapted to provide the observation light may be provided.
  • a computer program product with program code which can be stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program product is installed on a computer or a device is also of advantage is performed.
  • 1 shows a laser processing head
  • FIG. 2 shows a scanning device with a scan head device for reflecting or transmitting beams for a scanner according to an embodiment
  • FIG. 3 shows a scanning device according to an embodiment
  • FIG. 4 is a flowchart of a method for reflecting or transmitting beams for a scanner according to one embodiment.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
  • FIG. 1 shows a laser processing head 100.
  • the laser processing head 100 may also be referred to as a 1D application or 1D application for laser and material processing.
  • the laser processing head 100 is designed for laser welding and / or laser cutting and / or for performing an ablation.
  • a laser beam 1 10 generated by a laser 105 is focused on the surface 120 to be processed via a focusing lens 1 1 5.
  • An oblique beam splitter 125 in the beam path now allows process monitoring.
  • Light of an observation wavelength from a workpiece 127 passes through the focusing lens 1 1 5, which is an objective here, and is deflected at a certain point by the beam splitter 125 in a viewing optics 130. This allows an instantaneous mapping of an application result.
  • the beam splitter 125 will pass from the processing light in the form of the laser beam 110. Since the applications are mostly applications of high power, the beam splitter 125 heats up, or a temperature gradient forms towards the edge of the beam splitter 125. This in turn leads to a change in the beam profile in the passage, ie to a focus shift and an astigmatic change. That is, the process stability is reduced.
  • the application shown here is intended or suitable only for very small fields of view.
  • the beam splitter 125 belongs to the objective in the form of the focusing device 15 and is rigid.
  • the beam splitter 125 is used in the passage for the application.
  • the beam splitter 125 is used in reflection for a process control.
  • FIG. 2 shows a scanning device 200 with a scan head device 205 for reflecting or transmitting beams 210, 21 5 for a scanner according to one exemplary embodiment.
  • the scanning head device 205 is configured to completely reflect a processing light 210 of the scanning device 200 and to transmit an observation light to the scanning device 200.
  • the scan head device 205 at least one beam splitter device 220, which is designed and arranged to completely reflect the processing light 210 of a processing wavelength of the scanner, wherein the beam splitter 220 is configured and arranged to transmit the observation light 215 from a workpiece 225 through the beam splitter 220.
  • the scan head device 205 also has a mirror device 230, which is designed and arranged to reflect the processing light 210 generated by a laser device 235 to the beam splitter device 220.
  • the mirror device 230 is arranged to be movable.
  • the scanning device 200 shown here comprises the scan head device 205 described above and at least one observation device 240 with at least one sensor device 245, which is designed to read in the observation light 247 transmitted by the beam splitter device 220.
  • the sensor device 245 is part of a camera.
  • the observation device 240 of the scanning device 200 comprises at least one further mirror device 250, which is designed to reflect the transmitted observation light 247 to the sensor device 245.
  • the observation device 240 comprises a further sensor device 255, which is designed to read in a further observation light transmitted by an objective 260 through the beam splitter device 220 and, according to this embodiment, further transmitted by the further mirror device 250.
  • the observation device 240 comprises an additional mirror device 265, which is designed to reflect the further observation light to the further sensor device 255.
  • the further sensor device 255 is part of the or another camera according to this embodiment.
  • the scanning device 200 comprises a lighting device 270, which is designed to convey an illumination light 275 to create a pattern on the workpiece 225.
  • a lighting device 270 which is designed to convey an illumination light 275 to create a pattern on the workpiece 225.
  • at least the beam splitter 220 and / or the further mirror device 250 and / or the additional mirror device 265 are designed and arranged to transmit the illumination light 275 in the direction of the workpiece 225.
  • the objective 260 is also part of the scanning device 200, the scanning head device 205 being arranged between the observation device 240 and the objective 260.
  • the laser device 235 for generating the processing light 210 is part of the scanning device 200.
  • the presented scan head device 205 can be beschieben as a 2D scanner for laser material processing and ⁇ observation channel.
  • This camera channel has the following capabilities: An entire field of the workpiece 225 that can be processed to a maximum is imaged and the camera channel is able to detect changes in the image quality in the application channel, which can also be referred to as a processing channel.
  • a second mirror of the scan head device 205 is provided with a beam splitter layer for this purpose in order to generate the beam splitter device 220.
  • the processing light 210 which may also be referred to as application light, is directed into the objective 260.
  • light from the workpiece 225 can be guided through the objective 260 through the scan head device 205, which can also be referred to as scan mirror, into the camera channel.
  • An optic of the camera channel can be advantageously adapted to aberrations of the application lens. Changing a mirror position causes only a slight change in a telecentricity angle of the observation beams on the workpiece 225, but does not change the image location. As a result, even when scanning a static image of the entire edit field can be generated.
  • the scan head device 205 combined allows an instantaneous observation of the entire application area without complex image processing. Changes in the lens 260, z. B. by thermal influences, are reflected in the camera image again. This allows an open-loop correction of the application process.
  • the mirror closest to the objective 260 is designed as the beam splitting device 220.
  • the machining wavelength is completely reflected, which does not change the application.
  • the observation wavelengths, however, are transmitted.
  • D. h. One now gets access to a light channel that goes undirected by the scan head 205 on the workpiece 225. This light channel can be used for several purposes. These applications can also be done in parallel, allowing for a modular connection of process control systems.
  • an image is realized by a moving beam splitter 220 in the passage.
  • care must therefore be taken that the observation beam path is as collimated as possible when passing through the beam splitter 220. This would only lead to an offset of the beam in the passage and not affect the image in the observation channels in place.
  • light of the observation wavelengths now passes from the workpiece 225 through the objective 260 through the beam splitter scanning mirror in the form of the scan head apparatus 205.
  • the further mirror means 250 shown here optionally also formed as a beam splitter, focused in an observation optics of the sensor device 245.
  • Changes in the optical properties of the objective 260 also change the image through the observation channel and can thereby be detected. This can be used to optimize the process.
  • the observation channel uses the same beam path as the lens 260, ie everything that can be processed is also seen.
  • the scanning device 200 comprises the further sensor device 255 with a further observation optics, which does not look at the workpiece 225 but at the objective 260.
  • the associated observation wavelengths are optionally IR. In this way one can measure temperature changes in the lens 260 directly.
  • the scanning device 200 includes another application in the form of a projection.
  • a spot pattern is projected on the workpiece 225 by the illuminator 270. This can be observed and measured by the observation channel already described. As a result, an accurate SD measurement of the workpiece 225 is possible.
  • a (dot) pattern is generated by the illumination device 270, which is guided by a mirror 280 into the scan box in the form of the scan head device 205.
  • This illumination light 275 passes through the beam splitter 220 and is formed on the workpiece 225 by the objective 260. This advantageously allows a low adjustment effort and is also very stable.
  • the observation light 21 5 for creating an observation channel is mirrored in the scan head device 205.
  • This advantageously enables, when the beam splitter 220 and / or the mirror device 230 are moved in the scan head device 205 or in the scanner, to move the processing light 210, which may also be referred to as a processing beam, the observation channel does not move or move , It is thus possible to look through the objective 260 at the workpiece 225.
  • the observer 240 according to this embodiment is configured to generate a true optical image. An image produced in this way is advantageously unaffected by a movement of the beam splitting device 220 and / or the mirror device 230, which may also be referred to as a scanning mirror.
  • the first mirror, the next mirror in the scanner 260, ie the beam splitter device 220, is constructed and coated such that it reflects the processing wavelength of the processing light 210 but transmits the observation wavelength of the observation light 21 5.
  • the machining wavelength thus differs from the observation wavelength.
  • various systems are advantageously connected to the scanning head device 205 or the scanner over a region of the transmitted observation light 247 such that these systems look and / or project through the objective 260 onto the workpiece 225. Since one beam path is parallel due to the moving scanner mirror, the image in the observation channel does not change.
  • the beam splitter 220 may also be referred to as a wavelength-dependent beam splitter.
  • the beam splitter 220 functions as a mirror in a 2D galvanometer scan head.
  • the beam splitting device 220 is simultaneously the active mirror in the galvanometer scanner, in short "Galvo".
  • FIG. 3 shows a scanning device 200 according to an exemplary embodiment. This may be the scanning device 200 described in FIG. 2, with the difference that the illumination device and the further sensor device are not shown, and that the observation device does not have the further mirror device. The observation light thus passes through the beam splitter device undistorted to the sensor device 245.
  • a laser beam of the laser device 235 is deflected via the two scanning mirrors of the scan head device 205 and guided through the objective 260 and focused on the workpiece 225.
  • the second mirror in the form of the beam splitter device of the scan head device 205 is reflective for the processing wavelength.
  • the observation channel In the observation channel, light is imaged by an imaging point 300 on the workpiece 225 through the objective 260 through the mirror, which is now transmissive to the observation light in the form of the beam splitter device, onto the sensor device 245.
  • a field of view of a camera 300 is not tilted against a field of view of the objective 260.
  • shadowing in the process control can therefore not occur.
  • the optical paths of camera and application channel in the presented scanning device 200 are not different.
  • the camera channel is advantageously able to make changes in the Applikatioskanal, z. As thermal influences and / or decentrations, and changes in the application result over time, eg. B. in a cooling process to recognize.
  • a field of view is not smaller than the maximum processing field of the objective 260. This makes it possible to "look ahead".
  • Demanding software to extract information from the scanned images,> 1 kHz scanning speed, is not necessary thanks to the scanning device 200 shown here.
  • the observation channel is not scanned and the beam splitting device 220 is used.
  • the beam splitting device is not located in the imaging system but in the scanner.
  • the beam splitter in the known 1 D systems is used in a transmissive manner, which means that it becomes warmer and image quality is poorer.
  • FIG. 4 shows a flowchart of a method 400 for reflecting or transmitting beams for a scanner according to one embodiment. This can be a method 400 which can be carried out by one of the scan head apparatus or scanning apparatus described in one of FIGS. 2 or 3.
  • the method 400 includes at least a step 405 of providing and a step 410 of sending.
  • step 405 of providing a machining light of a machining wavelength is provided to a beam splitting device configured and arranged to completely reflect the machining light onto a workpiece.
  • step 410 of transmission an observation light is transmitted from the workpiece to the beam splitter configured to transmit the observation light through the beam splitting means.
  • the processing light adapted to provide the observation light is provided.

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Abstract

The invention relates to a scanning head device (205) for reflecting or transmitting beams (210, 215, 275) for a scanner. The scanning head device (205) comprises at least one beam splitter device (220). The beam splitter device (220) is designed and mounted in order to completely reflect processing light (210) from a processing wavelength of the scanner, the beam splitter device (220) also being designed and mounted in order to transmit an observation light (215) from a workpiece (225) through the beam splitter device (220).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Scankopfvorrichtung und Verfahren zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner, Scanvorrichtung mit einer Scankopfvorrichtung und Scanner mit einer Scankopfvorrichtung Scan head apparatus and method for reflecting or transmitting beams for a scanner, scanning apparatus having a scan head apparatus and scanner having a scan head apparatus
Im Rahmen von Anwendungen in der Laser- und Materialbearbeitung steigen Anforderungen an Genauigkeit und Durchsatzgeschwindigkeit. Eine Möglichkeit diese beiden Ansprüche zu bedienen stellt eine visuelle Prozesskontrolle mittels einer Kamera und angeschlossener Bildverarbeitung dar. Diese Prozesskontrolle soll in der Lage sein, möglichst viele äußere Einflüsse zu detektieren und entsprechende Gegenmaßnahmen zu ermöglichen. Besonders in der Anwendung „2D-Scanner+Objektiv", welche hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten ermöglicht, ist Prozesskontrolle sehr attraktiv. Kameras werden hierbei zusätzlich außerhalb einer Anordnung von Scanner und Objektiv angebracht. Vor dem Eintritt des Laserstrahls in den Scanner wird ein Kamerakanal eingespiegelt. Dadurch wird das Sichtfeld der Kamera mitgescannt. The demands on accuracy and throughput speed are increasing in the context of laser and material processing applications. A possibility to use these two claims represents a visual process control by means of a camera and connected image processing. This process control should be able to detect as many external influences as possible and to allow appropriate countermeasures. Especially in the "2D Scanner + Lens" application, which allows high processing speeds, process control is very attractive, with cameras additionally placed outside a scanner and lens assembly scanned the field of view of the camera.
Der vorliegende Ansatz bezieht sich auf eine Scankopfvorrichtung zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner, eine Scanvorrichtung mit einer Scankopfvorrichtung und einen Scanner mit einer Scankopfvorrichtung, ferner ein Verfahren zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt. The present approach relates to a scan head device for reflecting or transmitting beams for a scanner, a scanning device having a scan head device and a scanner having a scan head device, a method for reflecting or transmitting beams for a scanner and a corresponding computer program product.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem vorliegenden Ansatz eine Scankopfvorrichtung zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner, eine Scanvorrichtung mit einer Scankopfvorrichtung, ferner ein Scanner mit einer Scankopfvorrichtung sowie ein Verfahren zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Against this background, the present approach uses a scanning head apparatus for reflecting or transmitting beams for a scanner, a scanning apparatus having a scan head apparatus, a scanner having a scan head apparatus, and a method for reflecting or transmitting Rays for a scanner according to the main claims presented. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Eine Scankopfvorrichtung zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner weist zumindest eine Strahlteilereinrichtung auf. Die Strahlteilereinrichtung ist dazu ausgebildet und angeordnet, um ein Bearbeitungslicht einer Bearbeitungswellenlänge des Scanners komplett zu reflektieren, wobei die Strahlteilereinrichtung dazu ausgebildet und angeordnet ist, um ein Beobachtungslicht von einem Werkstück durch die Strahlteilereinrichtung zu transmittieren. A scan head device for reflecting or transmitting beams for a scanner has at least one beam splitter device. The beam splitter device is designed and arranged to completely reflect a processing light of a processing wavelength of the scanner, wherein the beam splitter device is designed and arranged to transmit an observation light from a workpiece through the beam splitter device.
Bei dem Scanner kann es sich um einen optischen 2D-Scanner handeln. Das Bearbeitungslicht kann ein Laserstahl von einer Lasereinrichtung sein, der zur Bearbeitung des Werkstücks von der Lasereinrichtung erzeugt und bereitgestellt wird. Hierzu kann die Strahlteilereinrichtung vorteilhafterweise dazu ausgebildet und angeordnet sein, um das auftreffende Bearbeitungslicht in Richtung des Werkstücks zu reflektieren. Das Beobachtungslicht kann hierbei von dem oder im Bereich des Werkstücks ausgehend in Richtung einer dem Werkstück oder einem Objektiv des Scanners gegenüberliegend angeordneten Sensoreinrichtung durch die Strahlteilereinrichtung transmittiert werden. Die Sensoreinrichtung kann eine Kamera sein oder umfassen. The scanner may be a 2D optical scanner. The processing light may be a laser beam from a laser device that is generated and provided for machining the workpiece by the laser device. For this purpose, the beam splitter device can advantageously be designed and arranged to reflect the incident processing light in the direction of the workpiece. In this case, the observation light can be transmitted by the beam splitter device starting from or in the region of the workpiece in the direction of a sensor device arranged opposite the workpiece or an objective of the scanner. The sensor device may be or include a camera.
Eine hier vorgestellte Scankopfvorrichtung ermöglicht es, dass eine Bearbeitung eines Werkstücks durch ein Bearbeitungslicht in einem Scanner stets komplett überwacht werden kann, da ein Beobachtungslicht komplett durch die Scankopfvorrichtung transmittieren kann und somit ein direkter oder gerader Beobachtungskanal durch die Scankopfvorrichtung geschaffen ist, welcher zwischen der Sensoreinrichtung und dem Werkstück angeordnet ist. A scan head device presented here makes it possible for a processing of a workpiece to be completely monitored by a processing light in a scanner since an observation light can transmit completely through the scan head device and thus a direct or straight observation channel is created by the scan head device which is located between the sensor device and the workpiece is arranged.
Die Scankopfvorrichtung kann zusätzlich eine Spiegeleinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet und angeordnet ist, um das von der Lasereinrichtung erzeugte Bearbeitungslicht der Bearbeitungswellenlänge zu der Strahlteilereinrichtung zu reflektieren. So kann die Lasereinrichtung neben der Scankopfvorrichtung anordenbar sein und durch ein zweimaliges Reflektieren des Bearbeitungslichts, beispielsweise in Form eines Dreiecks, mittels der Spiegeleinrichtung und der Strahlteilereinrichtung zu dem unter der Scankopfvorrichtung angeordneten Werkstück gelenkt werden. Dies ermöglicht eine praktische Anordnung der genannten Komponenten. Eine Reflexionsfläche der Strahlteilereinrichtung, kann hierbei dem Werkstück zugewandt angeordnet sein. Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Strahlteilereinrichtung der Scankopfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes beweglich angeordnet ist. So kann die Strahlteilereinrichtung beispielsweise abhängig von einem Abbildungsergebnis oder Bearbeitungsergebnis des Werkstücks ausgerichtet werden. Eine Scanvorrichtung weist eine der vorgestellten Scankopfvorrichtungen und eineThe scanning head apparatus may additionally comprise a mirror device which is designed and arranged to reflect the processing light of the processing wavelength generated by the laser device to the beam splitter device. Thus, the laser device can be arranged next to the scan head device and be directed to the workpiece arranged below the scan head device by reflecting the processing light twice, for example in the form of a triangle, by means of the mirror device and the beam splitter device. This allows a convenient arrangement of the components mentioned. A reflection surface of the beam splitter device may in this case be arranged facing the workpiece. It is furthermore advantageous if the beam splitter device of the scan head device is arranged to be movable according to an embodiment of the approach presented here. For example, the beam splitter device can be aligned as a function of an imaging result or machining result of the workpiece. A scanning device has one of the presented scan head devices and a
Beobachtungseinrichtung mit zumindest der bereits erwähnten Sensoreinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, um das durch die Strahlteilereinrichtung transmittierte Beobachtungslicht einzulesen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Beobachtungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform des hier beschriebenen Ansatzes so angeordnet ist, dass die Scankopfvorrichtung zwischen dem Werkstück und der Beobachtungseinrichtung angeordnet ist. Dies ermöglicht einen geraden Beobachtungskanal von dem Werkstück durch die Scankopfvorrichtung. Observation device with at least the aforementioned sensor device, which is adapted to read in the transmitted through the beam splitter observation light. In this case, it is advantageous if the observation device according to an embodiment of the approach described here is arranged such that the scan head device is arranged between the workpiece and the observation device. This allows a straight observation channel from the workpiece through the scanhead device.
Die Beobachtungseinrichtung der Scanvorrichtung kann zumindest eine weitere Spiegeleinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, um das transmittierteThe observation device of the scanning device may comprise at least one further mirror device, which is designed to be the transmitted one
Beobachtungslicht zu der Sensoreinrichtung zu reflektieren. Observation light to reflect the sensor device.
Die Beobachtungseinrichtung kann zusätzlich oder alternativ auch zumindest eine weitere Sensoreinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, um ein von dem Objektiv durch die Strahlteilereinrichtung transmittiertes weiteres Beobachtungslicht einzulesen, insbesondere wobei die Beobachtungseinrichtung eine zusätzliche Spiegeleinrichtung umfassen kann, die dazu ausgebildet ist, um das weitere Beobachtungslicht zu der weiteren Sensoreinrichtung zu reflektieren. Eine zu der weiteren Sensoreinrichtung zugehörige Beobachtungswellenlänge zum Beobachten des Objektivs könnte hierzu beispielsweise im IR liegen. Auf diese Art und Weise können Temperaturänderungen imThe observation device may additionally or alternatively also comprise at least one further sensor device which is designed to read in a further observation light transmitted by the objective through the beam splitter device, in particular wherein the observation device may comprise an additional mirror device which is designed to receive the further observation light to reflect to the other sensor device. An observation wavelength associated with the further sensor device for observing the objective could, for example, be located in the IR. In this way, changes in temperature can occur
Objektiv direkt gemessen werden. Lens can be measured directly.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Scanvorrichtung eine Beleuchtungseinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, um ein Beleuchtungslicht mit einem Muster auf das Werkstück zu erzeugen. Durch das Muster auf dem Werkstück kann das Werkstück vorteilhafterweise leicht vermessen werden, insbesondere eine genaue 3D-Vermessung ist somit ermöglicht. Die Strahlteilereinrichtung und/oder die weitere Spiegeleinrichtung und/oder die zusätzliche Spiegeleinrichtung kann oder können dabei vorteilhafterweise dazu ausgebildet und angeordnet sein, um das Beleuchtungslicht in Richtung des Werkstücks zu transmittieren. It is also advantageous if the scanning device has a lighting device which is designed to generate an illumination light with a pattern on the workpiece. Due to the pattern on the workpiece, the workpiece can advantageously be easily measured, in particular an accurate 3D measurement is thus possible. The beam splitter device and / or the further mirror device and / or the additional mirror device may or may advantageously be designed and arranged to transmit the illumination light in the direction of the workpiece.
Die Scanvorrichtung kann auch das Objektiv umfassen, insbesondere wobei die Scankopfvorrichtung zwischen der Beobachtungseinrichtung und dem Objektiv angeordnet sein kann. Auch kann die Scanvorrichtung die Lasereinrichtung aufweisen, um das Bearbeitungslicht erzeugen und bereitstellen zu können. The scanning device may also comprise the objective, in particular wherein the scan head device may be arranged between the observation device and the objective. The scanning device may also have the laser device in order to be able to generate and provide the processing light.
Ein Scanner, insbesondere ein 2D-Scanner, weist eine der vorgestellten Scankopfvorrichtungen oder Scanvorrichtungen auf. Ein hier vorgestellter Scanner kann als Ersatz für bekannte Scanner dienen, wobei der vorgestellte Scanner vorteilhafterweise durch die Scankopfvorrichtung oder Scanvorrichtung deren bereits erläuterte Vorteile realisiert. A scanner, in particular a 2D scanner, has one of the presented scan head devices or scanning devices. A scanner presented here can serve as a replacement for known scanners, the presented scanner advantageously implementing the already explained advantages by the scan head device or scanning device.
Ein Verfahren zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner umfasst zumindest die folgenden Schritte: A method for reflecting or transmitting beams for a scanner comprises at least the following steps:
Bereitstellen eines Bearbeitungslichts einer Bearbeitungswellenlänge auf eine Strahlteilereinrichtung, die dazu ausgebildet und angeordnet ist, um das Bearbeitungslicht komplett auf ein Werkstück zu reflektieren; und Providing a machining light of a machining wavelength to a beam splitter device configured and arranged to completely reflect the machining light onto a workpiece; and
Senden eines Beobachtungslichts von dem Werkstück auf die Strahlteilereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, um das Beobachtungslicht durch die Strahlteilereinrichtung zu transmittieren. Transmitting an observation light from the workpiece to the beam splitting means configured to transmit the observation light through the beam splitting means.
Dieses Verfahren kann unter Verwendung der zuvor vorgestellten Scankopfvorrichtung oder Scanvorrichtung ausführbar sein. Auch durch ein solches Verfahren können die bereits beschriebenen Vorteile dieser technisch einfach und kostengünstig realisiert werden. This method may be practicable using the scanhead apparatus or scanner previously presented. Even by such a method, the advantages already described can be realized technically simple and inexpensive.
Im Schritt des Bereitstellens kann das Bearbeitungslicht bereitgestellt werden, das dazu ausgebildet ist, um das Beobachtungslicht bereitzustellen. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. In the step of providing, the processing light adapted to provide the observation light may be provided. A computer program product with program code which can be stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program product is installed on a computer or a device is also of advantage is performed.
Der Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: The approach will be explained in more detail by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 einen Laserbearbeitungskopf; 1 shows a laser processing head.
Fig. 2 eine Scanvorrichtung mit einer Scankopfvorrichtung zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner gemäß einem Ausführungsbeispiel; FIG. 2 shows a scanning device with a scan head device for reflecting or transmitting beams for a scanner according to an embodiment; FIG.
Fig. 3 eine Scanvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und 3 shows a scanning device according to an embodiment; and
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner gemäß einem Ausführungsbeispiel. 4 is a flowchart of a method for reflecting or transmitting beams for a scanner according to one embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele des vorliegenden Ansatzes werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. In the following description of favorable embodiments of the present approach, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder" -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist. If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
Fig. 1 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 100. 1 shows a laser processing head 100.
Der Laserbearbeitungskopf 100 kann auch als eine 1 D-Applikation oder 1 D-Anwendung für eine Laser- und Materialbearbeitung bezeichnet werden. Der Laserbearbeitungskopf 100 ist zum Laserschweißen und/oder Laserschneiden und/oder zum Durchführen einer Ablation ausgebildet. The laser processing head 100 may also be referred to as a 1D application or 1D application for laser and material processing. The laser processing head 100 is designed for laser welding and / or laser cutting and / or for performing an ablation.
Hierbei wird ein von einem Laser 105 erzeugter Laserstrahl 1 10 über eine Fokussieroptik 1 1 5 auf die zu bearbeitende Fläche 120 fokussiert. Ein schräg stehender Strahlteiler 125 im Strahlengang erlaubt jetzt eine Prozessüberwachung. Licht einer Beobachtungswellenlänge von einem Werkstück 127 geht durch die Fokussieroptik 1 1 5, die hier ein Objektiv ist, und wird an einer bestimmten Stelle durch den Strahlteiler 125 in eine Beobachtungsoptik 130 abgelenkt. Dies erlaubt eine instantane Abbildung eines Applikationsergebnisses. In this case, a laser beam 1 10 generated by a laser 105 is focused on the surface 120 to be processed via a focusing lens 1 1 5. An oblique beam splitter 125 in the beam path now allows process monitoring. Light of an observation wavelength from a workpiece 127 passes through the focusing lens 1 1 5, which is an objective here, and is deflected at a certain point by the beam splitter 125 in a viewing optics 130. This allows an instantaneous mapping of an application result.
Bei dem hier beschriebenen Laserbearbeitungskopf 100 wird der Strahlteiler 125 von dem Bearbeitungslicht in Form des Laserstrahls 1 10 durchtreten. Da es sich bei den Anwendungen meistens um Anwendungen hoher Leistung handelt, erwärmt sich der Strahlteiler 125, bzw. es bildet sich ein Temperaturgradient zum Rande des Strahlteilers 125 hin aus. Dies führt wiederum zu einer Veränderung des Strahlprofils im Durchtritt, also zu einem Fokus-Shift sowie einer astigmatischen Änderung. D. h., die Prozessstabilität wird reduziert. In the laser processing head 100 described here, the beam splitter 125 will pass from the processing light in the form of the laser beam 110. Since the applications are mostly applications of high power, the beam splitter 125 heats up, or a temperature gradient forms towards the edge of the beam splitter 125. This in turn leads to a change in the beam profile in the passage, ie to a focus shift and an astigmatic change. That is, the process stability is reduced.
Anders als eine in Zusammenhang mit dem hier vorgestellten Ansatz in Fig. 2 vorgestellte Scankopfvorrichtung ist die hier gezeigte Anwendung nur für sehr kleine Sehfelder gedacht oder geeignet. Der Strahlteiler 125 gehört bei dem hier gezeigten Laserbearbeitungskopf 100 zum Objektiv in Form der Fokussiereinrichtung 1 15 und ist starr. Der Strahlteiler 125 wird im Durchtritt für die Applikation genutzt. Der Strahlteiler 125 wird in Reflexion für eine Prozesskontrolle genutzt. Außerdem können Änderungen in der Fokussiereinrichtung 1 1 5, z. B. thermische Änderungen, nur teilweise detektiert werden. Nur die Fokussiereinrichtungen 1 1 5, welche zwischen Strahlteiler 125 und Werkstück 125 liegen, werden beobachtet. Unlike a scan head device presented in connection with the approach presented here in FIG. 2, the application shown here is intended or suitable only for very small fields of view. In the case of the laser processing head 100 shown here, the beam splitter 125 belongs to the objective in the form of the focusing device 15 and is rigid. The beam splitter 125 is used in the passage for the application. The beam splitter 125 is used in reflection for a process control. In addition, changes in the focusing device 1 1 5, z. As thermal changes, only partially detected. Only the focusing devices 1 1 5, which lie between the beam splitter 125 and workpiece 125 are observed.
Fig. 2 zeigt eine Scanvorrichtung 200 mit einer Scankopfvorrichtung 205 zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen 210, 21 5 für einen Scanner gemäß einem Ausführungsbeispiel. FIG. 2 shows a scanning device 200 with a scan head device 205 for reflecting or transmitting beams 210, 21 5 for a scanner according to one exemplary embodiment.
Die Scankopfvorrichtung 205 ist dazu ausgebildet, um ein Bearbeitungslicht 210 der Scanvorrichtung 200 komplett zu reflektieren und ein Beobachtungslicht der Scanvorrichtung 200 zu transmittieren. Hierzu weist die Scankopfvorrichtung 205 zumindest eine Strahlteilereinrichtung 220 auf, die dazu ausgebildet und angeordnet ist, um das Bearbeitungslicht 210 einer Bearbeitungswellenlänge des Scanners komplett zu reflektieren, wobei die Strahlteilereinrichtung 220 dazu ausgebildet und angeordnet ist, um das Beobachtungslicht 215 von einem Werkstück 225 durch die Strahlteilereinrichtung 220 zu transmittieren. The scanning head device 205 is configured to completely reflect a processing light 210 of the scanning device 200 and to transmit an observation light to the scanning device 200. For this purpose, the scan head device 205 at least one beam splitter device 220, which is designed and arranged to completely reflect the processing light 210 of a processing wavelength of the scanner, wherein the beam splitter 220 is configured and arranged to transmit the observation light 215 from a workpiece 225 through the beam splitter 220.
Optional weist die Scankopfvorrichtung 205 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zudem eine Spiegeleinrichtung 230 auf, die dazu ausgebildet und angeordnet ist, um das von einer Lasereinrichtung 235 erzeugte Bearbeitungslicht 210 zu der Strahlteilereinrichtung 220 zu reflektieren. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Spiegeleinrichtung 230 beweglich angeordnet. Optionally, the scan head device 205 according to this exemplary embodiment also has a mirror device 230, which is designed and arranged to reflect the processing light 210 generated by a laser device 235 to the beam splitter device 220. According to this embodiment, the mirror device 230 is arranged to be movable.
Die hier gezeigte Scanvorrichtung 200 umfasst die eben beschriebene Scankopfvorrichtung 205 und zumindest eine Beobachtungseinrichtung 240 mit zumindest einer Sensoreinrichtung 245, die dazu ausgebildet ist, um das durch die Strahlteilereinrichtung 220 transmittierte Beobachtungslicht 247 einzulesen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinrichtung 245 Teil einer Kamera. The scanning device 200 shown here comprises the scan head device 205 described above and at least one observation device 240 with at least one sensor device 245, which is designed to read in the observation light 247 transmitted by the beam splitter device 220. According to this embodiment, the sensor device 245 is part of a camera.
Die im Folgenden beschriebenen Merkmale der Scanvorrichtung 200 sind optional. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Beobachtungseinrichtung 240 der Scanvorrichtung 200 zumindest eine weitere Spiegeleinrichtung 250, die dazu ausgebildet ist, um das transmittierte Beobachtungslicht 247 zu der Sensoreinrichtung 245 zu reflektieren. The features of the scanning device 200 described below are optional. According to this embodiment, the observation device 240 of the scanning device 200 comprises at least one further mirror device 250, which is designed to reflect the transmitted observation light 247 to the sensor device 245.
Außerdem umfasst die Beobachtungseinrichtung 240 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine weitere Sensoreinrichtung 255, die dazu ausgebildet ist, um ein von einem Objektiv 260 durch die Strahlteilereinrichtung 220 transmittiertes und gemäß diesem Ausführungsbeispiel weiterhin durch die weitere Spiegeleinrichtung 250 transmittiertes weiteres Beobachtungslicht einzulesen. Insbesondere wobei die Beobachtungseinrichtung 240 eine zusätzliche Spiegeleinrichtung 265 umfasst, die dazu ausgebildet ist, um das weitere Beobachtungslicht zu der weiteren Sensoreinrichtung 255 zu reflektieren. Auch die weitere Sensoreinrichtung 255 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel Teil der oder einer weiteren Kamera. In addition, the observation device 240 according to this exemplary embodiment comprises a further sensor device 255, which is designed to read in a further observation light transmitted by an objective 260 through the beam splitter device 220 and, according to this embodiment, further transmitted by the further mirror device 250. In particular, the observation device 240 comprises an additional mirror device 265, which is designed to reflect the further observation light to the further sensor device 255. The further sensor device 255 is part of the or another camera according to this embodiment.
Des Weiteren umfasst die Scanvorrichtung 200 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Beleuchtungseinrichtung 270, die dazu ausgebildet ist, um ein Beleuchtungslicht 275 mit einem Muster auf das Werkstück 225 zu erzeugen. Hierzu sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel zumindest die Strahlteilereinrichtung 220 und/oder die weitere Spiegeleinrichtung 250 und/oder die zusätzliche Spiegeleinrichtung 265 dazu ausgebildet und angeordnet, um das Beleuchtungslicht 275 in Richtung des Werkstücks 225 zu transmittieren. Furthermore, the scanning device 200 according to this exemplary embodiment comprises a lighting device 270, which is designed to convey an illumination light 275 to create a pattern on the workpiece 225. For this purpose, according to this embodiment, at least the beam splitter 220 and / or the further mirror device 250 and / or the additional mirror device 265 are designed and arranged to transmit the illumination light 275 in the direction of the workpiece 225.
Das Objektiv 260 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel auch Teil der Scanvorrichtung 200, wobei die Scankopfvorrichtung 205 zwischen der Beobachtungseinrichtung 240 und dem Objektiv 260 angeordnet ist. The objective 260 according to this exemplary embodiment is also part of the scanning device 200, the scanning head device 205 being arranged between the observation device 240 and the objective 260.
Auch die Lasereinrichtung 235 zum Erzeugen des Bearbeitungslichts 210 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel Teil der Scanvorrichtung 200. Also, the laser device 235 for generating the processing light 210 according to this embodiment is part of the scanning device 200.
Im Folgenden werden Markmale der hier vorgestellten Scanvorrichtung 200 und Scankopfvorrichtung 205 noch einmal mit anderen Worten beschrieben. In the following, markings of the scanning device 200 and scan head device 205 presented here will be described once again in other words.
Die hier vorgestellte Scankopfvorrichtung 205 kann auch als ein 2D-Scanner zur Laser¬ und Materialbearbeitung mit Beobachtungskanal beschieben werden. The presented scan head device 205 can be beschieben as a 2D scanner for laser material processing and ¬ observation channel.
Dank der hier gezeigten Scanvorrichtung 200 ist eine Möglichkeit geschaffen, einen Kamerakanal in einen Aufbau„Scanner+Objektiv" in Form von Scankopfvorrichtung 205 und Objektiv 260 zu integrieren. Dieser Kamerakanal weist dabei folgende Fähigkeiten auf: Ein gesamtes maximal bearbeitbares Feld des Werkstücks 225 wird abgebildet und der Kamerakanal ist in der Lage Veränderungen der Abbildungsgüte im Applikationskanal, der auch als Bearbeitungskanal bezeichnet werden kann, zu erkennen. Thanks to the scanning device 200 shown here, it is possible to integrate a camera channel into a "scanner + objective" structure in the form of scan head device 205 and objective 260. This camera channel has the following capabilities: An entire field of the workpiece 225 that can be processed to a maximum is imaged and the camera channel is able to detect changes in the image quality in the application channel, which can also be referred to as a processing channel.
Ein zweiter Spiegel der Scankopfvorrichtung 205, der dem Objektiv 260 nächste Spiegel, ist hierzu mit einer Strahlteilerschicht versehen, um die Strahlteilereinrichtung 220 zu erzeugen. Das Bearbeitungslicht 210, das auch als Applikationslicht bezeichnet werden kann, wird in das Objektiv 260 gelenkt. Ein Beobachtungs-Spektralbereich in Form des Beobachtungslichts 21 5 hingegen wird transmittiert. Dadurch kann Licht vom Werkstück 225 durch das Objektiv 260 durch die Scankopfvorrichtung 205, die auch als Scanspiegel bezeichnet werden kann, hindurch in den Kamerakanal geführt werden. Eine Optik des Kamerakanals kann dabei vorteilhafterweise an Abbildungsfehler des Applikationsobjektivs angepasst werden. Eine Veränderung einer Spiegelstellung bewirkt nur eine leichte Änderung eines Telezentriewinkels der Beobachtungsstrahlen auf dem Werkstück 225, ändert aber nicht den Bildort. Dadurch kann selbst beim Scannen ein statisches Bild des gesamten Bearbeitungsfeldes erzeugt werden. A second mirror of the scan head device 205, the mirror closest to the objective 260, is provided with a beam splitter layer for this purpose in order to generate the beam splitter device 220. The processing light 210, which may also be referred to as application light, is directed into the objective 260. An observation spectral range in the form of the observation light 21 5, however, is transmitted. As a result, light from the workpiece 225 can be guided through the objective 260 through the scan head device 205, which can also be referred to as scan mirror, into the camera channel. An optic of the camera channel can be advantageously adapted to aberrations of the application lens. Changing a mirror position causes only a slight change in a telecentricity angle of the observation beams on the workpiece 225, but does not change the image location. As a result, even when scanning a static image of the entire edit field can be generated.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Scankopfvorrichtung 205 zusammengefasst eine instantane Beobachtung des gesamten Applikationsbereichs ohne aufwendige Bildverarbeitung. Änderungen im Objektiv 260, z. B. durch thermische Einflüsse, spiegeln sich im Kamerabild wieder. Dadurch wird eine open-loop-Korrektur des Applikationsprozesses ermöglicht. Advantageously, the scan head device 205 combined allows an instantaneous observation of the entire application area without complex image processing. Changes in the lens 260, z. B. by thermal influences, are reflected in the camera image again. This allows an open-loop correction of the application process.
Ein Hauptbestandteil des hier vorgestellten Ansatzes ist nun noch einmal zusammengefasst, dass der dem Objektiv 260 am nächsten liegende Spiegel als die Strahlteilereinrichtung 220 ausgelegt ist. Die Bearbeitungswellenlänge wird komplett reflektiert, wodurch sich die Applikation nicht ändert. Die Beobachtungswellenlängen hingegen werden transmittiert. D. h., man erhält nun Zugang zu einem Lichtkanal, der unabgelenkt durch die Scankopfvorrichtung 205 auf das Werkstück 225 geht. Dieser Lichtkanal kann zu mehreren Zwecken genutzt werden. Diese Anwendungen können auch parallel erfolgen, wodurch eine modulare Zuschaltung von Prozesskontrollsystemen ermöglicht wird. A major component of the approach presented here is now summarized once again that the mirror closest to the objective 260 is designed as the beam splitting device 220. The machining wavelength is completely reflected, which does not change the application. The observation wavelengths, however, are transmitted. D. h., One now gets access to a light channel that goes undirected by the scan head 205 on the workpiece 225. This light channel can be used for several purposes. These applications can also be done in parallel, allowing for a modular connection of process control systems.
In dem hier skizzierten Aufbau wird eine Abbildung durch eine sich bewegende Strahlteilereinrichtung 220 im Durchtritt realisiert. Bei der Auslegung des Systems aus Objektiv 260 und Beobachtungswellenlänge in Form des Beobachtungslichts 21 5 muss daher darauf geachtet werden, dass der Beobachtungsstrahlengang beim Durchtritt durch die Strahlteilereinrichtung 220 möglichst kollimiert ist. Dies würde nur zu einem Versatz des Strahls im Durchtritt führen und das Bild in den Beobachtungskanälen im Ort nicht beeinflussen. In the structure outlined here, an image is realized by a moving beam splitter 220 in the passage. When designing the system of objective 260 and observation wavelength in the form of the observation light 21 5, care must therefore be taken that the observation beam path is as collimated as possible when passing through the beam splitter 220. This would only lead to an offset of the beam in the passage and not affect the image in the observation channels in place.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel tritt Licht der Beobachtungswellenlängen nun vom Werkstück 225 durch das Objektiv 260 durch den Strahlteiler-Scanspiegel in Form der Scankopfvorrichtung 205. Nachdem das Beobachtungslicht 21 5 aus der Scankopfvorrichtung 205 tritt, wird es gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch die weitere Spiegeleinrichtung 250, die hier optional auch als ein Strahlteiler ausgeformt ist, in eine Beobachtungsoptik der Sensoreinrichtung 245 fokussiert. Vorteilhafterweise sieht man so das gesamte Werkstück 225, und wenn eine höhere Auflösung benötigt wird, kann die Beobachtungsoptik auf die zu untersuchenden Regionen des Werkstückes 225 fokussieren. Änderungen der optischen Eigenschaften des Objektivs 260 ändern auch die Abbildung durch den Beobachtungskanal und können dadurch detektiert werden. Dies kann zur Optimierung des Prozesses benutzt werden. Der Beobachtungskanal nutzt den gleichen Strahlengang wie das Objektiv 260, d. h. alles was bearbeitet werden kann, wird auch gesehen. According to this embodiment, light of the observation wavelengths now passes from the workpiece 225 through the objective 260 through the beam splitter scanning mirror in the form of the scan head apparatus 205. After the observation light 21 5 emerges from the scan head apparatus 205, it becomes, according to this embodiment, the further mirror means 250 shown here optionally also formed as a beam splitter, focused in an observation optics of the sensor device 245. Advantageously, one thus sees the entire workpiece 225, and if a higher resolution is needed, can focus the observation optics on the regions of the workpiece 225 to be examined. Changes in the optical properties of the objective 260 also change the image through the observation channel and can thereby be detected. This can be used to optimize the process. The observation channel uses the same beam path as the lens 260, ie everything that can be processed is also seen.
Optional umfasst die Scanvorrichtung 200 die weitere Sensoreinrichtung 255 mit einer weiteren Beobachtungsoptik, welche nicht das Werkstück 225, sondern das Objektiv 260 anschaut. Die zugehörigen Beobachtungswellenlängen liegen hierzu optional im IR. Auf diese Art und Weise kann man Temperaturänderungen im Objektiv 260 direkt messen. Optionally, the scanning device 200 comprises the further sensor device 255 with a further observation optics, which does not look at the workpiece 225 but at the objective 260. The associated observation wavelengths are optionally IR. In this way one can measure temperature changes in the lens 260 directly.
Zusätzlich umfasst die Scanvorrichtung 200 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine weitere Anwendungsmöglichkeit in Form von einer Projektion. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird durch die Beleuchtungseinrichtung 270 ein Punktemuster auf das Werkstück 225 projiziert. Dieses kann durch den bereits beschriebenen Beobachtungskanal beobachtet und vermessen werden. Dadurch ist eine genaue SD- Vermessung des Werkstückes 225 möglich. Hierzu wird durch die Beleuchtungseinrichtung 270 ein (Punkte-) Muster erzeugt, welches durch einen Spiegel 280 in die Scanbox in Form der Scankopfvorrichtung 205 geführt wird. Dieses Beleuchtungslicht 275 tritt durch die Strahlteilereinrichtung 220 und wird durch das Objektiv 260 auf das Werkstück 225 angebildet. Dies ermöglicht vorteilhafterweise einen geringen Justageaufwand und ist zudem sehr stabil. In addition, the scanning device 200 according to this embodiment includes another application in the form of a projection. According to this embodiment, a spot pattern is projected on the workpiece 225 by the illuminator 270. This can be observed and measured by the observation channel already described. As a result, an accurate SD measurement of the workpiece 225 is possible. For this purpose, a (dot) pattern is generated by the illumination device 270, which is guided by a mirror 280 into the scan box in the form of the scan head device 205. This illumination light 275 passes through the beam splitter 220 and is formed on the workpiece 225 by the objective 260. This advantageously allows a low adjustment effort and is also very stable.
Bei der hier vorgestellten Scankopfvorrichtung 205 wird in der Scankopfvorrichtung 205 das Beobachtungslicht 21 5 zum Schaffen eines Beobachtungskanals eingespiegelt. Das ermöglicht vorteilhafterweise, dass, wenn die Strahlteilereinrichtung 220 und/oder die Spiegeleinrichtung 230 in der Scankopfvorrichtung 205 oder in dem Scanner bewegt werden, um das Bearbeitungslicht 210, das auch als Bearbeitungsstrahl bezeichnet werden kann, zu bewegen, sich der Beobachtungskanal nicht bewegt oder mitbewegt. So ist es möglich, durch das Objektiv 260 hindurch auf das Werkstück 225 zu schauen. Die Beobachtungseinrichtung 240 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, um eine echte optische Abbildung zu erzeugen. Ein so erzeugtes Bild ist dabei vorteilhafterweise unbeeinflusst von einer Bewegung der Strahlteilereinrichtung 220 und/oder der Spiegeleinrichtung 230, welche auch als Scanspiegel bezeichnet werden können. Der erste Spiegel, der dem Objektiv 260 nächste Spiegel im Scanner, also die Strahlteilereinrichtung 220, ist so konstruiert und beschichtet, dass er die Bearbeitungswellenlänge des Bearbeitungslichts 210 reflektiert, die Beobachtungswellenlänge des Beobachtungslichts 21 5 aber transmittiert. Die Bearbeitungswellenlänge unterscheidet sich demnach von der Beobachtungswellenlänge. In the scan head device 205 presented here, the observation light 21 5 for creating an observation channel is mirrored in the scan head device 205. This advantageously enables, when the beam splitter 220 and / or the mirror device 230 are moved in the scan head device 205 or in the scanner, to move the processing light 210, which may also be referred to as a processing beam, the observation channel does not move or move , It is thus possible to look through the objective 260 at the workpiece 225. The observer 240 according to this embodiment is configured to generate a true optical image. An image produced in this way is advantageously unaffected by a movement of the beam splitting device 220 and / or the mirror device 230, which may also be referred to as a scanning mirror. The first mirror, the next mirror in the scanner 260, ie the beam splitter device 220, is constructed and coated such that it reflects the processing wavelength of the processing light 210 but transmits the observation wavelength of the observation light 21 5. The machining wavelength thus differs from the observation wavelength.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind vorteilhafterweise verschiedene Systeme so über einem Bereich des transmittierten Beobachtungslichts 247 an die Scankopfvorrichtung 205 oder den Scanner angeschlossen, dass diese Systeme durch das Objektiv 260 hindurch auf das Werkstück 225 schauen und/oder projizieren. Da ein Strahlengang durch den sich bewegenden Scannerspiegel parallel ist, ändert sich das Bild im Beobachtungskanal nicht. According to this embodiment, various systems are advantageously connected to the scanning head device 205 or the scanner over a region of the transmitted observation light 247 such that these systems look and / or project through the objective 260 onto the workpiece 225. Since one beam path is parallel due to the moving scanner mirror, the image in the observation channel does not change.
Die Strahlteilereinrichtung 220 kann auch als ein wellenlängenabhängiger Strahlteiler bezeichnet werden. Hierbei fungiert die Strahlteilereinrichtung 220 als ein Spiegel in einem 2D-Galvanometer-Scankopf. Die Strahlteilereinrichtung 220 ist gleichzeitig der aktive Spiegel im Galvanometerscanner, kurz„Galvo". The beam splitter 220 may also be referred to as a wavelength-dependent beam splitter. Here, the beam splitter 220 functions as a mirror in a 2D galvanometer scan head. The beam splitting device 220 is simultaneously the active mirror in the galvanometer scanner, in short "Galvo".
Fig. 3 zeigt eine Scanvorrichtung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die in Fig. 2 beschriebene Scanvorrichtung 200 handeln, mit dem Unterschied, dass die Beleuchtungseinrichtung und die weitere Sensoreinrichtung nicht gezeigt sind, und, dass die Beobachtungseinrichtung nicht die weitere Spiegeleinrichtung aufweist. Das Beobachtungslicht gelangt demnach durch die Strahlteilereinrichtung hindurch unabgelenkt zur Sensoreinrichtung 245. 3 shows a scanning device 200 according to an exemplary embodiment. This may be the scanning device 200 described in FIG. 2, with the difference that the illumination device and the further sensor device are not shown, and that the observation device does not have the further mirror device. The observation light thus passes through the beam splitter device undistorted to the sensor device 245.
Ein Laserstrahl der Lasereinrichtung 235 wird über die zwei Scanspiegel der Scankopfvorrichtung 205 abgelenkt und durch das Objektiv 260 geführt und auf das Werkstück 225 fokussiert. Dabei ist der zweite Spiegel in Form der Strahlteilereinrichtung der Scankopfeinrichtung 205 reflektierend für die Beabeitungswellenlänge. A laser beam of the laser device 235 is deflected via the two scanning mirrors of the scan head device 205 and guided through the objective 260 and focused on the workpiece 225. In this case, the second mirror in the form of the beam splitter device of the scan head device 205 is reflective for the processing wavelength.
Im Beobachtungskanal wird Licht ausgehend von einem Objektpunkt auf dem Werkstück 225 durch das Objektiv 260 durch den nun für das Beobachtunglicht transmittiven Spiegel in Form der Strahlteilereinrichtung durch ein Abbildungsobjektiv 300 auf die Sensoreinrichtung 245 abgebildet. Anders als bei bekannten Scanvorrichtungen ist ein Sichtfeld einer Kamera 300 gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht gekippt gegen ein Sichtfeld des Objektivs 260. So können vorteilhafterweise keine Abschattungen in der Prozesskontrolle entstehen. Zudem sind die optischen Pfade von Kamera- und Applikationskanal bei der hier vorgestellten Scanvorrichtung 200 nicht unterschiedlich. Dadurch ist der Kamerakanal vorteilhafterweise in der Lage, Änderungen im Applikatioskanal, z. B. thermische Einflüsse und/oder Dezentrierungen, und Änderungen am Applikationsergebnis über die Zeit, z. B. in einem Abkühlvorgang, zu erkennen. In the observation channel, light is imaged by an imaging point 300 on the workpiece 225 through the objective 260 through the mirror, which is now transmissive to the observation light in the form of the beam splitter device, onto the sensor device 245. Unlike known scanning devices, a field of view of a camera 300 according to this exemplary embodiment is not tilted against a field of view of the objective 260. Advantageously, shadowing in the process control can therefore not occur. In addition, the optical paths of camera and application channel in the presented scanning device 200 are not different. As a result, the camera channel is advantageously able to make changes in the Applikatioskanal, z. As thermal influences and / or decentrations, and changes in the application result over time, eg. B. in a cooling process to recognize.
Anders als bei bekannten Scanvorrichtungen ist ein Sehfeld nicht kleiner, als das maximale Bearbeitungsfeld des Objektivs 260. Dadurch kann man "vorausschauen " . Anspruchsvolle Software, um aus den gescannten Bildern, >1 kHz Scangeschwindigkeit, Informationen zu gewinnen, ist dank der hier gezeigten Scanvorrichtung 200 nicht nötig. Unlike known scanning devices, a field of view is not smaller than the maximum processing field of the objective 260. This makes it possible to "look ahead". Demanding software to extract information from the scanned images,> 1 kHz scanning speed, is not necessary thanks to the scanning device 200 shown here.
Zusammengefasst kann gesagt werden, dass anders als bei bekannten 2D-scannenden Systemen, der Beobachtungskanal nicht mitgescannt wird und die Strahlteilereinrichtung 220 genutzt wird. Anders als bei bekannten 1 D-Systemen, die nicht-scannende Systeme wie der in Fig. 1 gezeigte Laserbearbeitungskopf oder ein Schweißkopf sein können, ist die Strahlteilereinrichtung nicht in dem abbildenden System angeordnet, sondern im Scanner. Der Strahlteiler bei den bekannten 1 D-Systemen wird transmittiv genutzt, was bedeutet, dass er wärmer wird und eine Abbildungsqualität schlechter. In summary it can be said that unlike in known 2D scanning systems, the observation channel is not scanned and the beam splitting device 220 is used. Unlike known 1D systems, which may be non-scanning systems such as the laser processing head or a welding head shown in FIG. 1, the beam splitting device is not located in the imaging system but in the scanner. The beam splitter in the known 1 D systems is used in a transmissive manner, which means that it becomes warmer and image quality is poorer.
Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um ein Verfahren 400 handeln, das von einer der in einer der Figuren 2 oder 3 beschriebenen Scankopfvorrichtung oder Scanvorrichtung ausführbar ist. 4 shows a flowchart of a method 400 for reflecting or transmitting beams for a scanner according to one embodiment. This can be a method 400 which can be carried out by one of the scan head apparatus or scanning apparatus described in one of FIGS. 2 or 3.
Das Verfahren 400 umfasst zumindest einen Schritt 405 des Bereitstellens und einen Schritt 410 des Sendens. Im Schritt 405 des Bereitstellens wird ein Bearbeitungslicht einer Bearbeitungswellenlänge auf eine Strahlteilereinrichtung bereitgestellt, die dazu ausgebildet und angeordnet ist, um das Bearbeitungslicht komplett auf ein Werkstück zu reflektieren. Im Schritt 410 des Sendens wird ein Beobachtungslicht von dem Werkstück auf die Strahlteilereinrichtung gesendet, die dazu ausgebildet ist, um das Beobachtungslicht durch die Strahlteilereinrichtung zu transmittieren. Optional wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel im Schritt 405 des Bereitstellens das Bearbeitungslicht bereitgestellt, das dazu ausgebildet ist, um das Beobachtungslicht bereitzustellen. The method 400 includes at least a step 405 of providing and a step 410 of sending. In step 405 of providing, a machining light of a machining wavelength is provided to a beam splitting device configured and arranged to completely reflect the machining light onto a workpiece. In step 410 of transmission, an observation light is transmitted from the workpiece to the beam splitter configured to transmit the observation light through the beam splitting means. Optionally, according to this embodiment, in step 405 of providing, the processing light adapted to provide the observation light is provided.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment.
Ferner können Verfahrensschritte des Ansatzes wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Furthermore, method steps of the approach can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Scankopfvorrichtung (205) zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen (210, 21 5, 275) für einen Scanner, wobei die Scankopfvorrichtung (205) zumindest die folgenden Merkmale umfasst: zumindest eine Strahlteilereinrichtung (220), die dazu ausgebildet und angeordnet ist, um ein Bearbeitungslicht (210) einer Bearbeitungswellenlänge des Scanners komplett zu reflektieren, wobei die Strahlteilereinrichtung (220) dazu ausgebildet und angeordnet ist, um ein Beobachtungslicht (21 5) von einem Werkstück (225) durch die Strahlteilereinrichtung (220) zu transmittieren. 1 . A scanhead apparatus (205) for reflecting or transmitting beams (210, 21 5, 275) for a scanner, the scanhead apparatus (205) comprising at least the following features: at least one beam splitter (220) configured and arranged to scan Processing light (210) to fully reflect a processing wavelength of the scanner, wherein the beam splitter device (220) is adapted and arranged to transmit an observation light (21 5) from a workpiece (225) through the beam splitter device (220).
2. Scankopfvorrichtung (205) gemäß Anspruch 1 , mit einer Spiegeleinrichtung (230), die dazu ausgebildet und angeordnet ist, um das von einer Lasereinrichtung (235) erzeugte Bearbeitungslicht (210) der Bearbeitungswellenlänge zu der Strahlteilereinrichtung (220) zu reflektieren. The scanning head apparatus (205) according to claim 1, further comprising mirror means (230) adapted and arranged to reflect said processing wavelength machining light (210) generated by a laser means (235) to said beam splitting means (220).
3. Scankopfvorrichtung (205) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der zumindest die Strahlteilereinrichtung (220) beweglich angeordnet ist. 3. scan head device (205) according to one of claims 1 to 2, wherein at least the beam splitter device (220) is arranged to be movable.
4. Scanvorrichtung (200) mit einer Scankopfvorrichtung (205) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 und einer Beobachtungseinrichtung (240) mit zumindest einer Sensoreinrichtung (245), die dazu ausgebildet ist, um das durch die Strahlteilereinrichtung (220) transmittierte Beobachtungslicht (247) einzulesen. 4. Scanning device (200) with a scan head device (205) according to one of claims 1 to 3 and an observation device (240) with at least one sensor device (245) which is designed to transmit the observation light (247) transmitted by the beam splitter device (220) ).
5. Scanvorrichtung (200) gemäß Anspruch 4, bei der die Beobachtungseinrichtung (240) zumindest eine weitere Spiegeleinrichtung (250) umfasst, die dazu ausgebildet ist, um das transmittierte Beobachtungslicht (247) zu der Sensoreinrichtung (245) zu reflektieren. 5. A scanning device (200) according to claim 4, wherein the observer (240) comprises at least one further mirror device (250), which is designed to reflect the transmitted observation light (247) to the sensor device (245).
6. Scanvorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei der die 6. Scanning device (200) according to one of claims 4 to 5, wherein the
Beobachtungseinrichtung (240) zumindest eine weitere Sensoreinrichtung (255) umfasst, die dazu ausgebildet ist, um ein von einem Objektiv (260) durch die Strahlteilereinrichtung (220) transmittiertes weiteres Beobachtungslicht einzulesen, insbesondere wobei die Beobachtungseinrichtung (240) eine zusätzliche Spiegeleinrichtung (265) umfasst, die dazu ausgebildet ist, um das weitere Observation device (240) comprises at least one further sensor device (255) which is adapted to read in by a lens (260) through the beam splitter (220) transmitted further observation light, in particular wherein the observation device (240) an additional Mirror device (265) which is adapted to the other
Beobachtungslicht zu der weiteren Sensoreinrichtung (255) zu reflektieren.  Observation light to the other sensor device (255) to reflect.
7. Scanvorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, mit einer Beleuchtungseinrichtung (270), die dazu ausgebildet ist, um ein Beleuchtungslicht7. Scanning device (200) according to one of claims 4 to 6, with a lighting device (270) which is adapted to an illumination light
(275) mit einem Muster auf das Werkstück (225) zu erzeugen. (275) with a pattern on the workpiece (225) to produce.
8. Scanvorrichtung (200) gemäß Anspruch 7, bei der zumindest die Strahlteilereinrichtung (220) und/oder die weitere Spiegeleinrichtung (250) und/oder die zusätzliche Spiegeleinrichtung (265) dazu ausgebildet und angeordnet ist, um das Beleuchtungslicht (275) in Richtung des Werkstücks (225) zu transmittieren. 8. Scanning device (200) according to claim 7, in which at least the beam splitter device (220) and / or the further mirror device (250) and / or the additional mirror device (265) is designed and arranged to move the illumination light (275) in the direction of the workpiece (225).
9. Scanvorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, mit einem Objektiv (260), insbesondere wobei die Scankopfvorrichtung (205) zwischen der Beobachtungseinrichtung (240) und dem Objektiv (260) angeordnet ist. 9. Scanning device (200) according to one of claims 4 to 8, with a lens (260), in particular wherein the scan head device (205) between the observation device (240) and the lens (260) is arranged.
10. Scanvorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9 mit einer Lasereinrichtung (235) zum Erzeugen des Bearbeitungslichts (210). 1 1 . Scanner, insbesondere 2D-Scanner, mit einer Scankopfvorrichtung (205) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3. 10. Scanning device (200) according to one of claims 4 to 9 with a laser device (235) for generating the processing light (210). 1 1. Scanner, in particular 2D scanner, with a scan head device (205) according to one of Claims 1 to 3.
12. Verfahren (400) zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen (210, 21 5, 275) für einen Scanner, wobei das Verfahren (400) zumindest die folgenden Schritte umfasst: 12. A method (400) for reflecting or transmitting beams (210, 21 5, 275) for a scanner, the method (400) comprising at least the following steps:
Bereitstellen (405) eines Bearbeitungslichts (210) einer Bearbeitungswellenlänge auf eine Strahlteilereinrichtung (220), die dazu ausgebildet und angeordnet ist, um das Bearbeitungslicht (210) komplett auf ein Werkstück (225) zu reflektieren; und Providing (405) a processing light (210) of a processing wavelength onto a beam splitter (220) configured and arranged to completely reflect the processing light (210) onto a workpiece (225); and
Senden (410) eines Beobachtungslichts (21 5) von dem Werkstück (225) auf die Strahlteilereinrichtung (220), die dazu ausgebildet ist, um das Beobachtungslicht (21 5) durch die Strahlteilereinrichtung (220) zu transmittieren. Transmitting (410) an observation light (21 5) from the workpiece (225) to the beam splitting device (220) adapted to transmit the observation light (21 5) through the beam splitting device (220).
13. Verfahren (400) gemäß Anspruch 12, bei dem im Schritt (405) des Bereitstellens das Bearbeitungslicht (210) bereitgestellt wird, das dazu ausgebildet ist, um das Beobachtungslicht (21 5) bereitzustellen. 14. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, um das Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 13 anzusteuern und/oder auszuführen. The method (400) according to claim 12, wherein in the step (405) of providing, the processing light (210) adapted to provide the observation light (21 5) is provided. A computer program adapted to drive and / or execute the method (400) according to any one of claims 12 to 13.
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