Titel

Verfahren und Anordnung zur Abstandsmessung bei einer Laserbearbeitungsanlage Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung des Abstandes zu einem Werkstück bei einer Laserbearbeitungsanlage, bei der ein Bearbeitungsstrahl, welcher vom Werkstück reflektiert wird, mit einem Referenzstrahl, der mittels eines Strahlteilers vom Bearbeitungsstrahl ausgekoppelt wird, nach dem Prinzip eines kurzkohärenten Interfe- rometers überlagert und Kontrastwerte der überlagerten Wellenfronten mittels einer Detektoranordnung ausgewertet und daraus eine Abstandsänderung bestimmt wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Laserbearbeitungsanlagen ermöglichen eine Relativbewegung zwischen einem oder mehreren zu bearbeitenden Werkstücken und einem Bearbeitungskopf, um eine abtragende und/ oder verbindende Materialbearbeitung zu ermöglichen. Der Bearbeitungskopf ist mit einer integrierten oder separat ausgeführten Laser- oder Elektronenstrahl- quelle ausgerüstet. Typische Anwendungsgebiete für eine derartige Bearbeitungsanlage sind das Abtragen von Material eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls (Lase- rablation) oder das Verschweißen von Kunststoffteilen oder Metallteilen mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls. Je nach Anwendungsgebiet werden an derartige Bearbeitungsprozesse hohe Qualitätsanforderungen gestellt, die unter anderem auch eine exakte Führung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls gegenüber dem Werkstück sowie eine Kontrolle des Bearbeitungsergebnisses erfordern. Dazu sind in der Regel aufwendige Sensoreinrichtungen erforderlich. Da die Sensoren für die Anwendung der bekannten Messverfahren von dem energiereichen Bearbeitungsstrahl stark beeinflusst werden, ist oft ein Mindestabstand zwischen dem Bearbeitungsort des Bearbeitungsstrahls und der Messstelle einzuhalten.

Einer Oberflächenabtastung zum Zwecke einer exakten Abstandsnachführung kommt bei derartigen Bearbeitungseinrichtungen eine besondere Bedeutung zu. In der Offenlegungsschrift DE 10 2007 016444 A1 ist eine Bearbeitungseinrichtung mit wenigstens einem Bearbeitungskopf beschrieben, der zur Bereitstellung wenigstens eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls ausgebildet ist. Dabei ist vorgesehen, dass dem Bearbeitungskopf wenigstens eine als optischer Kohärenztomograph ausgebildete Abtasteinrichtung zugeordnet ist, die für eine Oberflächenabtastung vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung bzw. bei dem dort beschrieben Verfahren werden ein separater Messstrahl und der hochenergetische Bearbeitungsstrahl zum Zwecke der Abstandsbestimmung zur Werkstückoberfläche mittels Interferenzauswertung zum Interferieren gebracht.

Die Offenlegungsschrift DE 101 55 203 A1 beschreibt eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laser-Bearbeitungsgerät zum Erzeugen eines an eine Bearbeitungsstelle eines Werkstücks gelenkten Bearbeitungsstrahls und einem eine Beleuchtungseinrichtung und eine Beobachtungsvorrichtung aufweichenden Messsystems zum Erfassen von Oberflächendaten des Werkstücks im Bereich der Bearbeitungsstelle an mindestens einer Messstelle. Dabei ist vorgesehen, dass das Messsystem zumindest teilweise mit dem Bearbeitungsgerät verbunden ist und zum Erfassen von SD-Oberflächendaten oder Schwingungen ausgebildet ist, wobei das Messsystem nach Art eines Interferometers mit kurzkohärenter Lichtquelle als Weißlichtinterferometer oder Kohärenzlidat ausgebildet ist oder eine konfokale Messvorrichtung ist. Dabei kann u.a. vorgesehen sein, dass als Beleuchtungsvorrichtung der Bearbeitungslaser ausgenutzt ist, wobei allerdings für diese Variante kein Ausführungsbeispiel offenbart wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Abstandsmessung bereit zu stel- len, bei dem das Licht des Bearbeitungslasers, ohne eine zweite Strahlquelle einsetzen zu müssen, zur Abstandsmessung verwendet wird.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen. Offenbarung der Erfindung

Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass für eine Modulation der Laufzeit des Referenzstrahls oder des als Messstrahl dienenden Bearbeitungs- Strahls ein Phasenmodulator, Strahlaufweiter oder akustooptische Deflektoren (AOD) und ein optisches Beugungsgitter in einer Littrow-Konfiguration eingesetzt werden.

Die die Messanordnung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, ein Referenzspiegel mit Modulationseinheit des Interferometers einen Phasenmodulator, Strahlaufweiter oder akustooptische Deflektoren und ein optisches Beugungsgitter in einer Littrow-

Konfiguration aufweisen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens können exakte Abstandsmessungen zwischen dem Bearbeitungskopf und der Werkstückoberfläche durchgeführt werden, wobei lediglich der Bearbeitungsstrahl zur Beleuchtung der Oberfläche benötigt wird, was die Komplexität und damit die Kosten für eine derartige Anlage senkt.

Dabei ist in einer bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen, dass die Laufzeitmodu- lation mittels einer Modulation der optischen Weglänge erfolgt, wobei mittels eines ersten akustooptischen Deflektors eine erste Winkelablenkung des Referenzstrahls und mittels eines, dem ersten akustooptischen Deflektor nachgeschalteten zweiten akustooptischen Deflektors eine der ersten Winkelablenkung vorzeichenmäßig umgekehrte Winkelablenkung und damit eine parallele Verschiebung des Referenzstrahles erzeugt wird. Dies ermöglicht eine sehr genaue Einstellung der Parallel-Verschiebung der

Strahllage. Ein dabei vorgeschalteter Phasenmodulator in Form z.B. eines elektroopti- schen Modulators ermöglicht es, den Interferenzkontrast bei unterschiedlichen optischen Wegdifferenzen zu messen. Ein akustooptischer Modulator besteht aus einem durchsichtigen Festkörper, Glas oder einem Kristall, an dem zur Erzeugung von Schallwellen an einem Ende ein Piezoelement angebracht ist. Am anderen Ende befindet sich ein Schallabsorber, um Reflexionen und stehende Wellen zu vermeiden. Die Ablenkung des Lichts in einem akustooptischen Modulator funktioniert nach dem Prinzip der Beugung von Licht an einem optischen Gitter. Das optische Gitter besteht in den Dichteschwankungen einer den Kristall durchlaufenden Schallwelle. Die Schallwel- le mit Signalfrequenzen von typischerweise 10 bis 2000 MHz bewirkt im Kristall eine periodische Änderung der Dichte und damit eine periodische Modulation des Brechungsindex.

Wird der parallel verschobene Referenzstrahl auf das zum Referenzstrahl geneigte op- tische Beugungsgitter geleitet, wird infolge der Littrow-Konfiguration der Referenzstrahl in sich zurück reflektiert. Durch die parallele Verschiebung des Referenzstrahls wird durch diese Konfiguration eine Verschiebung des optischen Wegs bewirkt. Als optische Beugungsgitter können so genannte Blazegitter verwendet werden, die sich durch eine spezielle Topografie der Oberfläche auszeichnen.

Dabei ist in einer bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen, dass die akustoopti- schen Deflektoren mit AOD-Modulationssignalen, welche von einem AOD-Treiber generiert werden, parallel angesteuert werden und die Lage von Kontrastmaxima in Bezug auf die Signalwerte der AOD-Modulationssignale ausgewertet werden. Dies er- möglicht eine sehr genaue Bestimmung von Abstandsänderungen während einer Periode des AOD-Modulationssignals.

In einer alternativen Messanordnung wird der Referenzstrahl mittels eines Strahlauf- weiters aufgeweitet und auf das zum Referenzstrahl geneigte optische Beugungsgitter geleitet und infolge der Littrow-Konfiguration der Referenzstrahl in sich zurück reflektiert. Dies ermöglicht ebenfalls eine Modulation der optischen Weglänge im Referenzarm der Messanordnung. In dieser Anordnung hat die rückgebeugte Lichtwelle eine Wellenfront, die unterschiedliche, optische Weglängen aufweist. Als Strahlaufweiter kann eine als Teleskop ausgebildete Linsenanordnung verwendet werden, wobei der Referenzstrahl typischerweise auf etwa 10 mm aufgeweitet wird. Ein dabei ebenfalls vorgeschalteter Phasenmodulator in Form z.B. eines elektrooptischen Modulators ermöglicht, den Interferenzkontrast bei unterschiedlichen optischen Wegdifferenzen zu messen. Zur Auswertung des Abstandes bzw. der Abstandsänderungen ist vorgesehen, dass der Referenzstrahl nach seiner Reflektion am optischen Beugungsgitter mit dem vom Werkstück reflektierten Strahl überlagert und von einem zweiten Strahlaufweiter aufgeweitet wird, wobei das dabei gebildete Interferenzmuster von einem Linien- oder Bildsensor detektiert und die Lage von Kontrastmaxima in Bezug auf die Position auf dem Linien- oder Bildsensor ausgewertet werden. Ist die Detektoranordnung bei Verwendung von Strahlaufweitern als Linien- oder Bildsensoren nach dem Prinzip von CCDs oder CMOS-Kameras ausgeführt, wie dies eine bevorzugte Ausführungsvariante vorsieht, können die gebildeten Interferenzmuster mit hoher Genauigkeit detektiert werden. Zudem zeichnen sich diese Sensoren durch ei- nen hohen Kontrast aus, so dass Kontrastmaxima zur Bestimmung der Werkstückpositionen optimal ausgewertet werden können.

Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens, wie es zuvor mit seinen Varianten beschrieben wurde, sieht den Einsatz zur Regelung einer Fokuslage des Bearbeitungs- Strahls, einer Kapillartiefe einer Schweißung, einer Bohrtiefe oder einer Abtragtiefe vor.

Mit den beschriebenen Maßnahmen können in Richtung nahe der Senkrechten zur Messstelle besonders enge Hohlräume erkannt und vermessen werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausfüh- rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 in schematischer Darstellung eine Messanordnung bei einer Laserbearbeitungsanlage,

Figur 2 eine Messanordnung mit akustooptischen Deflektoren,

Figur 3 ein Fotodetektor-Signalverlaufsdiagramm für zwei Abstände eines Werkstücks,

Figur 4 eine Messanordnung mit Strahlaufweiter und

Figur 5 ein weiteres Signalverlaufsdiagramm für zwei Abstände des Werkstücks, gemessen mit einem Linien- bzw. Flächendetektor.

Figur 1 zeigt schematisch eine prinzipielle Messanordnung bei einer Laserbearbeitungsanlage 1. Als Laserquelle 10 bzw. als Bearbeitungslaser kann beispielsweise ein Ultrakurzpulslaser (UKP) eingesetzt werden. Das Licht des Ultrakurzpulslasers hat eine kurze Kohärenzlänge im Bereich von 1 mm. Der Lichtstrahl wird in einem Strahlteiler 20 in zwei Teilstrahlen, einem Messstrahl und einem Referenzstrahl aufgeteilt. Vorteilhaft ist, wenn der Strahlteiler 20 eine große Transmission von beispielsweise 96 % aufweist. Der Bearbeitungsstrahl 1 1 , der gleichzeitig Messstrahl ist, wird üblicherweise über eine Scanneranordnung 30 mit entsprechender Optik 31 zu dem zu bearbeitenden Werkstück 40, welches sich üblicherweise auf einem Bearbeitungstisch 50 befin- det, geleitet. Der Referenzstrahl wird zu einem Referenzspiegel mit einer Modulations- einheit 60 geleitet. Die Modulationseinheit moduliert die optische Weglänge und die Lichtphase des Referenzstrahls.

Das auf dem Werkstück 40 reflektierte Licht wird auf seinem Rückweg zu dem Strahl- teiler 20 geleitet, mit dem Referenzstrahl überlagert und beleuchtet eine Detektoranordnung 70, welche als Fotodektor ausgebildet ist. Die beiden Strahlen können interferieren, wenn die Differenz der optischen Wege kleiner als die Kohärenzlänge des Lichtes ist. Der Kontrast des Interferenzsignals nimmt mit Zunahme der Differenzen der optischen Wege ab. Das Licht wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und zu einem Auswerterechner 80 geleitet. Durch die Auswertung des Interferenzkontrastes in Bezug auf das Signal des Weglängen-Modulators wird der Abstand bzw. die Abstandsänderung zu dem Werkstück gemessen.

In Figur 2 ist eine beispielhafte Anordnung einer Messanordnung dargestellt, bei der der Referenzspiegel mit Modulationseinheit 60 aus Figur 1 aus zwei akustooptischen

Deflektoren (AOD) 62, 63 und einen Phasenmodulator 61 ausgebildet ist. Der Referenzstrahl durchläuft den Phasenmodulator 61 , der als elektrooptischer Modulator ausgebildet sein kann. Die Phasenmodulation wird benutzt, um den Interferenzkontrast bei unterschiedlichen optischen Wegdifferenzen zu messen. Die Modulation der optischen Weglänge erfolgt durch den Einsatz eines ersten akustooptischen Deflektors 62 und eines zweiten akustooptischen Deflektors 63 sowie einem optischen Beugungsgitter 64, welche in einer Littrow-Konfiguration angeordnet werden. In dieser Konfiguration ist das optische Beugungsgitter 64 in Bezug auf die Lichtstrahlachse derart geneigt, dass der gebeugte Lichtstrahl in sich zurück läuft, als wäre er lotrecht von einem Spiegel re- flektiert worden. Dabei erzeugt die parallele, horizontale Verschiebung des Referenzstrahles aufgrund des geneigten optischen Beugungsgitters 64 eine Weglängen-Modulation.

Diese parallele Verschiebung wird durch die zwei AODs realisiert, welche mit dem glei- chen Signal eines AOD-Treibers 90 angesteuert werden. In dieser Anordnung wird die erste Winkelablenkung des Lichtstrahls im ersten akustooptischen Deflektor 62 durch eine zweite zur ersten negativen Winkelablenkung im zweiten akustooptischen Deflektor 63 in die parallel, horizontale Verschiebung transferiert, so dass sich eine optische Wegverschiebung 65 durch die unterschiedliche Strahllage am Scann-Anfang 66 und am Scann-Ende 67 ergibt. Der Abstand bzw. eine Abstandsanderung 207 des Werkstückes 40 wird, gemessen, in dem die Lage eines Maximums beim Kontrast 201 in Bezug auf die momentane Frequenz des AOD-Modulationssignals für den Ablenkwinkel über die Zeit 202 innerhalb einer Periode 208 des AOD-Signals ausgewertet wird. Figur 3 zeigt dies schematisch in einem Signalverlaufsdiagramm 200, bei dem der Kontrast 201 als Fotodetektor- Signalverlauf für eine erste und eine zweite Werkstückposition 204, 206 dargestellt ist. Die Abstandsanderung 207 kann dabei durch Auswertung der Maxima 203, 205 für die beiden Werkstückpositionen 204, 206 bestimmt werden.

Figur 4 zeigt schematisch eine zur Figur 2 alternative Messanordnung, bei der der Referenzspiegel mit Modulationseinheit 60 mit einem Strahlaufweiter 100 und dem optischen Beugungsgitter 64 ausgebildet ist. Der Referenzstrahl durchläuft den z.B. als elektrooptischen Modulator ausgebildeten Phasenmodulator 61 und wird anschließend in dem Strahlaufweiter 100, welcher als Teleskop ausgebildet ist, aufgeweitet und beleuchtet mit einem großen Durchmesser, typisch erweise z.B. 10 mm das optische Beugungsgitter 64 in ebenfalls einer Littrow-Konfiguration. In dieser Anordnung hat die rückgebeugte Lichtwelle eine Wellenfront, die unterschiedliche, optische Weglängen aufweist. Die Referenzwelle wird mit der auf dem Werkstück 40 reflektierten Welle im Strahlteiler 20 überlagert und mittels eines zweiten Strahlteilers 100 aufgeweitet. Die beiden Teilstrahle beleuchten anschließend die Detektoranordnung 70, welche in diesem Fall als Linien- oder Bildsensor in Form eines CCD oder einer CMOS-Kamera ausgebildet ist.

Der Abstand bzw. die Abstandsänderung 207 zum Werkstück 40 wird gemessen, in dem die Lage des Kontrastmaximums in Bezug auf Positionen auf dem Linien- oder Bildsensor ausgewertet wird, wie dies in Figur 5 schematisch gezeigt ist. Im Gegensatz zu der in Figur 3 gezeigten Auswertung, ist der Abstand der Maxima 203, 205 für die Werkstückpositionen 204, 206 und damit die Abstandsänderung 207 in Bezug auf eine laterale Ausdehnung der Detektorfläche bzw. -linie 209 dargestellt.