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.