WO2021023368A1 - Verfahren zum anzeigen eines oct-abgetasteten bereichs einer werkstückoberfläche und/oder zum vermessen von oberflächenmerkmalen sowie zugehöriges oct-system - Google Patents

Verfahren zum anzeigen eines oct-abgetasteten bereichs einer werkstückoberfläche und/oder zum vermessen von oberflächenmerkmalen sowie zugehöriges oct-system Download PDF

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oct
optical coherence
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Klemens Schmitt
Martin Stambke
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Trumpf Laser Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for displaying an optically scanned area of a workpiece surface and / or for measuring surface features and also to an OCT system suitable for carrying out this method.
  • Imaging methods using optical coherence tomography OCT: optical coherence tomography
  • OCT optical coherence tomography
  • OCTs in particular with the use of small field scanners, three-dimensional profile images of workpieces can be recorded.
  • This image recording, referred to as an OCT scan is carried out in various geometric shapes, in particular in a line (line scan), along the surface of the workpiece.
  • a comparatively large number of OCT scans must be carried out with a high expenditure of time of several hundred milliseconds.
  • the line scans must be arranged over a large area. Furthermore, the correct positioning of the optical coherence tomograph for performing the OCT scans relative to the workpiece in the plane of the workpiece surface is often unknown at the beginning of the scanning process. A large number of OCT scans are also required to determine the positioning, which is very time-consuming. The profile images generated by the OCT scans are often difficult to assign to an area of the workpiece.
  • the article also describes a wide range of applications for OCT process control, such as monitoring the welding depth during the welding process, high-precision seam tracking and real-time process visualization during remote laser welding and the localization of contact pins (hairpins) in three dimensions around the machining laser beam then to be positioned accordingly. It is the object of the present invention to provide a method for displaying an OCT-scanned area of a workpiece surface and / or for measuring surface features that can be performed with a lower number of OCT scans, less time and with faster determination of the positioning of the OCT scans can be carried out. Another object of the invention is to specify an OCT system that is suitable for carrying out the method.
  • this object is achieved by a method for displaying an optically scanned area of a workpiece surface with the following method steps:
  • Features of the workpiece surface can be measured on the two-dimensional image recorded, in particular by a camera operating in the optical field, using programs of conventional image processing.
  • incident-light image processing is carried out.
  • the OCT scan of the workpiece surface is displayed together with the selected image section, in particular superimposed on one another.
  • the three-dimensional profile image generated by superimposing the recorded image with the OCT scan can be interpreted comparatively easily.
  • the OCT scan can, among other things, determine the position and / or alignment of a feature of the workpiece surface in the height direction, measured from the workpiece surface.
  • a direct display of the height profile in the recorded image enables a better understanding of the surface structure of the workpiece.
  • the OCT works with different wavelengths than a camera designed for the optical range, which enables the information obtained from the image recording and the OCT scan to be assigned.
  • the OCT scanning method according to the invention whose pairs of pin electrodes are precisely located on the surface of workpieces during the laser welding process and their height and distance are determined.
  • an image section is selected within the displayed image of the workpiece surface, to which the area of the workpiece surface to be scanned by the optical coherence tomograph is then limited.
  • incident-light image processing of the area of the workpiece surface is carried out. The user can use the image recording to decide whether an OCT scan should be carried out on a feature of the workpiece surface. The number of OCT scans required can thus be reduced.
  • Programs for image processing can determine an offset point for the OCT scan and define a scan area.
  • a precise positioning of the optical coherence tomograph relative to the workpiece can be carried out before the OCT scan. It is also conceivable to position the OCT beam outside the field of view of the camera, but nevertheless to determine its position from the camera image.
  • the image section is preferably selected graphically directly on the displayed image, in particular by means of a mouse or by means of a pinch-zoom function.
  • the graphic support enables a quick and precise indication of the area in which an OCT height measurement is to be carried out. More preferably, the image is recorded coaxially to a measuring arm of the optical coherence tomograph. This measure enables a comparatively simple combination of the data from the image acquisition and from the OCT scan.
  • the invention also relates to a method for measuring surface features of a workpiece surface with the following method steps:
  • one or more surface features to be measured are determined on the basis of the image of the workpiece surface, and an OCT scan is then carried out at the position of the determined surface feature in order to measure the height of the surface feature.
  • the at least one surface feature to be measured can be determined automatically by image processing using the recorded image or manually, as described above, using the displayed image.
  • the invention also relates to an OCT system with an optical coherence tomograph for recording a height profile of a workpiece surface by optically scanning the workpiece surface, with a camera for recording an image of the workpiece surface and with a display for joint, in particular superimposed, display recorded image and the recorded height profile of the workpiece surface and / or with image processing to determine at least one surface feature to be measured on the basis of the recorded image.
  • the OCT system is preferably mounted on laser processing optics, in particular on a laser scanner of a processing laser beam.
  • the imaging system preferably has a selection device for selecting an image section within the displayed image and a control which restricts the area of the workpiece surface to be scanned by the optical coherence tomograph to the selected image section.
  • a camera is attached, based on the camera image of which an offset point and an area for the OCT scan can be determined by image processing. The user can then exactly his Specify the area of interest for the OCT height measurement graphically in the displayed camera image.
  • the number of OCT scans required to create a three-dimensional profile image of the workpiece surface can be reduced.
  • the camera is aligned coaxially with a measuring arm of the optical coherence tomograph on the workpiece surface.
  • the selection device preferably has an input means for graphically selecting an image section within the displayed image, which enables the image section to be entered quickly and precisely.
  • the selection device can have, as input means, a mouse or, what is preferred, a touch-sensitive touch screen of the display, on which the desired image section is selected. To enter the exact position, the mouse / touch inputs can also be specified using a number field with / without an increment.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a display of the OCT system with a selected image section
  • FIG. 1 The OCT system 1 shown schematically in FIG. 1 is used to optically scan an area of the surface 2 of a workpiece 3 and comprises a camera 4 for recording an image of the workpiece surface 2 and an optical coherence tomograph 5 for optically scanning the workpiece surface 2
  • Laser source 6 generates a processing laser beam 7 which is directed onto workpiece 3 by means of a laser scanner 8 in order to deflect processing laser beam 7 on workpiece surface 2 two-dimensionally or three-dimensionally if laser scanner 8 has a Z-axis.
  • the optical coherence tomograph 5 has in a known manner an OCT
  • Light source (e.g. superiuminescence diode) 9 for generating an OCT beam 10 for generating an OCT beam 10
  • the measuring beam 12 is passed on to a measuring arm 14 and hits the workpiece surface 2, on which the measuring beam 12 is at least partially reflected and returned to the beam splitter 11 which is opaque or partially transparent in this direction.
  • the reference beam 13 is passed on to a reference arm 15 and is reflected by a mirror 16 at the end of the reference arm 15. The reflected reference beam is also returned to the beam splitter 11.
  • the superimposition of the two reflected beams is finally detected by a spatially resolving detector (OCT sensor) 17 in order to determine height information about the workpiece surface 2 and / or the current penetration depth of the machining laser beam 7 into the workpiece 3, taking into account the length of the reference arm 15.
  • OCT sensor spatially resolving detector
  • This method is based on the basic principle of interference from light waves and makes it possible to detect height differences along the measuring beam axis in the micrometer range.
  • An OCT (small field) scanner 18 connects to the measuring arm 14 in order to deflect the measuring beam 12 two-dimensionally on the workpiece surface 2 and thus to scan an area of the workpiece surface 2, for example with parallel line scans.
  • the measuring beam 12 is coupled into the laser scanner 8 via a mirror 19, which is arranged in the beam path of the machining laser beam 7, in order to direct the measuring beam 12 onto the workpiece 3.
  • the camera 4 is preferably aligned coaxially with the measuring beam 12 or with the zero point position of the undeflected measuring beam 12 and thus looks coaxially with the optical coherence tomograph 5 and the processing laser beam 7 onto the workpiece 3.
  • the light coming from the workpiece surface 2 is fed to the camera 4 via a mirror 20 which is transparent in this direction and is arranged in the beam path of the measuring beam 12.
  • a ring illumination 21 coaxial to the optical axis or the axis of the zero point position or a lateral illumination 22 with respect to the optical axis or the axis of the zero point position are arranged here on the laser scanner 8, merely by way of example.
  • the camera image 23 recorded by the camera 4 with incident light is displayed on a display 24 in the form of a screen. Via a selection facility
  • a user can graphically select an interesting image section 26 for the height measurement of the workpiece surface 2 within the displayed camera image 23 and, for this purpose, draw the desired image section 26 into the camera image 23.
  • the selection device 25 can be designed, for example, as a mouse or a touch screen in order to select the image section
  • the mouse / touch inputs can also be specified more precisely using a number field with / without increment (position in X, Y and angle compared to workpiece 3).
  • the selected image section 26 can be graphically enlarged, reduced or shifted on the display 24.
  • a controller 27 then restricts the area of the workpiece surface 2 to be scanned by the optical coherence tomograph 5 to this selected image section 26. More precisely, the controller 27 uses the selected image section 26 to determine the offset value for the OCT scanner 18, i.e. the shift, by (incident light) image processing of the measuring beam 12 from its undeflected zero point position.
  • the camera image 23 thus enables the more precise placement of the OCT scan, the geometry of which (one line, several lines or other geometries) is programmed by the control 27 on the basis of the selected image section 26.
  • the image processing system positions the OCT scanner 18 in such a way that the workpiece surface 2 is measured in the height direction (z direction) with an OCT scan that is not time-critical can be.
  • the advantages of the image processing can be combined with those of the OCT sensor 17.
  • the height profile 28 of the selected area 26 of the workpiece surface 2 obtained by the OCT sensor 17 can be displayed or superimposed directly in the display 24 on the selected image section 26 of the camera image 23, which improves the optical evaluation of the workpiece surface 2 by the user.
  • the height profile 28 can alternatively also be recorded in the entire area of the workpiece surface 2 recorded by the camera 4 and displayed superimposed on the display 24. It is also conceivable to position the OCT beam 12 outside the field of view of the camera 4, but nevertheless to determine its position from the camera image 23.
  • the OCT system 1 shown in FIG. 3 differs from FIG. 1 only in that no laser scanner is arranged here in the beam path of the processing laser beam 7, that is to say the processing optics are designed as fixed optics.
  • the OCT system 1 shown in FIG. 4 differs from FIG. 1 only in that no OCT (small field) scanner is arranged in the beam path of the measuring beam 12 and the laser scanner 8 moves the measuring beam 12 over the workpiece surface 2 for creation of the height profile 28 takes over.
  • OCT small field
  • the procedure for measuring surface features of a workpiece surface 2 of interest is as follows: First, an image of the workpiece surface 2 is recorded with the camera 4 and then one or more surface features to be measured are determined using the recorded camera image 23. This determination can either be automated by image processing using the recorded camera image 23 or manually, as described above, using the displayed image 23 take place. Subsequently, a height profile 28 of the workpiece surface 2 is recorded by optically scanning the workpiece surface 2 by means of the optical coherence tomograph 5 at the position of the specific surface feature, in order to measure the height of the specific surface feature.
  • One application of the OCT scanning method according to the invention is, for example, the 3D localization of individual parts before they are laser-welded together.
  • stator cage made of an insulating material, in which so-called hairpins (pin electrodes) made of an electrically conductive material, preferably copper, are introduced.
  • the hairpins can, for example, be of a clamp-like or linear design and, after they have been introduced, lie in the
  • Stator cage parallel to one another and essentially in the axial direction of the stator or the electric motor in the stator cage.
  • a large number of such hairpins are introduced into the stator cage around the circumference of the stator cage, which hairpins initially have no mechanical and electrical connection to one another during assembly or manufacture.
  • the respective free ends of the hairpins are then preferably joined in pairs to form a complete stator winding, for example by welding, after they have been introduced into the stator cage and after any reshaping and / or shortening and any pretreatment, for example paint stripping.
  • both a mechanical connection and an electrically conductive connection are established between the free ends of the respective hairpin pairs, so that the hairpins that are initially present individually after the introduction are now connected.
  • pairs of hairpins to be welded can be precisely localized in the laser welding process and the height and spacing of the hairpins can be determined accordingly around the laser beam align.
  • Other geometrical characteristics of interest such as a gap or tilting between the hairpins to be welded, can also be measured in advance and then taken into account during laser welding, if necessary.
  • the imaging system can be used for quality assurance, for example to determine the welding bead of a laser-welded pair of hairpins.

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Abstract

Ein OCT-System (1) mit einem optischen Kohärenztomographen (5) zum Aufnehmen eines Höhenprofils (28) einer Werkstückoberfläche (2) durch optisches Abtasten der Werkstückoberfläche (2) umfasst erfindungsgemäß eine Kamera (4) zum Aufnehmen eines Bildes (23) der Werkstückoberfläche (2) und eine Anzeige (24) zum gemeinsamen, insbesondere überlagerten Anzeigen des aufgenommenen Bildes (23) und des aufgenommenen Höhenprofils (28) der Werkstückoberfläche (2).

Description

Verfahren zum Anzeigen eines OCT -abgetasteten Bereichs einer Werkstückoberfläche und/oder zum Vermessen von Qberflächenmerkmalen sowie zugehöriges OCT-Svstem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anzeigen eines optisch abgetasteten Bereichs einer Werkstückoberfläche und/oder zum Vermessen von Oberflächenmerkmalen sowie auch ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes OCT-System. Im Stand der Technik sind Bildgebungsverfahren unter Verwendung von optischer Kohärenztomographie (OCT: optical coherence tomography) bekannt. Mit OCTs können, insbesondere unter Verwendung von Kleinfeldscannern, dreidimensionale Profilbilder von Werkstücken aufgenommen werden. Diese als OCT-Scan be- zeichnete Bildaufnahme wird in verschiedenen geometrischen Formen, insbesondere in einer Linie (Linienscan), entlang der Oberfläche des Werkstücks durchgeführt. Zur Erzeugung eines solchen Profilbildes mit sinnvoller Auflösung und Sichtbereichen müssen vergleichsweise viele OCT-Scans unter einem hohen Zeitauf- wand von mehreren hundert Millisekunden durchgeführt werden. Die Linienscans müssen großräumig angeordnet werden. Ferner ist die richtige Positionierung des optischen Kohärenztomographen zur Durchführung der OCT-Scans relativ zu dem Werkstück in der Ebene der Werkstückoberfläche zu Beginn des Scanprozesses häufig unbekannt. Zur Bestimmung der Positionierung wird ebenfalls eine Vielzahl von OCT-Scans unter hohem Zeitaufwand benötigt. Die durch die OCT-Scans erzeugten Profilbilder sind häufig nur schwer einem Bereich des Werkstücks zuzuordnen.
In dem von der Anmelderin veröffentlichten Artikel „Controlling laser Processing via optical coherence topography“ von F. Dorsch, W. Dubitzky, J.-P. Hermani, A. Hro- madka, T. Hesse, T. Notheis, und M. Stambke, Proc. SPIE 10911, High-Power Laser Materials Processing: Applications, Diagnostics, and Systems VIII, 109110G (27 February 2019), wird das OCT-Scannen in Form einer auf Interferometrie mit niedriger Kohärenz beruhenden 3D-Bildgebungstechnik beschrieben. Koaxial mit dem Bearbeitungslaserstrahl wird ein OCT-Messstrahl in die Bearbeitungsoptik eingekoppelt und liefert Höheninformationen der zu untersuchenden Oberfläche. Zusätzliche Informationen werden erhalten, wenn der OCT-Messstrahl mittels ei nes Kleinfeldscanners abgelenkt wird, der an der Bearbeitungsoptik befestigt ist. Der Artikel beschreibt außerdem vielfältige Anwendungen für die OCT-Prozess- Steuerung, wie z.B. das Beobachten der Schweißtiefe während des Schweißprozesses, die hochpräzise Nahtführung und Echtzeit-Prozessvisualisierung beim Remote-Laserschweißen und das Lokalisieren von Kontaktpins (Hairpins) in drei Dimensionen, um den Bearbeitungslaserstrahl dann entsprechend zu positionie- ren. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Anzeigen eines OCT -abgetasteten Bereichs einer Werkstückoberfläche und/oder zum Vermessen von Oberflächenmerkmalen anzugeben, das mit einer geringeren Anzahl an OCT- Scans, geringerem Zeitaufwand und mit schnellerer Bestimmung der Positionierung der OCT-Scans durchgeführt werden kann. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes OCT-System anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Anzeigen eines optisch abgetasteten Bereichs einer Werkstückoberfläche mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:
- Aufnehmen eines Bildes der Werkstückoberfläche,
- Aufnehmen eines Höhenprofils der Werkstückoberfläche durch optisches Abtasten der Werkstückoberfläche mittels eines optischen Kohärenztomographen, und
- gemeinsames, insbesondere überlagertes Anzeigen des aufgenommenen Bildes und des aufgenommenen Höhenprofils der Werkstückoberfläche.
Auf dem, insbesondere durch eine im optischen Bereich arbeitende Kamera, auf- genommenen zweidimensionalen Bild lassen sich durch Programme der konventionellen Bildverarbeitung Merkmale der Werkstückoberfläche vermessen. Zusätzlich zur OCT-Abtastung eines Bereichs der Werkstückoberfläche wird eine Auflichtbildverarbeitung durchgeführt. Der OCT-Scan der Werkstückoberfläche wird zusammen mit dem ausgewählten Bildausschnitt angezeigt, insbesondere einan- der überlagert. Das durch die Überlagerung des aufgenommenen Bildes mit dem OCT-Scan erzeugte dreidimensionale Profilbild lässt sich vergleichsweise einfach interpretieren. Durch den OCT-Scan kann unter anderem die Lage und/oder Ausrichtung eines Merkmals der Werkstückoberfläche in Höhenrichtung, von der Werkstückoberfläche aus gemessen, ermittelt werden. Eine direkte Einblendung des Höhenprofils in das aufgenommene Bild ermöglicht ein besseres Verständnis der Oberflächenstruktur des Werkstücks. Das OCT arbeitet mit anderen Wellenlängen als eine auf den optischen Bereich ausgelegte Kamera, was eine Zuordnung der aus der Bildaufnahme und aus dem OCT-Scan erhaltenen Informationen ermöglicht. Durch das erfindungsgemäße OCT-Abtastverfahren können unter an- derem beim Laserschweißprozess Paare von Pin-Elektroden an der Oberfläche von Werkstücken präzise lokalisiert sowie deren Höhe und Abstand bestimmt werden. Besonders bevorzugt wird innerhalb des angezeigten Bildes der Werkstückoberfläche ein Bildausschnitt ausgewählt, auf den anschließend der von dem optischen Kohärenztomographen abzutastende Bereich der Werkstückoberfläche beschränkt wird. Vor dem OCT-Abtasten wird eine Auflichtbildverarbeitung des Bereichs der Werkstückoberfläche durchgeführt. Der Benutzer kann anhand der Bildaufnahme entscheiden, ob an einem Merkmal der Werkstückoberfläche ein OCT-Scan durchgeführt werden soll. Die Zahl der notwendigen OCT-Scans kann somit verringert werden. Durch Programme zur Bildverarbeitung kann ein Offsetpunkt für den OCT-Scan ermittelt und ein Scanbereich festgelegt werden. Eine genaue, insbesondere durch ein Programm zur Bildverarbeitung berechnete Posi- tionierung des optischen Kohärenztomographen relativ zu dem Werkstück kann vor dem OCT-Scan durchgeführt werden. Denkbar ist auch, den OCT-Strahl außerhalb des Sichtbereiches der Kamera zu positionieren, aber dessen Position trotzdem aus dem Kamerabild zu ermitteln. Vorzugsweise wird der Bildausschnitt direkt auf dem angezeigten Bild grafisch, insbesondere mittels einer Maus oder mittels einer Pinch-Zoom-Funktion, ausgewählt. Die grafische Unterstützung ermöglicht eine schnelle und genaue Angabe des Bereiches, in dem eine OCT-Höhenmessung durchgeführt werden soll. Weiter bevorzugt wird das Bild koaxial zu einem Messarm des optischen Kohä renztomographen aufgenommen. Diese Maßnahme ermöglicht eine vergleichsweise einfache Zusammensetzung der Daten aus der Bildaufnahme und aus dem OCT-Scan. Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zum Vermessen von Oberflächenmerkmalen einer Werkstückoberfläche mit folgenden Verfahrensschritten:
- Aufnehmen eines Bildes der Werkstückoberfläche, - Bestimmen mindestens eines zu vermessenden Oberflächenmerkmals anhand des aufgenommenen Bildes, und
- Aufnehmen eines Höhenprofils der Werkstückoberfläche durch optisches Abtasten der Werkstückoberfläche mittels eines optischen Kohärenztomographen an der Position des mindestens einen bestimmten Oberflächenmerkmals, um das mindestens eine bestimmte Oberflächenmerkmal zu vermessen.
Erfindungsgemäß werden ein oder mehrere zu vermessende Oberflächenmerkmale anhand des Bildes der Werkstückoberfläche bestimmt, und anschließend an der Position des bestimmten Oberflächenmerkmals ein OCT-Scan durchgeführt, um so das Oberflächenmerkmal höhenmäßig zu vermessen. Dabei kann das mindestens eine zu vermessende Oberflächenmerkmal automatisiert von einer Bildverarbeitung anhand des aufgenommenen Bildes oder manuell, wie oben beschrieben, anhand des angezeigten Bildes bestimmt werden.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein OCT-System mit einem optischen Kohärenztomographen zum Aufnehmen eines Höhenprofils einer Werkstückoberfläche durch optisches Abtasten der Werkstückoberfläche, mit einer Kamera zum Aufnehmen eines Bildes der Werkstückoberfläche sowie mit einer An- zeige zum gemeinsamen, insbesondere überlagerten Anzeigen des aufgenommenen Bildes und des aufgenommenen Höhenprofils der Werkstückoberfläche und/oder mit einer Bildverarbeitung zum Bestimmen mindestens eines zu vermessenden Oberflächenmerkmals anhand des aufgenommenen Bildes. Das OCT- System ist bevorzugt an einer Laserbearbeitungsoptik, insbesondere an einem Laserscanner eines Bearbeitungslaserstrahls, montiert.
Vorzugsweise weist das Bildgebungssystem eine Auswahleinrichtung zum Auswählen eines Bildausschnitts innerhalb des angezeigten Bildes und eine Steuerung auf, die den vom optischen Kohärenztomographen abzutastenden Bereich der Werkstückoberfläche auf den ausgewählten Bildausschnitt einschränkt.
Im Strahlengang der Bearbeitungsoptik wird eine Kamera angebracht, anhand deren Kamerabild ein Offsetpunkt und ein Bereich für den OCT-Scan durch Bildverarbeitung festgelegt werden können. Der Benutzer kann dann genau seinen interessierenden Bereich für die OCT-Höhenmessung grafisch im angezeigten Kamerabiid festlegen. Mit einem solchen Bildgebungssystem lässt sich die Zahl der zur Erstellung eines dreidimensionalen Profilbildes der Werkstückoberfläche notwendigen OCT-Scans reduzieren. Insbesondere ist die Kamera koaxial zu ei- nem Messarm des optischen Kohärenztomographen auf die Werkstückoberfläche ausgerichtet.
Vorzugsweise weist die Auswahleinrichtung ein Eingabemittel zum grafischen Auswählen eines Bildausschnitts innerhalb des angezeigten Bildes auf, was eine schnelle und präzise Eingabe des Bildausschnitts ermöglicht. Die Auswahleinrichtung kann als Eingabemittel eine Maus oder, was bevorzugt ist, einen berührungsempfindlichen Touch-Bildschirm der Anzeige aufweisen, auf dem der gewünschte Bildausschnitt ausgewählt wird. Zur exakten Eingabe der Position können die Maus/Toucheingaben auch überein Zahlenfeld mit/ohne Inkrement präzisiert wer- den.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen OCT-
Systems;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anzeige des OCT-Systems mit einem ausgewählten Bildausschnitt; und
Fign. 3 und 4 zwei Varianten des erfindungsgemäßen OCT-Systems. Das in Fig. 1 schematisch gezeigte OCT-System 1 dient zum optischen Abtasten eines Bereichs der Oberfläche 2 eines Werkstücks 3 und umfasst eine Kamera 4 zum Aufnehmen eines Bildes der Werkstückoberfläche 2 sowie einen optischen Kohärenztomographen 5 zum optischen Abtasten der Werkstückoberfläche 2. Ei- ne Laserquelle 6 erzeugt einen Bearbeitungslaserstrahl 7, der mittels eines Laserscanners 8 auf das Werkstück 3 gerichtet wird, um den Bearbeitungslaserstrahl 7 auf der Werkstückoberfläche 2 zweidimensional oderauch dreidimensional, wenn der Laserscanner 8 eine Z-Achse hat, abzulenken. Der optische Kohärenztomograph 5 weist in bekannter Weise eine OCT-
Lichtquelle (z.B. Superiumineszenzdiode) 9 zur Erzeugung eines OCT-Strahls 10, einen Strahlteiler 11 zum Aufteilen des OCT-Strahls 10 in einen Messstrahl 12 und einen Referenzstrahl 13 auf. Der Messstrahl 12 wird an einen Messarm 14 weitergeleitet und trifft auf die Werkstückoberfläche 2, an welcher der Messstrahl 12 zumindest teilweise reflektiert und an den in dieser Richtung undurchlässigen oder teildurchlässigen Strahlteiler 11 zurückgeführt wird. Der Referenzstrahl 13 wird an einen Referenzarm 15 weitergeleitet und am Ende des Referenzarms 15 von einem Spiegel 16 reflektiert. Der reflektierte Referenzstrahl wird ebenfalls an den Strahlteiler 11 zurückgeführt. Die Überlagerung der beiden reflektierten Strahlen wird schließlich von einem ortsauflösenden Detektor (OCT Sensor) 17 detektiert, um unter Berücksichtigung der Länge des Referenzarms 15 Höheninformationen über die Werkstückoberfläche 2 und/oder die aktuelle Eindringtiefe des Bearbeitungslaserstrahls 7 in das Werkstück 3 zu ermitteln. Dieses Verfahren basiert auf dem Grundprinzip der Interferenz von Lichtwellen und ermöglicht es, Höhenunter- schiede entlang der Messstrahlachse im Mikrometerbereich zu erfassen. An den Messarm 14 schließt sich ein OCT-(Kleinfeld)Scanner 18 an, um den Messstrahl 12 auf der Werkstückoberfläche 2 zweidimensional abzulenken und so einen Be reich der Werkstückoberfläche 2 beispielsweise mit parallelen Linienscans abzuscannen. Über einen Spiegel 19, der im Strahlengang des Bearbeitungslaser- Strahls 7 angeordnet ist, wird der Messstrahlstrahl 12 in den Laserscanner 8 eingekoppelt, um den Messtrahl 12 auf das Werkstück 3 zu richten.
Die Kamera 4 ist vorzugsweise koaxial zu dem Messstrahl 12 bzw. zu der Nullpunktlage des nicht ausgelenkten Messstrahls 12 ausgerichtet und schaut somit koaxial mit dem optischen Kohärenztomographen 5 und dem Bearbeitungslaserstrahl 7 auf das Werkstück 3. Das von der Werkstückoberfläche 2 kommende Licht wird über einen in dieser Richtung durchlässigen Spiegel 20, der im Strahlengang des Messstrahls 12 angeordnet ist, der Kamera 4 zugeführt. Zur Auflichtbeleuch- tung des Werkstücks 3 sind, hier lediglich beispielhaft am Laserscanner 8, eine zur optischen Achse bzw. zur Achse der Nullpunktlage koaxiale Ringbeleuchtung 21 oder eine bezüglich der optischen Achse bzw. der Achse der Nullpunktlage seitliche Beleuchtung 22 angeordnet. Das von der Kamera 4 mit Auflicht aufgenommene Kamerabild 23 wird auf einer Anzeige 24 in Form eines Bildschirmes angezeigt. Über eine Auswahleinrichtung
25 kann ein Benutzer, wie in Fig. 2 gezeigt, innerhalb des angezeigten Kamerabildes 23 einen interessierenden Bildausschnitt 26 für die Höhenmessung der Werkstückoberfläche 2 grafisch auswählen und dazu den gewünschten Bildausschnitt 26 ins Kamerabild 23 einzeichnen. Die Auswahleinrichtung 25 kann beispielsweise als eine Maus oder ein Touch-Bildschirm ausgebildet sein, um den Bildausschnitt
26 direkt auf dem angezeigten Kamerabild 23 grafisch - im Fall des Touch- Bildschirmes mittels einer Pinch-Zoom-Funktion - auszuwählen. Zur exakten Eingabe der Position können die Maus/Toucheingaben auch über ein Zahlenfeld mit/ohne Inkrement (Position in X, Y und Winkel im Vergleich zum Werkstück 3) präzisiert werden.
Der ausgewählte Bildausschnitt 26 kann auf der Anzeige 24 grafisch vergrößert, verkleinert oder verschoben werden. Eine Steuerung 27 beschränkt dann den vom optischen Kohärenztomographen 5 abzutastenden Bereich der Werkstückoberfläche 2 auf diesen ausgewählten Bildausschnitt 26. Genauer gesagt ermittelt die Steuerung 27 durch (Auflicht)Bildverarbeitung anhand des ausgewählten Bildaus schnitts 26 den Offsetwert für den OCT-Scanner 18, also die Verschiebung des Messstrahls 12 aus seiner nicht ausgelenkten Nullpunktlage. Das Kamerabild 23 ermöglicht somit die genauere Platzierung des OCT-Scans, dessen Geometrie (eine Linie, mehrere Linien oder auch sonstige Geometrien) anhand des ausgewählten Bildausschnitts 26 von der Steuerung 27 programmiert wird. Die Bildverarbeitung positioniert den OCT-Scanner 18 so, dass mit einem zeitunkritischen OCT-Scan die Werkstückoberfläche 2 in Höhenrichtung (z-Richtung) vermessen werden kann. Durch die Integration des OCT-Sensors 17 in die Bildverarbeitung der Steuerung 27 können die Vorzüge der Bildverarbeitung mit denen des OCT- Sensors 17 kombiniert werden. Das vom OCT-Sensor 17 gewonnene Höhenprofil 28 des ausgewählten Bereichs 26 der Werkstückoberfläche 2 kann in der Anzeige 24 direkt in den ausgewählten Bildausschnitt 26 des Kamerabildes 23 eingeblendet bzw. überlagert werden, was die optische Auswertung der Werkstückoberfläche 2 durch den Benutzer verbessert.
Statt wie oben beschrieben nur auf dem ausgewählten Bildausschnitt 26 kann alternativ das Höhenprofil 28 auch in dem gesamten, von der Kamera 4 aufgenommenen Bereich der Werkstückoberfläche 2 aufgenommen und in der Anzeige 24 überlagert angezeigt werden. Denkbar ist auch, den OCT-Strahl 12 außerhalb des Sichtbereiches der Kamera 4 zu positionieren, aber dessen Position trotzdem aus dem Kamerabild 23 zu ermitteln.
Von Fig. 1 unterscheidet sich das in Fig. 3 gezeigte OCT-System 1 lediglich dadurch, dass hier im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 7 kein Laserscan- ner angeordnet ist, also die Bearbeitungsoptik als Festoptik ausgeführt ist.
Von Fig. 1 unterscheidet sich das in Fig. 4 gezeigte OCT-System 1 lediglich dadurch, dass hier im Strahlengang des Messstrahls 12 kein OCT- (Kleinfeld)Scanner angeordnet ist und der Laserscanner 8 die Bewegung des Messstrahls 12 über die Werkstückoberfläche 2 zur Erstellung des Höhenprofils 28 übernimmt.
Zum Vermessen von interessierenden Oberflächenmerkmalen einer Werkstückoberfläche 2 wird wie folgt vorgegangen: Zunächst wird mit der Kamera 4 ein Bild der Werkstückoberfläche 2 aufgenommen und anschließend anhand des aufgenommenen Kamerabildes 23 ein oder mehrere zu vermessende Oberflächenmerkmale bestimmt. Diese Bestimmung kann entweder automatisiert von einer Bildverarbeitung anhand des aufgenommenen Kamerabildes 23 oder manuell, wie oben beschrieben, anhand des angezeigten Bildes 23 erfolgen. Anschließend wird durch optisches Abtasten der Werkstückoberfläche 2 mittels des optischen Kohärenztomographen 5 an der Position des bestimmten Oberflächenmerkmals ein Höhenprofil 28 der Werkstückoberfläche 2 aufgenommen, um so das bestimmte Oberflächenmerkmal höhenmäßig zu ver- messen.
Eine Anwendung des erfindungsgemäßen OCT -Abtastverfahrens ist beispielsweise die 3D-Lokalisation von Einzelteilen, bevor sie miteinander laserverschweißt werden.
Zur Ausbildung von Statoren in Elektromotoren ist es bekannt, einen aus einem isolierenden Material ausgebildeten Statorkäfig bereitzustellen, in welchen sogenannte Hairpins (Pin-Elektroden) aus einem elektrisch leitenden Material, bevorzugt Kupfer, eingebracht werden. Die Hairpins können beispielsweise klammer- förmig oder linear ausgebildet sein und liegen nach ihrem Einbringen in den
Statorkäfig parallel zueinander und im Wesentlichen in Axialrichtung des Stators bzw. des Elektromotors in dem Statorkäfig vor. Um den Umfang des Statorkäfigs herum wird eine Vielzahl solcher Hairpins in den Statorkäfig eingebracht, die während der Montage beziehungsweise Fertigung zunächst keine mechanische und elektrische Verbindung zueinander aufweisen. Die jeweiligen freien Enden der Hairpins werden nach dem Einbringen in den Statorkäfig und nach einer eventuellen Umformung und/oder Kürzung und einer eventuellen Vorbehandlung, beispielsweise einer Entlackung, dann zur Ausbildung einer vollständigen Statorwicklung bevorzugt paarweise miteinander gefügt, beispielsweise durch Verschwei- ßen. Durch das Fügen werden sowohl eine mechanische Verbindung als auch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den freien Enden der jeweiligen Hairpin-Paare hergestellt, so dass die nach dem Einbringen zunächst einzeln vorliegenden Hairpins nun verbunden sind. Durch das Fügen der Hairpins kann eine mechanisch und elektrisch miteinander verbundene, durchgehende Statorwicklung ausgebildet werden.
Durch das erfindungsgemäße OCT-Abtastverfahren können beim Laserschweißprozess Paare von zu verschweißenden Hairpins präzise lokalisiert sowie Höhe und Abstand der Hairpins bestimmt werden, um den Laserstrahl entsprechend auszurichten. Auch andere interessierende geometrische Charakteristiken, wie z.B. ein Spalt oder eine Verkippung zwischen den zu verschweißenden Hairpins, kann im Vorfeld vermessen und dann ggf. beim Laserschweißen mitberücksichtigt werden. Nach dem Schweißen kann das Bildgebungssystem für eine Qualitätssi- cherung genutzt werden, z.B. für die Bestimmung der Schweißperle eines laserverschweißten Hairpin-Paares.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Anzeigen eines optisch abgetasteten Bereichs einer Werkstückoberfläche (2), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Aufnehmen eines Bildes (23) der Werkstückoberfläche (2),
- Aufnehmen eines Höhenprofils (28) der Werkstückoberfläche (2) durch optisches Abtasten der Werkstückoberfläche (2) mittels eines optischen Kohärenztomographen (5), und
- gemeinsames, insbesondere überlagertes Anzeigen des aufgenommenen Bildes (23) und des aufgenommenen Höhenprofils (28) der Werkstückoberfläche (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des angezeigten Bildes (23) der Werkstückoberfläche (2) ein Bildausschnitt (26) ausgewählt wird, auf den anschließend der von dem optischen Kohärenztomographen (5) abzutastende Bereich der Werkstückoberfiäche (2) beschränkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildausschnitt (26) direkt auf dem angezeigten Bild (23) grafisch, insbesondere mittels einer Maus, mittels einer Pinch-Zoom-Funktion oder mittels einer Positionseingabe, ausgewählt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild (23) koaxial zu einem Messarm (14) des optischen Kohärenztomographen (5) aufgenommen wird.
5. Verfahren zum Vermessen von Oberflächenmerkmalen einer Werkstückoberfläche (2), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Aufnehmen eines Bildes (23) der Werkstückoberfläche (2), - Bestimmen mindestens eines zu vermessenden Oberflächenmerkmals anhand des aufgenommenen Bildes (23), und
- Aufnehmen eines Höhenprofils (28) der Werkstückoberfläche (2) durch optisches Abtasten der Werkstückoberfläche (2) mittels eines optischen Kohärenztomographen (5) an der Position des mindestens einen bestimmten Oberflächenmerkmals, um das mindestens eine bestimmte Oberflächenmerkmal zu vermessen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zu vermessende Oberflächenmerkmal anhand des aufgenommenen Bildes (23) automatisiert bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zu vermessende Oberflächenmerkmal anhand des angezeigten Bildes (23) manuell bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des angezeigten Bildes (23) der Werkstückoberfläche (2) ein Bildausschnitt (26) mit den zu vermessenden Oberflächenmerkmalen ausgewählt wird, auf den anschließend der von dem optischen Kohärenztomographen (5) abzutas- tende Bereich der Werkstückoberfläche (2) beschränkt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildausschnitt (26) direkt auf dem angezeigten Bild (23) grafisch, insbesondere mittels einer Maus, mittels einer Pinch-Zoom-Funktion oder mittels einer Positionseingabe, ausgewählt wird.
10. OCT-System (1) mit einem optischen Kohärenztomographen (5) zum Aufnehmen eines Höhenprofils (28) einer Werkstückoberfläche (2) durch optisches Abtasten der Werkstückoberfläche (2), gekennzeichnet durch:
- eine Kamera (4) zum Aufnehmen eines Bildes (23) der Werkstückoberfläche (2),
- eine Anzeige (24) zum gemeinsamen, insbesondere überlagerten Anzeigen des aufgenommenen Bildes (23) und des aufgenommenen Höhenpro- fils (28) der Werkstückoberfläche (2), und/oder eine Bildverarbeitung zum Bestimmen mindestens eines zu vermessenden Oberflächenmerkmals anhand des aufgenommenen Bildes (23).
11. OCT-Systemnach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Auswahleinrichtung (25) zum Auswahlen eines Bildausschnitts (26) innerhalb oder außerhalb des angezeigten Bildes (23) und eine Steuerung (27), die den vom optischen Kohärenztomographen (5) abzutastenden Bereich der Werkstückoberfläche (2) auf den ausgewählten Bildausschnitt (26) einschränkt.
12. OCT-System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahleinrichtung (25) ein Eingabemittel zum grafischen Auswählen eines Bildausschnitts (26) innerhalb oder außerhalb des angezeigten Bildes (23) aufweist.
13. OCT-System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahleinrichtung (25) als Eingabemittel einen berührungsempfindlichen Bildschirm der Anzeige (24), auf dem der Bildausschnitt (26) ausgewählt wird, oder ein Eingabefeld zur manuellen Positionseingabe aufweist.
14. OCT-System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (4) koaxial zu einem Messarm (14) des optischen Kohärenztomographen (5) auf die Werkstückoberfläche (2) gerichtet ist.
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