Laserbearbeitungsprozesses sowie Beobachtungsvorrichtung Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Beobachtung und/oder Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses eines Werkstücks mittels einer Kamera, wobei die Transmission eines sich in einem

Beobachtungsstrahlengang der Kamera angeordneten, einstellbaren Filters eingestellt wird.

Es ist bekannt, einen Laserbearbeitungsprozess, beispielsweise einen Laserschweiß- oder Laserschneidprozess, zur Überwachung kamerabasiert zu beobachten. Dazu muss die Lichtmenge bei einer Bildaufnahme einer von einem Laser bearbeiteten Prozesszone eines Werkstücks während des Laserbearbeitungsprozesses begrenzt werden, damit auch bei sehr hohen Strahlungsintensitäten in der Prozesszone Überbelichtungen bzw.

Sättigungen im aufgenommenen Bild vermieden werden. Eine solche Begrenzung wird im Allgemeinen durch eine entsprechende Wahl einer Blende, eines schmalbandigen Bandpassfilters und/oder eines Neutraldichtefilters im Beobachtungsstrahlengang einer die Prozesszone beobachtenden Kamera versucht. Aufgrund der nicht ausreichenden

Dynamik der im Stand der Technik verfügbaren Bildsensoren der Kameras können jedoch unter diesen Bedingungen Bearbeitungsbereiche, die außerhalb der eigentlichen Prozesszone liegen, nicht beobachtet werden, da diese dann zu dunkel sind. Durch die Wahl der Kamerabelichtungszeit kann dem bis zu einem gewissen Grad entgegen gewirkt werden,

allerdings sind beliebig kurze Belichtungszeiten nicht möglich bzw. die dafür benötigten Kameras sehr teuer. Daher bedarf es einer oder

mehrerer zusätzlicher Beleuchtungsquelle(n) zur Beleuchtung dunkler Werkstückbereiche, wenn verschiedene Messaufgaben variabel kombiniert werden sollen.

Aus der DE 10 2009 050 784 B4 und der EP 2 061 621 Bl sind zwei Anordnungen bekannt, die die auf den Bildsensor fallende Lichtmenge über die Belichtungszeit und/oder über die Beleuchtungsintensität steuern. Diese Parameter werden dazu zwischen einzelnen Bildaufnahmen variiert.

Aus der DE 10 2009 016 125 AI ist es bekannt, bei einem

Laserbearbeitungsverfahren Rückreflektionen eines Laserstrahls mit einem Sensor auszuwerten. Es wird ferner ein elektrisch einstell- oder

veränderbares Dämpfungsglied beschrieben. Das Dämpfungsglied kann einen motorisch verstellbaren Graukeil, ein elektrochromes Element oder einen LCD-Schirm umfassen.

Auch aus der JPS 58157596 A ist es bekannt, vor einer Kamera, mit der Strahlung aus einer Schweißzone detektiert wird, einen einstellbaren Filter anzuordnen. Bei diesen bekannten Vorrichtungen kann die auf die Kamera bzw. den Sensor fallende Lichtmenge in Abhängigkeit von der Beobachtungsaufgabe nur eingeschränkt eingestellt bzw. geändert werden. Um beispielsweise Informationen aus unterschiedlichen Bereichen des Werkstücks (z.B. der Prozesszone und der Umgebung) zu erhalten, ist daher eine Wiederholung mit unterschiedlichen Einstellungen erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, durch die eine bildbasierte Beobachtung unterschiedlich heller Bereiche eines Werkstückes während eines

Laserbearbeitungsprozesses verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Beobachtung und/oder Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses eines Werkstücks mittels einer Kamera, wobei die Transmission eines sich in einem Beobachtungsstrahlengang der Kamera angeordneten,

einstellbaren Filters eingestellt wird, wobei die Transmission des Filters in wenigstens zwei unterschiedlichen Bereichen des Filters gesteuert auf unterschiedliche Transmissionsgrade eingestellt wird und/oder die

Transmission zumindest in einem Bereich des Filters zeitlich mit

Aufnahmezeitpunkten der Kamera und/oder mit Zeitpunkten von

Helligkeitsänderungen einer zusätzlichen Beleuchtungsquelle

synchronisiert auf unterschiedliche Transmissionsgrade eingestellt wird. Erfindungsgemäß wird also ein gesteuert flexibel einstell- bzw. schaltbarer Filter im Beobachtungsstrahlengang der Kamera eingesetzt. Eine

gesteuerte Einstellung des Filters bedeutet, dass die Einstellung des Filters applikationsabhängig geändert werden kann, insbesondere, dass der Filter von einer Steuereinheit angesteuert werden kann. Die Transmissionsgrade des Filters sind variabel wählbar (z. B. durch eine Steuerung),

insbesondere abhängig von einer Messaufgabe. Dabei soll unter„schalten" des Filters eine Einstellung des Filters auf einen neuen Zustand bzw. eine Änderung des Zustands des Filters binnen eines verhältnismäßig kurzen Zeitraums, insbesondere kürzer als 20% der Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmezeitpunkten, verstanden werden.

Wenn die Transmission des Filters mit Aufnahmezeitpunkten der Kamera synchronisiert eingestellt wird, kann die auf die Kamera auftreffende Lichtmenge bedarfsgerecht während des Bearbeitungsprozesses an eine Bildaufnahme individuell angepasst werden. Durch Synchronisation mit Zeitpunkten von Helligkeitsänderungen einer zusätzlichen

Beleuchtungsquelle kann zudem bedarfsgerecht der

Helligkeitskontrastbereich des aufzunehmenden Bildes zusätzlich

eingegrenzt werden. Insbesondere kann eine zusätzliche Beleuchtung zur Beleuchtung von außerhalb einer Prozesszone gelegenen Bereichen vorgesehen werden. Die Beleuchtungsquelle kann mit der Transmission des Filters bzw. mit der auf die Kamera fallenden Lichtmenge

synchronisiert gesteuert werden.

Insbesondere im Gegensatz zu beispielsweise einer Aperturblende kann der einstellbare Filter nahezu beliebig entlang des

Beobachtungsstrahlengangs positioniert werden. Auch können durch Einsatz des einstellbaren Filters Veränderungen der Schärfentiefe von einer Bildaufnahme zu einer anderen vermieden werden. Dadurch kann die Bildaufnahme mit einer festen, vordefinierbaren Blende erfolgen, wodurch das aufgenommene Bild leichter automatisiert ausgewertet werden kann. Ein einstellbarer bzw. schaltbarer Filter ermöglicht zudem, insbesondere im Gegensatz zu beispielsweise Irisblenden, sehr schnelle Einstellungsänderungen. So können Änderungen des Transmissionsgrads im Bereich von Millisekunden sowie teilweise im Bereich von Mikrosekunden erreicht werden. Ein einstellbarer bzw. schaltbarer Filter kann zudem sehr langzeitstabil arbeiten, so dass auch ein Dauerbetrieb ermöglicht wird.

Der Transmissionsgrad des Filters kann eingestellt werden, indem der Spektralbereich der durch den Filter transmittierten Strahlung verändert wird. Dazu kann der Filter beispielsweise als Bandpass-Filter ausgebildet sein, dessen Zentralwellenlänge und/oder dessen Bandbreite eingestellt wird. Wird beispielsweise die Zentralwellenlänge von einer innerhalb des Wellenlängenbereichs sichtbaren Lichts liegenden Wellenlänge zu einer beispielsweise im Ultraviolett- oder im Infrarotbereich befindlichen

Wellenlänge geändert bzw. umgeschaltet, so kann dadurch der

Transmissionsgrad im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts eingestellt, insbesondere reduziert werden.

Es kann auch vorgesehen werden, insbesondere wenn der Filter als

Bandpass-Filter ausgebildet ist, den beobachteten Wellenlängenbereich, beispielsweise zwischen sichtbarer und infraroter Strahlung, auszuwählen bzw. umzuschalten. Vorteilhafterweise kann dazu vorgesehen werden, dass auch weitere Elemente entlang des Beobachtungsstrahlengangs, insbesondere die Kamera, auf den jeweils beobachteten

Wellenlängenbereich eingestellt werden und/oder zur Beobachtung in allen beobachteten Wellenlängenbereichen ausgebildet sind.

Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen werden, nur innerhalb eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs den Transmissionsgrad des Filters einzustellen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Transmission des Filters mit einem vordefinierten Zeitversatz, insbesondere einem zeitlichen Vorlauf, zu den Aufnahmezeitpunkten und/oder den Zeitpunkten der

Helligkeitsänderungen der Beleuchtungsquelle geändert wird. Dadurch können auf einfache Weise Schaltzeiten bzw. Einstellgeschwindigkeiten des Filters berücksichtigt werden, so dass ein Bild mit hoher Sicherheit mit der gewünschten Transmission des einstellbaren Filters aufgenommen werden kann.

Der Transmissionsgrad des Filters kann in Abhängigkeit von einer

Messaufgabe, beispielsweise einer Aufnahme von Strahlung des

Bearbeitungsprozesses, einer Aufnahme unter Auflichtbeleuchtung eines Werkstücks, der Nahtlageregelung und/oder Nahtqualitätskontrolle, eingestellt werden. Somit kann die auf die Kamera während der Aufnahme eintreffende Lichtmenge bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der

jeweiligen Messaufgabe gesteuert werden. Auch kann vorgesehen werden, den beobachteten Wellenlängenbereich je nach Messaufgabe einzustellen bzw. auszuwählen.

Vorzugsweise kann die Helligkeit der Beleuchtungsquelle, die

Belichtungszeit und/oder die Aufnahmeempfindlichkeit der Kamera in Abhängigkeit von der eingestellten Transmission des Filters gewählt werden. Somit können weitere Aufnahmeparameter, die die auf die

Kamera auftreffende Lichtmenge und/oder die Bildqualität zusätzlich steuern, abgestimmt zur Transmission des Filters eingestellt bzw.

geschaltet werden.

Insbesondere kann vorgesehen werden, dass zunächst die Transmission des Filters eingestellt wird, anschließend oder zeitgleich die

Beleuchtungsquelle eingestellt, insbesondere ein- oder ausgeschaltet, wird und sodann ein Bild durch die Kamera aufgenommen wird. Somit können auf einfache Weise unterschiedliche Einstellgeschwindigkeiten des Filters und/oder der Beleuchtungsquelle berücksichtigt werden.

In einer alternativen Verfahrensvariante wird die Transmission des Filters in wenigstens zwei unterschiedlichen Bereichen (Pixeln) des Filters auf unterschiedliche Transmissionsgrade gesteuert eingestellt. Somit kann der einstellbare Filter als optische Maske verwendet werden. Beispielsweise können verhältnismäßig dunkle Zonen des Beobachtungsbereichs eines zu beobachtenden bzw. zu bearbeitenden Werkstücks wenig gefiltert werden und gleichzeitig besonders helle Zonen des Beobachtungsbereichs sehr stark gefiltert werden. Die Einstellungen der Filterbereiche können dabei während des beobachteten Laserbearbeitungsprozesses unverändert bleiben.

Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Filter in mindestens zwei, insbesondere in viele Bereiche (Pixel) unterteilt werden. Physikalisch kann sich dabei ein Bereich (Pixel) bezüglich seiner

Transmission wie ein eigenständiger, schnell geschalteter Filter verhalten. Es lassen sich in den Bereichen unterschiedliche Transmissionsgrade in einem gewissen Kontrastverhältnis einstellen. Diese Einstellung kann ortsaufgelöst erfolgen, bevor eine Messung gestartet wird.

Innerhalb des von der Kamera aufgenommenen Bildes können mehrere Messbereiche bzw. Messfenster vorgesehen werden, wobei die Auswertung der gewonnenen Bilddaten auf diese Messfenster beschränkt werden kann.

Für jeden gewünschten Messbereich bzw. jedes Messfenster,

beispielsweise vor- und nachlaufend zum Prozessort und am Prozessort, kann im Filter ein geeigneter Transmissionsgrad voreingestellt werden, der für die jeweils anstehende Messaufgabe, beispielsweise abhängig vom Werkstückmaterial und/oder der Laserleistung, geeignet ist.

Zur Einstellung der Bereiche kann eine Steuereinheit vorgesehen werden, welche es erlaubt, die Transmissionsgrade der einzelnen Bereiche (Pixel) gesteuert einzustellen und beispielsweise über eine entsprechende digitale Schnittstelle mit einer Bildverarbeitungseinheit zu kommunizieren. Das Verändern des Transmissionsgrads kann in dieser Verfahrensvariante auch unabhängig von einer Messung bzw. Aufnahme erfolgen. Dadurch kann auch eine Kommunikationsschnittstelle zwischen der Steuereinheit des Filters und der Bildverarbeitungseinheit mit geringer

Übertragungsgeschwindigkeit verwendet werden. Zudem kann ein höherer Kontrast des Filters zwischen minimaler und maximaler Transmission erreicht werden, da längere Einstell- bzw. Umschaltzeiten ermöglicht werden.

Das gesteuert einstellbare räumliche Transmissionsprofil des Filters kann abhängig von einer jeweils gewünschten Anwendung bzw. einer Messbzw. Bildverarbeitungsaufgabe gewählt werden. Das Transmissionsprofil für eine bestimmte Messaufgabe kann beispielsweise als

Konfigurationsdatensatz in der Steuereinheit vorgesehen werden und beispielsweise durch einen Bediener, durch ein Maschinenprogramm einer Laserbearbeitungsmaschine über eine entsprechende Schnittstelle und/oder durch die Bildverarbeitungseinheit selbst auswählbar sein.

Bei dieser Verfahrensvariante kann die Bildaufnahme für verschiedene Messfenster zeitgleich über einen großen Bildbereich mit derselben

Belichtungszeit erfolgen, wodurch die Messgeschwindigkeit gesteigert werden kann. Die Einstellung des Transmissionsgrads vor den Messfenstern kann bei dieser Verfahrensvariante im Verlauf der Messung unverändert bleiben.

Angepasst an die Mess- bzw. Beobachtungsaufgabe und an die Parameter des zu beobachtenden Prozesses können die Transmissionsgrade jedoch auch gesteuert und flexibel zwischen zwei Messungen verändert werden.

Die Bildaufnahme kann in dieser Verfahrensvariante für alle Messfenster zeitgleich erfolgen. Alternativ können Bildaufnahmen für die einzelnen Messfenster nacheinander erfolgen, um beispielsweise unterschiedliche Belichtungszeiten der Kamera nutzen zu können.

Außerdem kann es sinnvoll sein, die Position der Messfenster und/oder die Position einzelnen Transmissionsbereiche während eines Messlaufs zu ändern, um beispielsweise den Einfluss von Erwärmung der optischen Komponenten im Laserstrahlengang zu kompensieren. Die Nachführung der Positionen kann dabei von Bild zu Bild erfolgen; es kann jedoch auch ein langsameres Nachführen über mehrere Kamerabilder hinweg

vorgesehen werden.

Mögliche Anwendungen dieser Verfahrensvariante können beispielsweise sein :

- Umschalten des Transmissionsgrads in einem vorlaufenden

Messfenster zwischen z.B. 80%, wenn eine Auflichtmessung zur Nahtlageregelung beim Laserschweißen genutzt werden soll, und 10% beim Einsatz einer Lichtschnittmessung.

- Gesteuerte Anpassung der räumlichen Position und/oder

Ausdehnung eines den Laser-Brennfleck beinhaltenden Messfensters an eine Verschiebung (Drift) der Laser-Brennfleckposition im

Kamerabild.

- Anpassung des Abstands des vorlaufenden und/oder nachlaufenden Messfensters von der Position des Laser-Brennflecks in Abhängigkeit von Prozessparametern.

- Ändern des Transmissionsgrads des einstellbaren Filters an der

Position des Laser-Brennflecks zwischen Einrichtbetrieb und

Prozessbetrieb:

• Einrichten: z.B. 80% Transmission für Auflichtmessung einer

Referenzmarke an einem Testwerkstück.

• Prozessbetrieb: z.B. 10% Transmission für die Messung des

Laserbrennflecks.

In den Rahmen der Erfindung fällt des Weiteren eine

Beobachtungsvorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, mit einer Kamera, mindestens einer zusätzlichen Beleuchtungsquelle und einem in einem Beobachtungsstrahlengang der Kamera angeordneten einstellbaren Filter, wobei die

Beobachtungsvorrichtung eine Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist, die Transmission des Filters in wenigstens zwei unterschiedlichen

Bereichen des Filters auf unterschiedliche Transmissionsgrade

einzustellen, und/oder wobei die Beobachtungsvorrichtung eine

Synchronisationseinheit aufweist, die eingerichtet ist, die Transmission zumindest in einem Bereich des Filters mit Aufnahmezeitpunkten der Kamera und/oder mit Zeitpunkten von Helligkeitsänderungen der zusätzlichen Beleuchtungsquelle(n) synchronisiert auf verschiedene

Transmissionsgrade einzustellen.

Es kann vorgesehen sein, dass der Filter als Neutraldichtefilter ausgebildet ist. Somit kann die Transmission des Filters weitgehend farbneutral eingestellt werden. Ein Neutraldichtefilter stellt ferner eine einfache

Möglichkeit dar, die Transmission ohne Veränderungen der Schärfentiefe des aufzunehmenden Bildes einzustellen.

Die Kamera kann als Flächendetektor ausgebildet sein. Die Kamera kann beispielsweise ein CCD-Element und/oder ein CMOS-Element aufweisen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Transmission des Filters elektrisch geschaltet auf unterschiedliche Transmissionsgrade einstellbar ist. Dazu kann der Filter wenigstens ein Flüssigkristall-Element aufweisen. Der Filter kann beispielsweise als LCD-Element ausgebildet sein.

Dabei kann es besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass das

Flüssigkristall-Element mit einer Wechselspannung, bevorzugt mit einer Rechteckwechselspannung, angesteuert wird. Insbesondere, wenn der Filter als LCD-Element gebildet ist, können so unerwünschte

Gleichspannungs-Kriechströme vermieden werden, die eine

Flüssigkristallschicht des LCD-Elements aufgrund einer unerwünschten Ionenmigration mittelfristig zerstören könnten.

Es kann vorgesehen werden, dass der Filter einen Flüssigkristall-Retarder aufweist. Es kann insbesondere vorgesehen werden, einzelne variable Flüssigkristall-Retarder zu kombinieren. Auch können mehrere

Flüssigkristall-Zellen kombiniert werden. Eine einstellbare Transmission kann auch dadurch erreicht werden, dass ein Flüssigkristallmodul, z.B. monolithisch in einem optischen Element, mit Polarisatoren kombiniert wird. Zur Einstellung können dann die Polarisatoren um vorgebbare

Winkel und in vorgebbare Drehrichtungen rotiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Filter ein

Transmissionseinstellverhältnis von mindestens 2: 1 aufweist. Unter Transmissionseinstellverhältnis wird dabei das Verhältnis des maximal zum minimal einstellbaren Transmissionsgrad verstanden. Bereits ein Transmissionseinstellverhältnis des einstellbaren Filters von 2: 1 ergibt bereits deutliche Vorteile gegenüber einem System ohne einstellbaren bzw. schaltbaren Filter. Insbesondere können dadurch besonders hohe Messraten während der Überwachung bzw. Beobachtung erreicht werden. Ein Transmissionseinstellverhältnis von 2: 1 ermöglicht bereits ungefähr eine Verdopplung der erzielbaren Messrate gegenüber einer

herkömmlichen Beobachtung ohne einstellbaren Filter. Somit kann der Laserbearbeitungsprozess mit verbesserter Genauigkeit beobachtet werden.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Filter eine Schaltzeit von höchstens 5ms, bevorzugt zwischen l s und 5ms, aufweist. Dabei ist unter

Schaltzeit die Zeitdauer von einer Einstellung eines Transmissionsgrades zu einer nächsten Einstellung zu verstehen. Auf diese Weise wird eine erforderliche Synchronisation des Einstellvorganges mit der Bildaufnahme durch die Kamera prozesssicher ermöglicht.

Wenn der Filter in einem Spektralbereich von 400 bis 950 nm

transmittiert, kann die Transmission weitgehend im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts geändert werden.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Filter eine freie Apertur von mindestens 1 mm, bevorzugt zwischen 1mm und 20mm aufweist. So kann sichergestellt werden, dass am Filter keine unerwünschten

Beugungseffekte auftreten. Gleichzeitig kann der Bauraumbedarf des Filters hinreichend klein gehalten werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Beobachtungsstrahlengang zumindest in einem Abschnitt koaxial zu einem Bearbeitungsstrahl verläuft. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Beobachtungsstrahlengang off-axial zu dem Bearbeitungsstrahl, mit anderen Worten schräg zum

Bearbeitungsstrahl, verläuft.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Synchronisationseinheit ausgebildet ist, wenigstens ein erstes Steuersignal zur zeitlich synchronisierten

Steuerung der Transmission des Filters und/oder der Aufnahmezeitpunkte der Kamera und/oder der Zeitpunkte von Helligkeitsänderungen der zusätzlichen Beleuchtungsquelle zu generieren. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Synchronisationseinheit mehrere Steuersignale, insbesondere jeweils wenigstens eines je zu steuerndem Element, erzeugt. Die Steuersignale können insbesondere zur zeitlichen

Synchronisation bzw. Steuerung des Filters, der Kamera und/oder der zusätzlichen Beleuchtungsquelle dienen. Die Steuersignale können auch zur Steuerung weiterer Einstellungen genutzt werden, beispielsweise zur Variation der Leistung der zusätzlichen Beleuchtungsquelle, zur

Helligkeitsregelung bzw. Empfindlichkeitsregelung der Kamera und dergleichen.

Dazu kann die Synchronisationseinheit als Rechnereinheit ausgebildet sein oder einen Teil einer Rechnereinheit, insbesondere der

Bildverarbeitungsrechnereinheit, bilden.

Es kann vorgesehen sein, dass die Beobachtungsvorrichtung eine

Echtzeit-Computerprogrammkomponente zur Generierung wenigstens eines Synchronisationssteuersignales aufweist. Vorteilhafterweise kann die Echtzeit-Computerprogrammkomponente in einem Speicherbereich der Rechnereinheit ausführbar abgespeichert sein. Dadurch ist es möglich, die Echtzeit-Computerprogrammkomponente auf der Rechnereinheit

auszuführen.

Die Echtzeit-Computerprogrammkomponente kann insbesondere

ausgebildet sein, das wenigstens eine Synchronisationssteuersignal zu generieren und an die Synchronisationseinheit zu liefern. Somit können auf einfache Weise zur synchronisierten Steuerung erforderliche

Steuerungsaufgaben realisiert werden.

Die Echtzeit-Computerprogrammkomponente kann dazu als eigenständige Echtzeit-Programmkomponente gestaltet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Rechnereinheit mit einem Echtzeit-Betriebssystem

ausgestattet ist, das die Echtzeit-Computerprogrammkomponente unter Echtzeitbedingungen ausführt. Durch die Ausgestaltung als Echtzeit- Computerprogrammkomponente kann in vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass die von der Synchronisationseinheit gebildeten Steuersignale entsprechend der jeweiligen Steueraufgabe nicht nur korrekt sondern auch rechtzeitig bereitgestellt werden können.

Die Synchronisationseinheit kann als Triggerboard ausgebildet sein. Das Triggerboard kann in besonders vorteilhaften Ausführungen durch von einem die aufgenommenen Bilder weiterverarbeitenden Framegrabber bzw. einem in diesem implementierten codierten Ablauf gesteuert werden. Der Framegrabber kann ebenfalls Teil der Rechnereinheit sein. Auch kann in alternativen Ausführungen vorgesehen sein, die Synchronisationseinheit auf einer eigenständigen Steuerplatine und/oder in der Kamera

auszubilden. Die Beobachtungsvorrichtung, vorzugsweise die Synchronisationseinheit und/oder die Echtzeit-Computerprogrammkomponente, kann ein

Verzögerungselement zur Verzögerung eines Steuersignals aufweisen. Das Verzögerungselement kann beispielsweise als Programmelement der Echtzeit-Computerprogrammkomponente gebildet sein. Auch kann das Verzögerungselement als elektronische Schaltung, vorzugsweise als Teil der Synchronisationseinheit, gebildet sein. Ist beispielsweise das

Steuersignal Impuls-basiert, so kann das Verzögerungselement die

Impulse des Steuersignals um eine vordefinierte Zeitdauer verzögern.

Durch das Verzögerungselement kann insbesondere eines der

Steuersignale der Synchronisationseinheit gegenüber einem der anderen Steuersignale der Synchronisationseinheit zeitlich verzögert bzw. versetzt werden. Insbesondere kann das Steuersignal, das die Kamera steuert, gegenüber einem Steuersignal, das den einstellbaren Filter und/oder die zusätzliche Beleuchtungsquelle steuert, um wenigstens die Zeitdauer verzögert werden, die der einstellbare Filter zur Einstellung eines nächsten Transmissionsgrades und/oder die zusätzliche Beleuchtungsquelle zur Einstellung einer nächsten Helligkeit benötigt. Somit können durch die vordefinierte Verzögerung die einzelnen Komponenten zueinander noch besser zeitlich abgestimmt werden. Insbesondere können auch sonstige durch die Komponenten verursachte Verzögerungen und/oder ein möglicher Jitter ausgeglichen werden.

Die Steuereinheit kann als separates Modul ausgebildet sein. Sie kann insbesondere an einem Bearbeitungskopf einer

Laserbearbeitungsmaschine, in einem Schaltschrank oder in der

Bildverarbeitungsrechnereinheit angeordnet sein. Alternativ kann die Steuereinheit auch in die Rechnereinheit bzw. die Synchronisationseinheit bzw. das Triggerboard und/oder in die Echtzeit- Computerprogrammkomponente integriert oder als weitere auf der

Rechnereinheit ausführbar installierbare Echtzeit- Computerprogrammkomponente ausgebildet sein.

Die Steuereinheit kann eine Schnittstelle zu weiteren

Bildverarbeitungseinheiten, zu weiteren Sensorik- und/oder zu weiteren Maschinensteuerungen aufweisen. Über diese Schnittstelle kann eine Parametrisierung und Ansteuerung des Filters erfolgen. Die

Parametrisierung kann dadurch besonders einfach erfolgen. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Parametrisierung manuell durch einen Bediener, automatisiert, über Softwarealgorithmen und/oder externe Schnittstellen angepasst werden kann.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Beobachtungsvorrichtung einen im Beobachtungsstrahlengang angeordneten spektralen Filter aufweist. Somit können beispielsweise kühlere und in der Regel dunklere Zonen mit niedriger Farbtemperatur schwächer und gleichzeitig heißere und somit in der Regel hellere Zonen mit höherer Farbtemperatur stärker gefiltert werden. Auch kann der spektrale Filter beispielsweise den einstellbaren Filter und/oder die Kamera vor Beschädigung durch von einem zu

bearbeitenden bzw. zu beobachtenden Werkstück ausgehender

Rückreflexion bzw. Abstrahlung von Wärmestrahlung schützen.

Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Beobachtungsvorrichtung ein im Beobachtungsstrahlengang angeordnetes Beobachtungsobjektiv aufweist, wobei der spektrale Filter zwischen dem Werkstück und dem

Beobachtungsobjektiv und der einstellbare Filter zwischen dem

Beobachtungsobjektiv und der Kamera angeordnet sein können.

Insbesondere kann der einstellbare Filter dicht vor der Kamera angeordnet werden. Des Weiteren fällt in den Bereich der Erfindung eine

Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einer Beobachtungsvorrichtung gemäß der Erfindung. Die

Laserbearbeitungsvorrichtung kann dabei als Laserschweißvorrichtung, als Laserschneidvorrichtung und/oder als Laserscanvorrichtung ausgebildet sein.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden

Beschreibung von Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen :

Fig. 1 eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer

Beobachtungsvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2a eine schematische Darstellung der aus einer gemäß der bis 2c Erfindung synchronisierten Steuerung einer Kamera, einem einstellbaren Filter und einer Beleuchtungsquelle

resultierenden Zeitverläufe und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines einstellbaren Filters mit drei auf unterschiedliche Transmissionsgrade eingestellten Bereichen. Die Figur 1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Laserbearbeitungsvorrichtung 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 ein Laserschweißgerät. Die

Laserbearbeitungsvorrichtung 1 weist einen Laser 2 auf, der ein

Werkstück 3 mittels eines Bearbeitungsstrahls 6 bearbeitet, d.h.

laserschweißt.

Der Laserschweißvorgang, allgemein der Laserbearbeitungsprozess, wird durch eine Beobachtungsvorrichtung 4 beobachtet bzw. überwacht. Die Beobachtungsvorrichtung 4 weist dazu eine Kamera 10 auf. Die Kamera 10 ist als Flächendetektor mit einem CMOS-basierten Fotosensorelement ausgebildet.

Entlang ihres Beobachtungsstrahlenganges 5 ist ein gesteuert einstellbarer bzw. zwischen verschiedenen Transmissionsgraden schaltbarer Filter 11 angeordnet. Der einstellbare bzw. schaltbare Filter 11 ist als

teiltransparentes LCD-Element ausgebildet. Er weist einen Spektralbereich von 400 bis 950 nm und eine freie Apertur von 20mm auf. In diesem Spektralbereich wirkt der Filter 11 als Neutraldichtefilter bzw. ist als solcher in diesem Spektralbereich ausgebildet. Durch den Filter 11 hindurchtretendes Licht wird somit entsprechend einem jeweils

eingestellten Transmissionsgrad weitgehend farbneutral geschwächt.

Als LCD-Element ausgebildet, erlaubt es der Filter 11, pixelweise durch geeignete elektrische Steuersignale angesteuert zu werden und somit unterschiedliche Bereiche seiner Filterfläche auf unterschiedliche

Transmissionsgrade einzustellen. Somit kann auf dem Filter 11 ein einstellbares Muster mit unterschiedlichen Transmissionsgraden erzeugt werden. Dabei beträgt das Transmissionseinstellverhältnis des Filters 11 mindestens 2: 1, beispielsweise 100: 1.

Mit seiner Filterfläche überdeckt der einstellbare Filter 11 das

Fotosensorelement der Kamera 10.

Entlang des Beobachtungsstrahlenganges 5 ist ein Objektiv 13 dem einstellbaren Filter 11 vorgelagert.

Wiederum dem Objektiv 13 entlang des Beobachtungsstrahlengangs 5 vorgelagert ist ein spektraler Filter 14. Der spektrale Filter 14 dient zur Vorfilterung des auf die Kamera 10 eintreffenden Lichtes. Auch dient der spektrale Filter 14 zum Schutz des einstellbaren Filters 11 und der Kamera 10 gegenüber zu intensiver Wärmestrahlung.

Ausgehend vom Laser 2 durchtritt ausgestrahltes Laserlicht 6 eine

Kollimationslinse 21 sowie einen Strahlteiler 22, um nachfolgend durch eine Fokussierlinse 23 auf einen Brennpunkt 24 am Werkstück 3 fokussiert zu werden.

Vom Werkstück 3 bzw. vom Brennpunkt 24 sowie von einer an den

Brennpunkt 24 angrenzenden Prozesszone ausgehende Strahlung gelangt wiederum durch die Fokussierlinse 23. Am Strahlteiler 22 wird die auf diesen koaxial auftreffende Strahlung in den Beobachtungsstrahlengang 5 der Beobachtungsvorrichtung 4 umgelenkt. Somit tritt die Strahlung durch den spektralen Filter 14, das Objektiv 13 und den einstellbaren Filter 11 und trifft auf die Kamera 10.

Um das Werkstück 3 außerhalb des Brennpunktes 24 zusätzlich zu beleuchten und dort ebenfalls beobachten zu können, ist ferner eine zusätzliche Beleuchtungsquelle 25 in Form einer Lichtschnitt-Beleuchtung off-axial, d. h. schräg zum Bearbeitungsstrahl 6, angeordnet. Außerdem ist eine weitere zusätzliche Beleuchtungsquelle 26 als Auflicht-Beleuchtung ringförmig um den Bearbeitungsstrahl 6 herum angeordnet.

Zum Schalten des Filters 11 zwischen verschiedenen Transmissionsgraden ist eine Synchronisationseinheit 15 über Steuerleitungen 16a, 16b, 16c, 16d mit den zusätzlichen Beleuchtungsquellen 25 und 26, einer

Ansteuerelektronik 12 sowie der Kamera 10 verbunden. Die

Ansteuerelektronik 12 ist über eine Steuerleitung 16e mit dem

einstellbaren Filter 11 verbunden.

Die Synchronisationseinheit 15 ist ausgebildet, mittels über die

Steuerleitung 16a, 16b, 16c und 16d übertragenen Steuersignalen die Kamera 10, die Ansteuerelektronik 12 sowie die zusätzlichen

Beleuchtungsquellen 25 und 26 synchronisiert anzusteuern.

Die Synchronisationseinheit 15 ist als Triggerboard einer

Bildverarbeitungsrechnereinheit 17 ausgebildet. In einem Speicherbereich der Bildverarbeitungsrechnereinheit 17 ist eine

Computerprogrammkomponente 18, die als Echtzeit- Computerprogrammkomponente ausgebildet ist, ausführbar

abgespeichert. Die Computerprogrammkomponente 18 ist eingerichtet, Synchronisationssteuersignale zu generieren und an die

Synchronisationseinheit 15 zu liefern. Dazu weist die

Computerprogrammkomponente 18 ein als Programmelement

ausgebildetes Verzögerungselement 19 auf. Das Verzögerungselement 19 verzögert Impulse eines als Impulsfolge ausgebildeten

Synchronisationssteuersignals für den Filter 11 um vordefinierte

Zeitspannen und bildet hieraus Synchronisationssteuersignale bzw. Impulsfolgen für die zusätzlichen Beleuchtungsquellen 25, 26 und die Kamera 10.

Die Synchronisationseinheit 15 wandelt diese

Synchronisationssteuersignale in auf die Kamera 10, die

Ansteuerelektronik 12 sowie die zusätzlichen Beleuchtungsquellen 25 und 26 angepasste elektrische Steuersignale um und überträgt diese über die Steuerleitungen 16a, 16b, 16c, 16d.

Die Ansteuerelektronik 12 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von dem über die Steuerleitung 16b empfangenen Steuersignal ein Ansteuersignal über die Steuerleitung 16e an den einstellbaren Filter 11 zu übertragen. Das Ansteuersignal ist dazu zweckmäßigerweise als Rechteckwechselspannung ausgebildet und wird zur Erzeugung eines gewünschten

Transmissionsgrads an den schaltbaren bzw. einstellbaren Filter 11 übertragen.

Mit der Ansteuerelektronik 12 des als LCD-Element ausgebildeten einstellbaren Filters 11 ist ferner eine Steuereinheit 20 über eine

Steuerleitung 16f verbunden, die die zur Ansteuerung eines pixelweisen Transmissionsmusters des Filters 11 notwendigen Steuersignale erzeugt. Verschiedene räumliche Transmissionsprofile des Filters 11 sind jeweils als Konfigurationsdatensatz in der Steuereinheit 20 gespeichert und werden durch die Bildverarbeitungsrechnereinheit 17 über eine Steuerleitung 16g, über die die Steuereinheit 20 mit der Bildverarbeitungseinheit 17

verbunden ist, ausgewählt. In einer alternativen Ausgestaltung können die Konfigurationsdatensätze auch durch einen Bediener (z.B. am

Steuerrechner des Gesamtsystems) oder durch ein Steuerprogramm der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 über eine entsprechende Schnittstelle ausgewählt werden. In Abhängigkeit von einer vordefinierten Messaufgabe legt ein Konfigurationsdatensatz die Position und Ausdehnung einzelner Transmissionsbereiche des Filters 11 sowie den dort einzustellenden

Transmissionsgrad fest. Außerdem kann ein Konfigurationsdatensatz auch Daten zu Beleuchtungsstärke und -zeit der Beleuchtungsquellen 25, 26 sowie zu Belichtungszeiten der Kamera 10 enthalten.

Anhand der Figuren 2a bis 2c sowie der Figur 3 werden nun das Verfahren gemäß der Erfindung sowie hieraus resultierende zeitliche Abfolgen näher erläutert.

Figur 2a zeigt dazu einen zeitlichen Verlauf der Transmission des

einstellbaren Filters 11 der Figur 1. Der Figur 2a sind Aufnahmezeitpunkte ai, a ₂ , a3 der Kamera 10 (Figur 1) zu entnehmen. Vor dem

Aufnahmezeitpunkt ai wird mit einem zeitlichen Vorlauf Afi ein

Transmissionsgrad b des Filters 11 eingestellt bzw. geschaltet, b beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 50%.

Mit einem zeitlichen Vorlauf Af ₂ zum darauffolgenden Aufnahmezeitpunkt a ₂ wird die Transmission des Filters 11 auf einen Transmissionsgrad a, in diesem Ausführungsbeispiel 10%, eingestellt bzw. geschaltet. Mit einem weiteren zeitlichen Vorlauf Af ₃ zum darauffolgenden Aufnahmezeitpunkt 33 wird dann die Transmission des Filters 11 auf einen Transmissionsgrad c, in diesem Fall 90%, eingestellt bzw. geschaltet. Die Vorlaufdauern Afi, Af ₂ , Af ₃ sind etwas länger als die Schaltzeit des Filters 11 gewählt, die in diesem Ausführungsbeispiel höchstens 5ms beträgt. Somit kann der Filter 11 sicher auf die gewünschte folgende Transmission umgeschaltet werden, bevor das nächste Bild aufgenommen wird.

Der Figur 2b sind nun zugehörige Belichtungszeiten der Kamera 10 zu entnehmen. Dazu sind jeweils Phasen 33, 34, 35 markiert, in denen die Kamera 10 ein Bild aufnimmt bzw. das Fotosensorelement der Kamera 10 belichtet wird.

Zu erkennen ist, dass beginnend mit Aufnahmezeitpunkt ai die Kamera 10 mit einer Belichtungsdauer Aki, zum Aufnahmezeitpunkt a ₂ mit einer Belichtungsdauer Ak ₂ und zum Aufnahmezeitpunkt 33 mit einer

Belichtungsdauer Ak ₃ belichtet wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist die kürzeste Belichtungsdauer durch Ak ₂ gegeben und die längste

Belichtungsdauer durch Aki.

Der Figur 2c sind Helligkeitsänderungen der zusätzlichen

Beleuchtungsquellen 25 und 26 (Figur 1) zu entnehmen. Zu erkennen ist, dass zum Aufnahmezeitpunkt ai die zusätzliche Beleuchtungsquelle 25 mit der Helligkeit e und zum Aufnahmezeitpunkt 33 die zusätzliche

Beleuchtungsquelle 26 mit der Helligkeit d eingeschaltet ist. Zum

Aufnahmezeitpunkt a ₂ sind die zusätzlichen Beleuchtungsquellen 25, 26 ausgeschaltet. Die Helligkeitsänderungen bzw. -einstellungen erfolgen mit einem zeitlichen Vorlauf Abi zum Aufnahmezeitpunkt ai, Ab ₂ zum

Aufnahmezeitpunkt a ₂ bzw. Ab ₃ zum Aufnahmezeitpunkt 33. Auch diese zeitlichen Vorläufe Abi, Ab ₂ , Ab ₃ sind abgestimmt und etwas länger gewählt als die jeweiligen Einstelldauern der zusätzlichen

Beleuchtungsquellen 25, 26.

Zu erkennen ist ferner, dass zum Aufnahmezeitpunkt ai die Helligkeit der zusätzlichen Beleuchtungsquelle 25 (Laserlinie für Lichtschnitt) auf einen Maximalwert e eingestellt ist, wohingegen zum Aufnahmezeitpunkt a ₃ die Helligkeit der Beleuchtungsquelle 26 (Auflichtbeleuchtung)auf einen geringeren Helligkeitswert d eingestellt ist. Somit erfolgen die Einstellungen der Transmission des Filters 11 sowie die Helligkeitsänderungen der Beleuchtungsquellen 25, 26 synchronisiert zu Aufnahmezeitpunkten ai, a ₂ , a ₃ der Kamera 10. Beispielsweise anhand des Aufnahmezeitpunkts 33 ist auch zu erkennen, dass zunächst die

Transmission des Filters 11 eingestellt wird, dann die Beleuchtungsquellen 25, 26 ein- oder ausgeschaltet werden und sodann ein Bild durch die Kamera 10 aufgenommen wird.

Die zeitlichen Abstände zwischen den Aufnahmezeitpunkten ai, a ₂ , 33 entsprechen im Übrigen in diesem Ausführungsbeispiel dem Kehrwert der Bildwiederholrate bzw. der Bildwechseldauer der Kamera 10.

Die zeitliche Steuerung des Filters 11 sowie die zeitliche Steuerung der zusätzlichen Beleuchtungsquellen 25, 26 sind der jeweiligen

Aufnahmeaufgabe angepasst ausgestaltet. Die Aufnahme zum

Aufnahmezeitpunkt ai dient beispielsweise zur Nahtqualitätskontrolle mit Hilfe einer Lichtschnittmessung. Die Aufnahme zum Aufnahmezeitpunkt a ₂ dient zur Überwachung des Laserbrennpunktes 24 (Figur 1). Die

Aufnahme zum Aufnahmezeitpunkt 33 dient beispielsweise zur

Nahtlageregelung durch Erkennung der Fügestelle mit Hilfe einer

Auflichtbeleuchtung.

Daher ist den Figuren 2a bis 2c auch zu entnehmen, dass zum

Aufnahmezeitpunkt ai das Werkstück 3 (Figur 1) mit einer hohen

Intensität zusätzlich beleuchtet wird, wobei der Filter 11 auf den mittleren Transmissionsgrad b eingestellt ist.

Zum Aufnahmezeitpunkt a ₂ erfolgt eine Aufnahme der Strahlung an der Position des Brennpunkts 24, die stark abgeschwächt werden muss. Zur Nahtlageregelung wird das Werkstück 3 am Aufnahmezeitpunkt 33 mit Auflicht aus der zusätzlichen Beleuchtungsquelle 26 beleuchtet. Zur sicheren Erkennung beispielsweise einer Fügestelle wird eine hohe

Lichtintensität auf dem Fotosensorelement der Kamera 10 benötigt. Daher wird das Bild durch den Filter 1 1 mit dem vergleichsweise hohen

Transmissionsgrad c nur geringfügig abgeschwächt und von der Kamera 10 aufgenommen .

Die Bildaufnahmen zu den Zeitpunkten ai, a ₂ und 33 werden während des Laserschweißprozesses fortlaufend nacheinander wiederholt.

Der Figur 3 ist nun eine weitere Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung zu entnehmen. Dazu sind in der Figur 3 eine schematische Frontansicht der Kamera 10 sowie des der Kamera 10 vorgelagerten Filters 1 1 abgebildet.

Zu erkennen ist, dass in dieser Variante die Transmission des Filters 1 1 in den Bereichen I, II und III auf unterschiedliche Transmissionsgrade b\ a\ c' eingestellt wird . Auch in dieser Verfahrensvariante ist der kleinste Transmissionsgrad durch a' und der größte Transmissionsgrad durch c' gegeben.

Zu erkennen sind Messfenster 30, 31 und 32, d . h . Bereiche des

Kamerabilds der Kamera 10, die zur Prozessüberwachung ausgewertet werden. Vor den Messfenstern 30, 31 , 32 sind jeweils unterschiedliche Transmissionsgrade in den unterschiedlichen Bereichen I, II und III des Filters 1 1 eingestellt. Das Messfenster 30 des Zustands I ist zur Nahtqualitätskontrolle

ausgebildet. Der Transmissionsgrad b' des Filters 11 ist beispielsweise auf einen Wert von 50% eingestellt.

Das Messfenster 31 des Bereichs II ist zur Überwachung des

Laserbrennpunktes 24 ausgebildet. Der Transmissionsgrad a' des Filters 11 ist beispielsweise auf einen Wert von 10% eingestellt. .

Das Messfenster 32 des Bereichs III ist zur Nahtlageregelung ausgebildet. Der Transmissionsgrad c' des Filters 11 ist beispielsweise auf einen Wert von 90% eingestellt.

Die Bildaufnahme erfolgt in dieser Verfahrens Variante für alle Messfenster zeitgleich. Angepasst an die Mess- bzw. Beobachtungsaufgabe und an die Parameter des zu beobachtenden Prozesses können die

Transmissionsgrade a b c' bedarfsweise gesteuert und flexibel zwischen zwei Messungen verändert werden.