Scanfeld korrektursystem

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Scanfeldkorrektur mindestens einer Laserscannervorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Laserscannervorrichtung gemäß Anspruch 10, ein Streumusterelement gemäß Anspruch 15, eine Streumusterelementhaltevorrichtung gemäß Anspruch 19 sowie ein Scanfeldkorrektursystem gemäß Anspruch 23.

Herkömmliche Scanmodule bzw. Laserscannervorrichtungen können innerhalb eines bestimmten Arbeitsvolumens den Laserspot in alle drei Raumrichtungen mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit positionieren. Die dazu erforderliche Strahlablenkung in x- und y-Richtung erfolgt in der Regel über zwei Ablenkspiegel, während die Fokussierung in z-Richtung meist durch Verschiebung der Optik oder auch durch Veränderung der Einstellparameter eines Varioobjektivs vorgenommen wird.

Beide mechanischen Bewegungsabläufe sind aus Design- sowie aus Toleranzgründen nichtlinear in den Raumkoordinaten x, y, z und würden folglich bei einer linearen Ansteuerung zu Verzeichnungsfehlern in einer gewünschten Trajektorie führen. Eine Ansteuerungssoftware muss deshalb entsprechend vorkorrigiert werden, um den Laserstrahl geometrisch korrekt, das heißt verzeichnungsfrei zu führen.

Aufgrund einer hohen Genauigkeitsanforderung kann eine entsprechende Vorverzerrungsfunktion für eine Scanfeldkorrektur nur experimentell bestimmt werden. Eine derartige Vorverzerrungsfunktion für eine Scanfeldkorrektur muss für jede Laserscannervorrichtung separat und manuell bestimmt werden. Dazu werden in verschiedenen Schritten Muster mit dem Bearbeitungslaser in Papier oder Metall aufgetragen und zeitaufwändig ausgemessen.

Abhängig von einer jeweiligen Anforderung der einzelnen Laserscannervorrichtung erfolgt das Ausmessen per Auge oder mit externen Messmaschinen wie beispielsweise einer Koordinatenmessmaschine. Die herkömmlichen Methoden sind daher vergleichsweise ungenau (Ausmessen per Auge) oder extrem zeitaufwendig (Koordinatenmessmaschine).

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, auf einfache und reproduzierbare Weise eine hochpräzise Scanfeldkorrektur einer Laserscannervorrichtung durchzuführen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine weiterentwickelte Laserscannervorrichtung mit scanfeldkorrigierbarer Ablenkeinheit zur Verfügung zu stellen.

Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Streumusterelement zur Verfügung zu stellen, mittels dessen insbesondere ein weiterentwickeltes Verfahren für die Scanfeld korrektur einer Laserscannervorrichtung besonders vorteilhaft durchführbar ist.

Außerdem ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Streumusterhaltevorrichtung anzugeben, die besonders gut zur Fixierung eines Streumusterelements, insbesondere eines erfindungsgemäßen Streumusterelements, geeignet ist, sodass vorzugsweise ein Verfahren für die Scanfeldkorrektur einer Laserscannervorrichtung besonders vorteilhaft durchführbar ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiterentwickeltes Scanfeldkorrektursystem anzugeben.

Die Aufgabe wird im Hinblick auf ein Verfahren für eine Scanfeldkorrektur mindestens einer Laserscannervorrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 1, im Hinblick auf eine Laserscannervorrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 10, im Hinblick auf ein Streumusterelement durch den Gegenstand des Anspruchs 15, im Hinblick auf eine Streumusterelementhaltevorrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 19 sowie im Hinblick auf ein Scanfeldkorrektursystem durch den Gegenstand des Anspruchs 23 gelöst.

Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren für eine Scanfeldkorrektur mindestens einer Laserscannervorrichtung, gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bereitstellen eines Streumusterelements auf einer Bearbeitungsebene, wobei das Streumusterelement mindestens einen Streubereich aufweist, der in einem Streumuster angeordnet ist;

Überfahren bzw. Abtasten, insbesondere Überfahren oder Abtasten, besonderes bevorzugt Überfahren und/oder Abtasten, zumindest eines Teils des Streumusterelements auf der Bearbeitungsebene mit einem Laserstrahl der mindestens einen Laserscannervorrichtung entlang von Scannerkoordinaten, wobei der Laserstrahl zwischen einer Ablenkeinheit und der Bearbeitungsebene durch mindestens ein Fenster, vorzugsweise mindestens ein Schutzglas, hindurchtritt;

Detektieren von Streustrahlung, die durch Streuung und/oder Reflexion des Laserstrahls beim Überfahren bzw. Abtasten, insbesondere beim Überfahren oder Abtasten, besonderes bevorzugt beim Überfahren und/oder Abtasten, des mindestens einen Streubereiches erzeugbar ist;

Erstellen eines Konturdiagramms durch eine Korrelation der detektierten Streustrahlung mit den Scannerkoordinaten;

Vergleichen des Konturdiagramms mit einer Referenzabbildung des Streumusters und Bestimmen einer Abweichung des Konturdiagramms von der Referenzabbildung des Streumusters;

Berechnen einer Kalibrierfunktion für eine kalibrierte Steuerung der Ablenkeinheit anhand der bestimmten Abweichung.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass eine Kalibrierfunktion bzw. eine Vorverzerrungsfunktion einer operativen, also in eine (Laser- )Bearbeitungsmaschine bereits eingebaute, Laserscannervorrichtung vom Betreiber bei Bedarf (oder in regelmäßigen Abständen) überprüft und gegebenenfalls angepasst werden kann. Gründe hierfür sind zum Beispiel ein Wechsel von Komponenten wie der Laserquelle, der Photodioden, der Aus- und Wiedereinbau weiterer optischer Komponenten (z.B. zu Reinigungszwecken), aber auch die routinemäßige Überprüfung nach einer gewissen Anzahl von Betriebsstunden. Im Betrieb durch thermische oder mechanische Belastungen wie Schock oder Vibrationen verursachte Dejustierungen können so erkannt und kompensiert werden.

So kann ein minimaler Aufwand für den Nutzer bei hoher Präzision der Scanfeldkorrektur erreicht werden. Das notwendige Messequipment (hier: das Streumusterelement) soll einfach auf der Bearbeitungsebene platziert, die erforderlichen Messungen ohne weiteren Input des Bedieners durchgeführt und ausgewertet und die Kalibrierfunktion für die Scanfeldkorrektur vollautomatisch anhand des Konturdiagramms berechnet werden können.

Unter einem Konturdiagramm wird vorzugsweise ein Intensität(profil)plot verstanden. Wobei die Amplitude des Konturdiagramms einer Amplitude des Photodiodensignals (oder der integrierten Photodiodensignale) beispielsweise in „counts" angegeben wird, oder die Amplitude auf 1 normiert (normiert auf das höchste Photodiodensignal) ist.

Insbesondere ist hierbei auch ein weiterer Gedanke der Erfindung, die Kalibrierung mit dem (Bearbeitungs-)Laser bzw. (Bearbeitungs-)Laserstrahl selbst und nicht mit einem (separaten) Kalibrierlaser durchzuführen. Derart kann die Genauigkeit erhöht werden, da bei einem Einsatz von Kalibrierlasern üblicherweise ein Versatz zum dem eigentlichen Laserstrahl besteht und die Kalibrierung nicht unter „Normalbedingungen" erfolgt. Hierdurch kann beispielsweise die bei der Bearbeitung im optischen System der Scanvorrichtung entstehende Wärme (durch hohe Laserleistung) direkt bei der Kalibrierung berücksichtigt werden. So wird das Kalibrieren bzw. die Scanfeldkorrektur weitgehend invariant von äußeren Einflüssen.

In einer Ausführungsform kann sich ein Teil der Streustrahlung über Reflexion(en) und/oder Streuung zwischen einer Fensteroberseite und einer Fensterunterseite innerhalb des Fensters zu mindestens einem Abschnitt eines Fensterrands des Fensters hin ausbreiten, derart, dass die Streustrahlung aus dem Fensterrand des Fensters austritt und dort detektierbar ist.

Eine Reflexion an dem Fenster und/oder die Transmission des Lichts durch das Fenster und/oder die Mehrfachreflexion an einer Fensterober- und Unterseite ist/sind eine kostengünstige und einfache Möglichkeit den intensiven Laserstrahl abzuschwächen, um entsprechende Detektoren, mit denen das Licht detektiert wird, nicht zu sättigen. Weiterhin lässt sich die Anordnung besonders platzsparend realisieren.

Zudem kann auf diese Weise viel Streulicht gesammelt werden, da die gesamte Apertur ausgenutzt wird. Derart wird es ermöglicht, die Streustrahlung (des Streumusterelements) nicht nur aus dem direkten Sichtfeld einer Photodiode zu sammeln, sondern über Reflexionen und/oder Streuungen innerhalb des Fensters auch auf indirektem Weg zu detektieren. So werden das Verfahren bzw. die Lichtdetektion weitestgehend richtungsunabhängig durchführbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Detektieren der Streustrahlung an mindestens einem Abschnitt eines/des Fensterrands des Fensters.

Auf diese Weise lassen sich die Detektoren dauerhaft anordnen und müssen beispielsweise nicht nach einer Kalibrierung entfernt werden.

In einer Ausführungsform erfolgt das Detektieren der Streustrahlung mit mindestens einer Photodiode, vorzugsweise mit zwei, weiter vorzugsweise mit mindestens drei, Photodiode(n), wobei mehrere Photodioden vorzugsweise äquidistant verteilt sind.

Mit anderen Worten können die Photodioden derart entlang des Umfangs eines Fensters angeordnet sein, dass die Photodioden jeweils im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind.

Photodioden sind kostengünstig zu erwerben und einfach auslesbar. Die Verwendung von mehreren Photodioden ermöglicht die Erstellung eines homogenen Konturdiagramms, insbesondere wenn die Photodioden äquidistant angeordnet sind. Je mehr Photodioden verwendet werden, desto größer ist das Sichtfeld/Detektionsfeld. Mit einer zunehmenden Anzahl von Photodioden ist es zur Erstellung eines homogenen Konturdiagramms zunehmend weniger ausschlaggebend woher das Streulicht kommt. In einer Ausführungsform ist eine Amplitude des Konturdiagramms im Wesentlichen proportional zu der detektierten Streustrahlung.

Dadurch wird eine optimale und reproduzierbare Datenauswertung ermöglicht, da das Konturdiagramm ein entsprechend hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. Derart lässt sich die Kalibrierfunktion präzise bestimmen. Ein weiterer Vorteil besteht daher in einer Interpolations- und/oder Fitgenauigkeit. Derart lässt sich auch ein Rechenaufwand und eine Rechenzeit optimieren.

In einer Ausführungsform umfasst das Konturdiagramm eine Streumusterabbildung, die einer verzerrten Darstellung des Streumusters des Streumusterelements entspricht, derart, dass das Konturdiagramm mehrere Streubereichabbildungen aufweist, die den vorzugsweise mehreren Streubereichen des Streumusterelements zuordenbar sind, insbesondere eindeutig zuordenbar sind.

Durch die geometrische, vorzugsweise eindeutige, Zuordenbarkeit kann auf einfache Art und Weise zuverlässig eine Orientierung oder Identifizierung des Streumusterelements oder zumindest eines Teilbereichs des Streumusterelements ermittelt werden. Eine eindeutige und leicht zu identifizierende Zuordenbarkeit kann so Rechenaufwand und Rechenzeit einsparen, um den Kalibriervorgang zu beschleunigen. Dies ist insbesondere auch dann relevant, wenn zwei oder mehrere Laserscannervorrichtungen, insbesondere aufeinander bzw. relativ zueinander, kalibriert werden, beispielsweise unter Verwendung eines (einzigen bzw. gemeinsamen) Streumusterelements auf einer (gemeinsamen) Bearbeitungsebene.

In einer Ausführungsform umfasst der Schritt zum Bestimmen der Abweichung des Konturdiagramms von dem Streumuster einen Schritt zum, vorzugsweise teilweisen, Fitten und/oder Interpolieren des Konturdiagramms.

Dadurch wird es ermöglicht, das Verfahren mittels einer Recheneinheit und mittels entsprechender Instruktionen zur Ausführung der Verfahrensschritte zu automatisieren. Die Präzision der Kalibrierung kann dadurch optimiert werden. Durch lediglich teilweises Fitten und/oder Interpolieren (beispielsweise nur von relevanten oder besonders kontrastreichen Teilen des Konturdiagramms) kann die Rechenzeit weiter verkürzt werden. In einer Ausführungsform umfasst der Schritt zum Bestimmen der Abweichung des Konturdiagramms von dem Streumuster einen Schritt zum Bestimmen von Konturdiagrammreferenzpunkten, insbesondere von Schwerpunkten und/oder Mittelpunkten und/oder Formverzerrungen, von mehreren Streubereichabbildungen des Konturdiagramms.

Durch das Bestimmen von Konturdiagrammreferenzpunkten kann eine Datenauswertung weiter optimiert werden. Spezielle (Streu-)Bereiche können leicht, also in vergleichsweise wenigen Schritten oder mit vergleichsweise geringem Rechenaufwand oder in vergleichsweise kurzer Rechenzeit, gefittet/interpoliert werden. Beispielsweise sind Kreise oder Kreismittelpunkte vergleichsweise wenig anfällig hinsichtlich verrauschter Kanten. So kann die Datenauswertung beschleunigt und die Präzision erhöht werden.

In einer Ausführungsform umfasst der Schritt zum Bestimmen der Abweichung des Konturdiagramms von dem Streumuster einen Schritt zum Bestimmen einer Abweichung und/oder Formverzerrungen von Konturdiagrammreferenzpunkten zu entsprechenden Referenzpunkten des Referenzabbilds des Streumusters.

Durch das Bestimmen von Referenzpunkten des Referenzabbilds des Streumusters kann eine Datenauswertung weiter optimiert werden. Spezielle (Streu-)Bereiche können leicht, also in vergleichsweise wenigen Schritten oder mit vergleichsweise geringem Rechenaufwand oder in vergleichsweise kurzer Rechenzeit, gefittet/interpoliert werden. Beispielsweise sind Kreise oder Kreismittelpunkte vergleichsweise wenig anfällig hinsichtlich verrauschter Kanten. So kann die Datenauswertung beschleunigt und die Präzision erhöht werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenso durch eine Laserscannervorrichtung mit scanfeldkorrigierbarer Ablenkeinheit gelöst, wobei die Laserscannervorrichtung Folgendes aufweist: mindestens eine Ablenkeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Bearbeitungsfeld mit einem Laserstrahl, entlang von vorab bestimmten Scannerkoordinaten, abzufahren bzw. abzutasten, insbesondere abzufahren oder abzutasten, besonders bevorzugt abzufahren und/oder abzutasten; wobei ein Streumusterelement auf der Bearbeitungsebene anordenbar ist, wobei das Streumusterelement mindestens einen Streubereich aufweist, der in einem Streumuster angeordnet ist; mindestens ein Fenster, vorzugsweise mindestens ein Schutzglas, das zwischen der Ablenkeinheit und dem Bearbeitungsfeld angeordnet ist; mindestens eine Photodiode, die dazu ausgebildet ist, Streustrahlung, die durch Streuung und/oder Reflexion des Laserstrahls beim Überfahren des Streubereiches des Streumusterelements erzeugbar ist, zu detektieren; eine Recheneinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Konturdiagramm durch eine Korrelation der detektierten Streustrahlung mit den Scannerkoordinaten zu erstellen und eine Kalibrierfunktion für eine kalibrierte Steuerung der Ablenkeinheit anhand einer Abweichung des Konturdiagramms von einer Referenzabbildung des Streumusters zu berechnen.

Hieraus ergeben sich die selben Vorteile wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden. Mittels der Recheneinheit kann eine Datenauswertung des Konturdiagramms durch Fitten und/oder Interpolieren und/oder Kontrastverstärkung und/oder Threshold-Analyse und weitere Bildverarbeitungsschritte durchgeführt werden.

In einer Ausführungsform sind zwei, vorzugsweise mindestens drei, Photodioden, an einem Abschnitt des Fensterrands des Fensters angeordnet.

Photodioden sind kostengünstig zu erwerben und einfach auslesbar. Die Verwendung von mehreren Photodioden ermöglicht die Erstellung eines homogenen Konturdiagramms, insbesondere wenn die Photodioden äquidistant angeordnet sind. Je mehr Photodioden verwendet werden, desto größer ist das Sichtfeld/Detektionsfeld. Mit einer zunehmenden Anzahl von Photodioden ist es zur Erstellung eines homogenen Konturdiagramms zunehmend weniger ausschlaggebend woher das Streulicht kommt.

In einer Ausführungsform ist/sind die mindestens eine Photodiode, vorzugsweise zwei, weiter vorzugsweise mindestens drei, Photodioden dazu ausgebildet und/oder derart angeordnet, einen Teil der Streustrahlung, der sich über Reflexionen oder Streuung zwischen einer Fensteroberseite und einer Fensterunterseite innerhalb des Fensters zu einem Abschnitt des Fensterrands des Fensters hin ausbreitet, zu detektieren.

Eine Reflexion oder Streuung an dem Fenster und/oder die Transmission des Lichts durch das Fenster und/oder die Mehrfachreflexion an einer Fensterober und Unterseite ist/sind eine kostengünstige und einfache Möglichkeit den intensiven Laserstrahl abzuschwächen, um entsprechende Detektoren, mit denen das Licht detektiert wird, nicht zu sättigen.

Weiterhin lässt sich die Anordnung besonders platzsparend realisieren. Zudem kann auf diese Weise viel Streulicht gesammelt werden, da die gesamte Apertur ausgenutzt wird. Derart wird es ermöglicht, die Streustrahlung (des Streumusterelements) nicht nur aus dem direkten Sichtfeld einer Photodiode zu sammeln, sondern über Reflexionen und/oder Streuungen innerhalb des Fensters auch auf indirektem Weg zu detektieren. So werden das Verfahren bzw. die Lichtdetektion weitestgehend richtungsunabhängig durchführbar.

In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Photodiode dazu ausgebildet, ein Messsignal an die Recheneinheit auszugeben, das im Wesentlichen proportional zu der detektierten Streustrahlung ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Amplitude des Konturdiagramms proportional zu der detektierten Streustrahlung bzw. zu dem Messsignal der mindestens einen Photodiode.

Dadurch wird eine optimale und reproduzierbare Datenauswertung des Konturdiagramms ermöglicht, da das Konturdiagramm ein entsprechend hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. Derart lässt sich die Kalibrierfunktion präzise bestimmen. Ein weiterer Vorteil besteht in einer Interpolations- und/oder Fitgenauigkeit. Derart lässt sich auch ein Rechenaufwand und eine Rechenzeit optimieren.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenso durch ein Streumusterelement für eine Scanfeldkorrektur einer Laserscannervorrichtung, insbesondere nach einem Verfahren wie zuvor beschrieben und/oder insbesondere für eine Laserscannervorrichtung wie zuvor beschrieben, gelöst.

Das Streumusterelement ist plattenförmig, vorzugsweise aus Glas oder Glaskeramik, insbesondere Fused Silica oder Zerodur ^® oder Borofloat, ausgebildet, und weist ein Streumuster auf, wobei das Streumuster mehrere Streubereiche umfasst, wobei die Streubereiche als aufgeraute und/oder eine bedruckte Oberflächenbereiche und/oder Löcher des Streumusterelements oder innerhalb des Volumens des Streumusterelements ausgebildet sind, wobei die Streubereiche derart in dem Streumuster angeordnet sind, dass eine Abbildung des Streumusters oder eines Teils davon in jeder Drehung oder Formverzerrung oder Spiegelung oder Skalierung oder Translation eindeutig identifizierbar ist.

Ein wesentlicher Gedanke im Hinblick auf das Streumusterelement ist es ein „Target" zu bereitzustellen, welches selbst bei Bestrahlung mit hoher Laserleistung nicht zerstört wird. So wird ermöglicht, dass die Laserscannervorrichtung direkt mit dem (Bearbeitungs-)Laserstrahl kalibriert werden kann. Es ist in vorteilhafter Weise möglich, auf einen separaten Kalibrierlaser zu verzichten.

Aufgrund der hohen Laserleistung/-intensität (beispielsweise > 50 W oder >100W, beispielsweise CW oder gepulst, beispielsweise NIR, Fokusgröße (auf Streumusterelement) beispielsweise ca. 40pm) und einer Zielgenauigkeit ist dies nicht ohne Weiteres für jedes Material möglich.

Sowohl statische Fehler des Streumusterelements, wie z. B. „Durchbiegung" aufgrund Eigengewichts, Ebenheit, Positionier- und Fertigungsgenauigkeit der Streubereiche, etc., als auch dynamische Fehler, wie z. B. die thermische Ausdehnung während des Messprozesses, müssen minimiert und/oder in der nachfolgenden Datenauswertung des Konturdiagramms berücksichtigt werden.

In einer Ausführungsform umfassen die Streubereiche eine erste Anordnung von ersten Markerbereichen, vorzugsweise im Wesentlichen kreisförmigen ersten Markerbereichen, wobei jeder der ersten Markerbereiche von einer Vielzahl von zweiten Markerbereichen, vorzugsweise im Wesentlichen kreisförmigen zweiten Markerbereichen, in einer zweiten Anordnung umgeben ist.

Dadurch kann die Bilderkennung/Bildverarbeitung bzw. die Datenverarbeitung optimiert werden. Beispielsweise kann ein Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Anordnung so gewählt werden, dass das Muster im Konturdiagramm effizient zu identifizieren bzw. zu fitten ist. Insgesamt wird so auch ein leicht herzustellendes Streumusterelement erhalten, das auf Grund seines Streumusters die Datenverarbeitung erleichtert. Derart kann die Kalibrierung schnell und präzise erfolgen.

In einer Ausführungsform unterscheidet sich die zweite Anordnung der Vielzahl von zweiten Markerbereichen für mindestens zwei, vorzugsweise für mindestens drei, weiter vorzugsweise für jeden, der ersten Markerbereiche, insbesondere in einer Winkelanordnung und/oder einer Anzahl der zweiten Markerbereiche.

Dadurch kann das Streumuster bzw. eine Orientierung des Streumusters, insbesondere das Streumuster oder eine Orientierung des Streumusters, besonderes bevorzugt das Streumuster und/oder eine Orientierung des Streumusters, mittels des Konturdiagramms erfasst werden.

In einer Ausführungsform umfassen die Streubereiche mehrere Vielecke, vorzugsweise Rechtecke, wobei die Vielecke unterschiedliche Größen aufweisen und/oder mehrere, insbesondere alle, Vielecke einen, vorzugsweise individuellen, Markerfortsatz, aufweisen.

Auf diese Weise kann die Orientierung des Streumusters mittels des Konturdiagramms effizient detektiert werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenso durch eine Streumusterelementhaltevorrichtung zur Halterung eins Streumusterelements, insbesondere wie zuvor beschrieben, gelöst, um das Streumusterelement auf einer Bearbeitungsebene einer Laserscannervorrichtung, insbesondere einer Laserscannervorrichtung wie zuvor beschrieben, bereitzustellen, wobei die Streumusterelementhaltevorrichtung Folgendes aufweist: eine Grundfläche sowie eine die Grundfläche umlaufende Seitenwandung, derart, dass die Streumusterelementhaltevorrichtung einen Hohlraum ausbildet, wobei die Seitenwandung an einem oberen Ende derart ausgebildet ist, dass das Streumusterelement an dem oberen Ende fixiert lagerbar ist, derart, dass Licht der Laserscannervorrichtung durch das Streumusterelement in den Hohlraum einstrahlbar ist; mindestens einen Ablenkkonus, der auf der Grundfläche angeordnet ist, wobei der Ablenkkonus derart ausgebildet und/oder derart angeordnet ist, auf den Ablenkkonus auftreffendes Licht zu absorbieren und/oder in Richtung einer Innenseite der Seitenwandung abzulenken, wobei die Innenseite der Seitenwandung derart ausgebildet ist, auf die Innenseite der Seitenwandung auftreffendes Licht zu absorbieren.

Die Geschwindigkeit und die Präzision des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Berechnung einer Kalibrierfunktion für eine kalibrierte Steuerung der Ablenkeinheit wird u.a. vom erzielbaren Kontrast bestimmt. Der Kontrast wird durch die, ggf. unterschiedliche, Oberflächenrauigkeit des Streumusterelements und die damit verbundene Rückstreuung der Laserstrahlung in Richtung der Photodioden bestimmt. Abhängig von einem Material des Streumusterelements werden jedoch etwa 90% bis nahezu 100% der Leistung des Laserlichts durch das Streumusterelement hindurch transmittiert. Versuche haben gezeigt, dass in den Streubereichen etwa 10% weniger Licht transmittiert wird. Es ist daher für den Kontrast und das thermische Management entscheidend, wie diese Leistung aufgefangen wird. Daher wird erfindungsgemäß das Licht nach dem Streumusterelement an den Innenwänden des Hohlraums der Streumusterelementhaltevorrichtung absorbiert.

In einer Ausführungsform weist die Innenseite der Seitenwandung und/oder der Ablenkkonus eine Vielzahl an Absorberlamellen auf. Vorzugsweise sind die Absorberlamellen als im Querschnitt dreiecksförmige Elemente ausgebildet. Es ist möglich, dass die Absorberlamellen eine Pyramidenform aufweisen.

Dadurch wird ermöglicht, dass das Licht effizient absorbiert wird. Damit wird der Kontrast des Konturdiagramms weiter erhöht und somit eine Rechenzeit verkürzt und die Präzision der Kalibrierfunktion erhöht.

In einer Ausführungsform ist das obere Ende der Seitenwandung derart ausgebildet, dass das Streumusterelement schwebend lagerbar ist. Als eine schwebende Lagerung ist eine derartige Lagerung des Streumusterelements zu verstehen, wonach das Streumusterelement auf der Unterseite nicht vollständig auf einem Befestigungsabschnitt aufliegt. Zwischen dem Streumusterelement und dem Ablenkkonus ist vorzugsweise ein Abstand ausgebildet.

Vorzugsweise ist das obere Ende der Seitenwandung absatzartig ausgebildet, dass das Streumusterelement auf diesem Absatz aufgelegt werden kann.

Die Seitenwandung am oberen Ende beispielsweise eine Fase oder eine Einlegenut aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass die Seitenwandung drei oder vier Auflagevorsprünge, beispielsweise jeweils ein Auflagevorsprung auf einer Seite der Seitenwandung, zum Auflegen des Streumusterelements 30 aufweist.

Wobei entsprechende Fasen, Einlegenuten oder Auflagevorsprünge ggf. vertieft (vom oberen Ende aus gesehen) ausgebildet sein können, derart, dass das Streumusterelement so eingebracht werden kann, dass die Seitenwandung am oberen Ende 44 das Streumusterelement gegen (ungewollte) Bewegungen positionsstabilisiert bzw. fixiert.

Dadurch wird ermöglicht, das Streumusterelement thermisch und mechanisch von der Streumusterelementhalterung zu entkoppeln, sodass eine thermische Expansion der Streumusterelementhalterung keinen Einfluss auf das Streumusterelement hat bzw. haben kann.

In einer Ausführungsform bedeckt eine Ablenkkonusgrundfläche im Wesentlichen die gesamte Grundfläche und/oder eine Höhe des Ablenkkonus entspricht mindestens der halben Höhe der Seitenwandung, vorzugsweise mindestens 80% der Höhe der Seitenwandung.

Auf diese Art kann das Licht aus verschiedenen Auftreffrichtungen effizient an die Innenwände geleitet werden, wo es absorbiert werden kann. Dadurch wird der Kontrast weiter verbessert.

Um ein Streumusterelement an mehreren Positionen anordnen zu können, kann das Streumusterelement vorzugsweise verschiebbar gelagert sein. Es ist möglich, dass beispielsweise eine Streumusterelementhaltevorrichtung in einer XY-Ebene verschiebbar gelagert ist.

Um ein Streumusterelement und/oder eine Streumusterelementhaltevorrichtung verschiebbar zu lagern kann beispielsweise eine Anordnung auf einem Kreuztisch bzw. XY-Tisch vorgesehen sein.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenso durch ein Scanfeld korrektursystem gelöst, wobei das Scanfeld korrektursystem mindestens eine Laserscannervorrichtung wie zuvor beschrieben, sowie mindestens ein Streumusterelement für eine Scanfeldkorrektur, wie zuvor beschrieben, und vorzugsweise mindestens eine Streumusterelementhaltevorrichtung, wie zuvor beschrieben, umfasst.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Laserscannervorrichtung und des erfindungsgemäßen Streumusterelements beschriebenen Merkmale und Vorteile auch auf das erfindungsgemäße Scanfeld korrektursystem zutreffen.

Merkmale des Verfahrens, insbesondere solche, die das Detektieren von Photodiodensignalen oder das Auswerten/Analysieren der Konturdiagramme betreffen, sind auf das erfindungsgemäße Korrektursystem übertragbar, indem die entsprechende Einrichtung derart konfiguriert wird, dass sie zur Ausführung der entsprechenden Verfahrensmerkmale geeignet ist.

In einer Ausführungsform umfasst das Scanfeldkorrektursystem mindestens zwei Streumusterelemente, die sich in ihrer Größe und/oder in ihrem Streumuster unterscheiden.

Dadurch kann beispielsweise die kalibrierte Steuerung der Ablenkeinheit verifiziert oder getestet werden. Ebenso ist es denkbar, eine Kalibrierfunktion mittels einer zweiten Kalibrierfunktion zu kalibrieren. So kann die Präzision der Steuerung der Ablenkeinheit noch weiter erhöht werden.

In einer Ausführungsform umfasst das Scanfeldkorrektursystem mindestens zwei Laserscannervorrichtungen deren Scanfelder zumindest teilweise überlappen, wobei die Laserscannervorrichtungen mit Hilfe des Streumusterelements relativ zueinander kalibrierbar sind.

Bei mehreren Laserscannervorrichtungen können, beispielsweise durch ungenaue (schiefe) Montage der entsprechenden Laserscanköpfe, die jeweiligen Scanfelder relativ zueinander verdreht und/oder verkippt sein. Mit Hilfe einer gemeinsamen, inbesondere einer aufeinander abgestimmten, Kalibrierung kann eine relative Genauigkeit einer Strahlführung von mehreren Laserstrahlen zueinander optimiert werden. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beschrieben, die anhand der Figuren näher erläutert werden. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, wie nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigt und anhand der Zeichnung beschrieben, sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laserscannervorrichtung mit drei Photodioden;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Streumusterelements;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer

Anordnung eines Streumusterelements auf einer Bearbeitungsebene unter schematischer Andeutung eines Abtastens zumindest eines Teils des Streumusterelements auf der Bearbeitungsebene mit einem Laserstrahl entlang von Scannerkoordinaten;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Konturdiagramms gemäß eines

Ausführungsbeispiels, das durch eine Korrelation der detektierten Streustrahlung mit den Scannerkoordinaten erhalten wird;

Fig. 5 eine Aufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Streumusterelements;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Konturdiagramms gemäß eines alternativen Ausführungsbeispiels, das durch eine Korrelation der detektierten Streustrahlung mit den Scannerkoordinaten erhalten wird;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Streumusterelementhaltevorrichtung; Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Streumusterelementhaltevorrichtung mit Streumusterelement;

Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Streumusterelementhaltevorrichtung;

Fig. 10 eine schematische Aufsicht auf eine erfindungsgemäße

Streumusterhaltevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Kalibrierung bzw. Scanfeldkorrektur eines Scanfeld korrektursystems mit zwei Laserscannervorrichtungen und einer gemeinsamen Bearbeitungsebene;

Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Kalibrierung bzw.

Scanfeldkorrektur eines Scanfeldkorrektursystems mit einer Vielzahl von Laserscannervorrichtungen und einer gemeinsamen Bearbeitungsebene; und

Fig. 13 ein alternatives Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur

Kalibrierung bzw. Scanfeldkorrektur einer Laserscannervorrichtung durch Verschiebung eines Streumusterelements an mehrere Positionen.

In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laserscannervorrichtung eines erfindungsgemäßen Scanfeldkorrektursystems 200 gezeigt.

Die Laserscannervorrichtung umfasst dabei mindestens eine (in Fig. 1 nicht dargestellte) Laserlichtquelle zur Emission eines Laserstrahls 12 sowie mindestens eine Ablenkeinheit 10.

Die Ablenkeinheit 10 kann beispielsweise einen (Ablenk-)Spiegel und einen Galvanometerscanner umfassen. Mittels der Ablenkeinheit 10 und ggf. einer weiteren (nicht dargestellten) Ablenkeinheit kann der Laserstrahl 12 in drei Raumkoordinaten x, y, z bewegt werden.

Unter einer Bewegung des Laserstrahls 12 in den drei Raumkoordinaten x, y, z ist zu verstehen, dass ein Spot des Laserstrahls auf einer Bearbeitungsebene 11 mittels der mindestens einen Ablenkeinheit 10 in einer x- und y-Richtung (jeweils parallel zur Bearbeitungsebene 11 und ggf. senkrecht zueinander) bewegt werden kann. Eine ggf. vorhandene Fokusposition kann in einer z-Richtung (senkrecht zur Bearbeitungsebene 11) bewegt/verschoben werden.

Zwischen der Ablenkeinheit 10 und der Bearbeitungsebene 11 ist ein Fenster 20 angeordnet. Das Fenster 20 kann beispielsweise ein Schutzglas sein, dass dazu dient, den Laserstrahl 12 in einen Arbeitsraum, in dem die Bearbeitungsebene 11 angeordnet ist, einzustrahlen.

In einem Ausführungsbeispiel dient das Fenster dazu, das Scannerinnere vor Verschmutzung (Staub, Schmauch, (Wasser-)Dampf) von außerhalb zu schützen. In einer Erweiterung der Erfindung kann die Laserscannervorrichtung mit dem Fenster hermetisch verschlossen sein.

Auf der Bearbeitungsebene 11 ist in Fig. 1 ein Streumusterelement 30 angeordnet. Das Streumusterelement 30 weist mehrere Streubereiche 31 auf, die in einem Muster M angeordnet sein können.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind drei Photodioden PDi, PD ₂ , PD ₃ jeweils an einem Abschnitt eines Fensterrands 23 des Fensters 20 angeordnet.

Zusätzlich kann eine (nicht gezeigte) vierte Photodiode vorhanden sein, die beispielsweise der dritten Photodiode PD ₃ gegenüberliegend angeordnet ist.

Für eine erfindungsgemäße Scanfeldkorrektur kann der Laserstrahl 12, entlang von vorab bestimmten Scannerkoordinaten x und y, die Bearbeitungsebene 11 bzw. das auf der Bearbeitungsebene angeordnete Streumusterelement 30 abfahren bzw. abtasten. Der Laserstrahl wird anschließend von dem Muster M des Streumusterelements 30 entweder gemäß Reflexionsgesetz abgelenkt (falls das Licht nicht auf einen der Streubereiche 31 trifft) oder von den Streubereichen 31 oder Teilen davon (diffus) gestreut.

Das zurückreflektierte und/oder zurückgestreute Laserlicht 13 (hier im Allgemeinen als Streustrahlung 13 bezeichnet in dem auch zurückreflektiertes Licht umfasst sein kann) tritt durch eine Fensterunterseite 22.

Ein Teil der Streustrahlung 13 breitet sich über (mehrfache) Reflexionen und/oder Streuung(en) zwischen einer Fensteroberseite 21 und einer Fensterunterseite 22 innerhalb des Fensters 20 zu mindestens einem Abschnitt eines Fensterrands 23 des Fensters 20 hin aus, derart, dass die Streustrahlung 13 aus dem Fensterrand 23 des Fensters 20 austritt und dort detektierbar ist.

Aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenrauigkeit des Streumusterelements 30 entsteht ein Kontrast in der rückreflektierten/-gestreuten Streustrahlung 13.

Diese Streustrahlung 13 wird über Photodioden PDi, PD2, PD3, welche in das (Innere) des Fensters 20 gerichtet sind, gesammelt und mit den Scannerkoordinaten x, y, z korreliert.

Kombiniert/Korreliert man das Photodiodensignal der Photodioden PDi, PD ₂ , PD ₃ mit den Scannerkoordinaten x, y, z zu einem Konturdiagramm K, entsteht aufgrund der oben beschriebenen Verzeichnungsfehler eine verzerrte und unscharfe Abbildung des Streumusters M.

Aus einem Vergleich dieses Konturdiagramms K und einer bekannten Referenzabbildung des Streumusters M kann die notwendige Kalibrierfunktion berechnet werden.

Ein Ausführungsbeispiel für ein Streumusterelement 30 mit einem Streumuster M gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist nachfolgend in Zusammenhang mit Fig. 2 näher beschrieben. Das Streumusterelement 30 ist plattenförmig, vorzugsweise aus Glas oder Glaskeramik, insbesondere Fused Silica oder Zerodur ^® oder Borofloat, ausgebildet. Diese Materialien eignen sich speziell für Hochleistungslaser, da sie eine besonders hohe Zerstörschwelle aufweisen. Außerdem weisen die Materialien einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch thermische Einflüsse minimiert werden.

Das Streumusterelement 30 gemäß Fig. 2 ist rechteckig ausgebildet. Erfindungsgemäß kann das Streumusterelement aber auch rund ausgebildet sein oder eine beliebige Form, beispielsweise sternförmig, aufweisen.

Insbesondere ist das für das Streumusterelement 30 transparent für die Wellenlänge des Laserstrahls 12 ausgebildet, um eine Zerstörung, beispielsweise durch Absorption des Lichts, zu vermeiden.

Alternativ kann das Streumusterelement 30 beispielsweise auch (für niedrigere Laserleitung) aus Papier oder Karton oder aus einem Metall bestehen.

Das Streumusterelement 30 weist an einer Oberfläche ein Streumuster M auf, wobei das Streumuster M mehrere Streubereiche 31 umfasst, wobei die Streubereiche 31 als aufgeraute (beispielsweise durch Ätzen oder Sandstrahlen) und/oder eine bedruckte (Oberflächen)bereiche des Streumusterelements (30) ausgebildet sind.

Alternativ oder zusätzlich kann der Streubereich 30 zumindest teilweise innerhalb des Volumens des Streumusterelements 30 angeordnet sein. Beispielsweise kann ein derartiger Streubereich durch Lasergravur eingebracht sein. Ebenso ist es denkbar, dass die Streubereiche 30 Bohrungen (Löcher) umfassen.

Die Streubereiche 31 sind derart in dem Streumuster M angeordnet, dass eine (beliebige) Abbildung des Streumusters M in jeder Drehung oder Formverzerrung oder Spiegelung oder Skalierung oder Translation, eine eindeutig identifizierbare Orientierung aufweist. Selbstverständlich ist es erfindungsgemäß alternativ auch möglich, dass die Streubereiche 31 nicht-streuend ausgebildet sind und der übrige Bereich des Streumusterelements 30 streuend ausgebildet ist. Ein „Negativ" kann also auch eine erfindungsgemäße Ausbildung darstellen. Hierfür können die Streubereiche 31 eine erste Anordnung von ersten Markerbereichen 32 sowie eine zweite Anordnung von zweiten Makerbereichen 33 umfassen.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind die ersten Markerbereiche 32 als Kreise ausgebildet, die in einer regelmäßigen 3 x 3 Anordnung auf der Oberfläche des Streumusterelements angeordnet sind.

Wobei jeder der ersten Markerbereiche 32 durch von einer Vielzahl der zweiten Markerbereiche 33 umgeben ist.

Die zweite Anordnung der Vielzahl von zweiten Markerbereichen 33 unterscheidet sich für mindestens zwei, vorzugsweise für mindestens drei, weiter vorzugsweise für jeden, der ersten Markerbereiche 32, insbesondere in einer Winkelanordnung und/oder einer Anzahl der zweiten Markerbereiche 33.

Derart kann jeder der ersten Markerbereiche 32 eindeutig identifiziert werden. Derart kann eine eindeutige (geometrische) Zuordenbarkeit des Musters M bereitgestellt werden, so dass eine Abbildung des Streumusters M in jeder Drehung, Formverzerrung und Spiegelung, Skalierung oder Translation, eine eindeutig identifizierbare Orientierung aufweist.

Um die Bildverarbeitung/-erkennung und die Fertigung des Streumusterelements möglichst einfach zu gestalten, können beispielsweise ausschließlich Kreise als Markerbereich gewählt werden. Dies erlaubt beispielweise jede Art der Masken bedingten Fertigung (Sandstrahlen, Ätzen) bei der keine „Inseln" möglich sind.

Ein weiterer Vorteil besteht in der „Interpolations-" / „Fitgenauigkeit", da die Bestimmung des Kreismittelpunktes weniger anfällig hinsichtlich verrauschter Kanten ist.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist schematisch ein Überfahren bzw. Abtasten zumindest eines Teils des Streumusterelements 30 auf der Bearbeitungsebene 11 mit einem Laserstrahl 12 der Laserscannervorrichtung entlang von Scannerkoordinaten x,y,z bzw. einer entsprechenden Trajektorie gezeigt. Ein Überfahren bzw. Abtasten des Streumusterelements kann auch öfter (hintereinander), beispielswiese viermal, erfolgen, um einen Kontrast zu erhöhen. Dabei kann auch eine Reihenfolge (bzw. Startpunkt), eine Kurvenform des Scans, oder eine Geschwindigkeit des Scans variiert werden.

Anhand einer Korrelation der Scannerkoordinaten x, y, z und den dazu jeweils (ein Photodiodensignaldatensatz pro Scannerkoordinate x, y, z) detektierten Photodiodensignalen wird das Konturdiagramm K berechnet.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Konturdiagramms K gemäß eines Ausführungsbeispiels, das durch eine Korrelation der detektierten Streustrahlung 13 (siehe Fig. 1) mit den Scannerkoordinaten x,y,z (siehe Fig. 3) an einem Streumusterelement 30 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 erhalten wird.

Das Konturdiagramm K weist die Koordinaten x', y', z' auf, wobei die Koordinaten x',y' im Wesentlichen den Scannerkoordinaten x, y, z entsprechen (siehe Fig. 3) und z' eine Amplitude des Konturdiagramms darstellt.

Die Amplitude z' des Konturdiagramms K entspricht einem integrierten und/oder gemittelten (beispielsweise über mehrere Scans gemitteltem) Signal der mehreren Photodioden PDi, PD2, PD3 (siehe Fig. 1).

Dafür ist eine (im Wesentlichen) übliche Analog-Digital-Konvertierung vorgesehen, so dass eine Einheit der Amplitude z' beispielsweise in „counts" angegeben wird oder wobei die Amplitude z' auf 1 normiert (normiert auf das höchste Photodiodensignal) ist.

Das Konturdiagramm K zeigt daher eine (verzerrte) Abbildung des Streumusters 30 bzw. eine Streumusterabbildung M', die einer verzerrten Darstellung des Streumusters M des Streumusterelements 30 entspricht.

Das Konturdiagramm K weist daher mehrere Streubereichabbildungen 3 auf, die den mehreren Streubereichen 31 des Streumusterelements 30, vorzugsweise eindeutig, zuordenbar sind. Auf einer Recheneinheit wird das Konturdiagramm K mit einer (nicht gezeigten) Referenzabbildung des Streumusterelements 30 verglichen.

Die Referenzabbildung des Streumusterelements 30 kann beispielsweise mittels einer hochauflösenden Fotografie des Streumusterelements 30 erzeugt werden, oder durch eine Vermessung des Streumusterelements 30 mit einer Koordinatenmessmaschine.

Ebenso ist es beispielsweise denkbar, als Referenzabbildung des Streumusterelements 30 Rohdaten (Koordinatenrohdaten) zu verwenden, die für ein (Laser-)d ruckverfahren zur Erzeugung des Streumusters M des Streumusterelements 30 verwendet werden/wurden.

Zum Bestimmen der Abweichung des Konturdiagramms K von dem Streumuster M bzw. von der Referenzabbildung des Streumusterelements 30 können verschiedene Fit- und/oder Interpolationsverfahren verwendet werden. Optional können weitere Bildverarbeitungsschritte/Datenverarbeitungsschritte wie beispielsweise eine Kontrastverstärkung und/oder eine Threshold-Analyse vorgenommen werden.

Um die Abweichung, insbesondere unter Verwendung der im vorhergehenden Absatz beschriebenen Schritte, zu bestimmen, werden Konturdiagrammreferenzpunkte, beispielsweise Schwerpunkte und/oder Mittelpunkte und/oder Formverzerrungen (beispielsweise „Oval" statt Kreis"), von mehreren Streubereichabbildungen 3 des Konturdiagramms K ermittelt.

Aus den Konturdiagrammreferenzpunkten kann ein Gitter erzeugt werden, bei dem jeder Konturdiagrammreferenzpunkt Informationen über die x- und y- Positionen, sowie die (optimale) Fokusposition enthält.

Aus dem Vergleich der Konturdiagrammreferenzpunkte zur unverzerrten, regelmäßigen Referenzabbildung des Streumusters M des Streumusterelements 30 (bzw. vorabbestimmten Referenzpunkten der Referenzabbildung) kann eine Vorverzerrungsfunktion bzw. die Kalibrierfunktion berechnet werden. Die Kalibrierfunktion dient beispielsweise zum Ausgleich der Kissentonnen- Verzerrung oder anderen Verzerrungen, die bei der Ansteuerung der Ablenkeinheit 10 (vgl. Fig. 1) entstehen können.

Die Kalibrierfunktion, einschließlich z-Werten (= (optimale) Fokusposition), wird über Interpolation zwischen den Konturdiagrammreferenzpunkten und/oder entsprechenden Referenzpunkten des Referenzabbilds des Streumusters M vervollständigt.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Streumusterelements 30 mit einem Streumuster M.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel des Streumusterelements 30 in Fig. 5 weist das Streumusterelement 30 Streubereiche 31 in Form mehrerer Vielecke 34 auf.

Diese Vielecke können beispielsweise Rechtecke oder Linien bzw. Geraden 34, umfassen. Alternativ oder zusätzlich können die Vielecke oder die Streubereiche auch Barcodes oder QR-Codes oder Zahlen und/oder Buchstaben umfassen.

Die Vielecke weisen unterschiedliche Größen auf und bilden eine kaskadierte Anordnung mit einem Fadenkreuz.

Jedes oder einige der Vielecke 34 weißen einen, vorzugsweise individuellen, Markerfortsatz 35 auf.

Der Markerfortsatz 35 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 umfasst eine Strichmarkierung, wobei vier Rechtecke 34 jeweils eine, zwei, drei, vier Strichmarkierung(en) aufweist/aufweisen.

Derart kann eine eindeutige (geometrische) Zuordenbarkeit des Musters M bereitgestellt werden, so dass eine Abbildung des Streumusters M in jeder Drehung, Formverzerrung und Spiegelung, Skalierung oder Translation, eine eindeutig identifizierbare Orientierung aufweist.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Konturdiagramms K gemäß ei nes Ausführungsbeispiels, das durch eine Korrelation der detektierten Streustrahlung 13 (siehe Fig. 1) mit den Scannerkoordinaten x, y, z (siehe Fig. 3) an einem Streumusterelement 30 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 erhalten wird. Bezüglich der weiteren Ausführungen und der Auswertung bzw. der Analyse und der draus berechenbaren Vorverzerrungsfunktion bzw. Kalibrierfunktion wird auf die Ausführungen zu Fig. 4 verwiesen.

In Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Streumusterelementhaltevorrichtung 40 dargestellt.

Die Geschwindigkeit und die Präzision des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Berechnen einer Vorverzerrungsfunktion bzw. einer Kalibrierfunktion für eine kalibrierte Steuerung der Ablenkeinheit wird u.a. vom erzielbaren Kontrast (in dem Konturdiagramm K) bestimmt. Der Kontrast wird durch die (unterschiedliche) Oberflächenrauigkeit des Streumusterelements 30 und die damit verbundene Rückstreuung der Laserstrahlung 13 in Richtung der Photodioden PDi, PD2, PD3 (vgl. Fig. 1) bestimmt.

Abhängig von einem Material des Streumusterelements werden jedoch etwa 90% bis nahezu 100% der Leistung des Laserlichts durch das Streumusterelement 30 hindurch transmittiert. Versuche haben gezeigt, dass in den Streubereichen etwa 10% weniger Licht transmittiert wird.

Es ist daher für den Kontrast und das thermische Management entscheidend wie diese Leistung aufgefangen und vorzugsweise nicht zu den Photodioden zurückgestreut wird.

Daher wird erfindungsgemäß das Licht nach einer Transmission durch das Streumusterelement 30 an den Innenwänden eines Hohlraums 43 einer Streumusterelementhaltevorrichtung 40 absorbiert.

Das Streumusterelement 30 kann mittels der Streumusterelementhaltevorrichtung 40 auf einer Bearbeitungsebene 11 (vgl. Fig. 1) bereitgestellt werden. Speziell für hohe Laserleistungen, beispielsweise 50 W oder 100 W oder mehr, kann derart ein Kontrast des Konturdiagramms erheblich verbessert werden, da (ungewollte) Rückstreuungen (weitgehend) vermieden bzw. erheblich reduziert werden.

Die Streumusterelementhaltevorrichtung 40 weist eine Grundfläche 41 sowie eine die Grundfläche umlaufende Seitenwandung 42 auf. Im inneren bildet die Streumusterelementhaltevorrichtung 40 so einen Hohlraum 43 aus.

Die Seitenwandung 42 ist an einem oberen Ende derart ausgebildet, dass das Streumusterelement 30 an dem oberen Ende 44 fixiert lagerbar ist.

Wobei das obere Ende 44 der Seitenwandung 42 einem Ende, an dem sich die Grundfläche 41 an die Seitenwandung 42 anschließt, gegenüberliegt.

Die Seitenwandung 42 kann dafür am oberen Ende 44 beispielsweise eine entsprechende Fase, oder eine Einlegenut aufweisen. Des Weiteren ist es möglich, dass das obere Ende 44 der Seitenwandung 42 absatzartig ausgebildet ist.

Ebenso ist es denkbar, dass die Seitenwandung 42 drei oder vier Auflagevorsprünge, beispielsweise jeweils ein Auflagevorsprung auf einer Seite der Seitenwandung 42, zum Auflegen des Streumusterelements 30 aufweist.

Wobei entsprechende Fasen, Einlegenuten oder Auflagevorsprünge ggf. vertieft (vom oberen Ende 44 aus gesehen) ausgebildet sein können, derart, dass das Streumusterelement 30 so eingebracht werden kann, dass die Seitenwandung 42 am oberen Ende 44 das Streumusterelement gegen (ungewollte) Bewegungen positionsstabilisiert bzw. fixiert.

Ferner weist die Streumusterelementhaltevorrichtung 40 mindestens einen Ablenkkonus 45 auf, der auf der Grundfläche 41 angeordnet ist.

Der mindestens eine Ablenkkonus 45 ist dazu ausgebildet und/oder derart angeordnet, auftreffendes Licht in Richtung einer Innenseite 46 der Seitenwandung 42 abzulenken.

Die Innenseite 46 der Seitenwandung 42 ist dazu ausgebildet, auf die Innenseite 46 auftreffendes Licht zu absorbieren.

Hierfür kann die Seitenwandung 42 Absorberlamellen 47 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können weitere absorbierende oder diffus streuende Elemente innerhalb des Hohlraums 43 vorgesehen sein. Eine Ablenkkonusgrundfläche bedeckt im Wesentlichen die gesamte Grundfläche 41 wobei alternativ die Ablenkkonusgrundfläche auch geringfügig kleiner als die Grundfläche 41 ausgebildet sein kann.

Eine Höhe des Ablenkkonus 45 entspricht mindestens der halben Höhe der Seitenwandung 42, vorzugsweise mindestens 80% der Höhe der Seitenwandung 42. Derart kann eintretendes Licht über einen großen Eintrittswinkelbereich absorbiert werden.

In Fig. 8 ist das Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Streuelementhaltevorrichtung 40 gemäß Fig. 7 gezeigt, wobei die Streuelementhaltevorrichtung 40 ein Streumusterelement 30 hält.

Fig. 9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Streuelementhaltevorrichtung 40.

Hier ist eine „Spitze" bzw. ein Apexwinkel des Ablenkkonus 45 auf die Grundfläche 41 gerichtet. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Ablenkkonus 45 Absorberlamellen 47 aufweisen bzw. kann der Ablenkkonus 45 (selbst) die Innenseite 46 der Seitenwandung 42 ausbilden.

In Fig. 10 ist eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Streumusterhaltevorrichtung 40 gemäß eines Ausführungsbeispiels dargestellt.

Die Streumusterhaltevorrichtung 40 hält ein Streumusterelement 30. Das Streumusterelement 30 ist für eine Laserwellenlänge transparent ausgebildet. Derart kann der Anteil des Laserlichts der nicht zu den Photodioden PDi, PD2, PD3 (vgl. Fig. 1) gestreut wird, in den Hohlraum 43 (unterhalb des Streumusterelements 30) eintreten und wird dort absorbiert.

Das Streumusterelement 30 wird derart in der Streumusterhaltevorrichtung 40 gehalten, dass die transmittierte Leistung vollständig absorbiert wird, ohne dabei die Streumusterhaltevorrichtung 40 zu beschädigen.

Ferner ist das Streumusterelement 30 thermisch und mechanisch von der Streumusterhaltevorrichtung 40 entkoppelt, sodass deren thermische Expansion keinen Einfluss auf das Streumusterelement 30 hat. Bei hohen Laserleistungen können sich die Komponenten signifikant erwärmen.

Um hier beispielsweise eine resultierende Krümmung durch thermische Expansion des Streumusterelements 30 zu vermeiden, kann in einer weiteren Form der Erfindung die Streumusterhaltevorrichtung 40 (aktiv) gekühlt, beispielsweise wassergekühlt, werden.

Die Streumusterelementhaltevorrichtung 40 kann beispielsweise aus (eloxiertem) Aluminium oder einem anderen Material mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen, um Wärme abführen zu können und durch die Laserleistung nicht beschädigt zu werden.

Fig. 11 zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Kalibrierung bzw. Scanfeldkorrektur eines Scanfeld korrektursystems 200 mit zwei Laserscannervorrichtungen 300 mit einem Streumusterelement 30 und einer gemeinsamen Bearbeitungsebene 11.

Nicht gezeigt sind hier die Photodioden sowie das Fenster. Für die Beschreibung der entsprechenden Anordnung oder Merkmale des Streumusterelements 30 wird explizit auf die vorhergehenden Ausführungsbeispiele verwiesen.

In dem Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird für jede der zwei Laserscannervorrichtungen 300 eine erfindungsgemäße Kalibrierfunktion berechnet.

Durch Anwenden der Kalibrierfunktion(en) sind die jeweiligen Scanfelder 120, 122 der entsprechenden Laserscannervorrichtung 300 gemäß Verzerrungen jeweils für sich „entzerrt" bzw. korrigiert.

Bei mehreren Laserscannervorrichtungen 300 können jedoch (zusätzlich), beispielsweise durch ungenaue (schiefe) Montage der Laserscanköpfe, die Scanfelder 120, 122 relativ zueinander verdreht und/oder verkippt sein. Siehe schematisch angedeutet (verkippte) Scanfelder 120, 122 in der Draufsicht auf die Bearbeitungsebene 11 rechts in Fig. 11. Aus diesem Grund müssen die Laserscannervorrichtungen 300 noch relativ zueinander korrigiert/kalibriert werden, um eine möglichst genaue Kalibrierung des Laserscansystems zu erhalten.

Um derartige relative Fehler zwischen mehreren Laserscannervorrichtungen 300 zu korrigieren, wird von den beiden Laserscannervorrichtungen 300 derselbe, überlappende Bereich 121 (überlappender Bereich 121 der beiden Scanfelder 120, 122) auf dem Streumusterelements 30 gescannt.

Anschließend werden die beiden sich ergebenden Konturdiagramme K durch Rotation / Verkippung zur Deckung gebracht und die Laserscannervorrichtungen 300 mit der resultierenden (oder den resultierenden) Kalibrierfunktion(en) korrigiert.

Das in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 beschriebene Verfahren lässt sich auch auf eine Vielzahl von Laserscannervorrichtungen 300 (in beliebiger Anordnung) übertragen.

Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Vielzahl - beispielsweise sechs - Laserscannervorrichtungen 300 eines Scanfeldkorrektursystems 200 mit jeweiligen Scanfeldern 120, 122, 124, 126, 128, 130. Wie auch im Zusammenhang mit Fig. 11 beschrieben, können jeweils überlappende Bereiche 121, 123, 125, 127, 129 von benachbarten Scanfeldern 120, 122 ,124, 126, 128, 130 auf dem Streumusterelement 30 gescannt werden.

Anschließend werden die jeweiligen sich ergebenden Konturdiagramme K durch Rotation / Verkippung zur Deckung gebracht und die Laserscannervorrichtungen mit der resultierenden (oder den resultierenden) Kalibrierfunktion(en) korrigiert.

In den Ausführungsbeispielen gemäß Figuren 11 und 12 werden vergleichsweise große (im Vergleich zu den Scanfeldern oder der Bearbeitungsebene) Streumusterelemente 30 verwendet.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 kann das zuvor beschriebene Verfahren zur Scanfeld korrektur eines (großen) Scanfeldes 120 mittels Repositionierung (Verwenden verschiedener Positionen) eines Streumusterelements 30 auf der Bearbeitungsebene 11 verwendet werden.

Aus Gründen der Verallgemeinerung oder einer günstigen (im Sinne von Herstellungskosten und Aufwand) Fertigbarkeit des Streumusterelements 30, bzw. einer entsprechenden Streumusterelementhaltevorrichtung kann es vorteilhaft sein, ein vergleichsweise kleines (im Vergleich zu den Scanfeldern oder der Bearbeitungsebene) Streumusterelement 30 zur Scanfeld korrektur eines (deutlich) größeren Scanfeldes 120 zu verwenden.

Um dennoch die Verzerrung des gesamten oder zumindest eines Großteils des Scanfeldes 120 vermessen zu können, wird das Streumusterelement 30 im Scanfeld 120 repositioniert.

Dabei wird das Streumusterelement 30 zuerst in einer ersten Position relativ zu dem Scanfeld 120 positioniert und mit einem Laserstrahl abgetastet und eine entsprechende erste Kalibrierfunktion berechnet (Fig. 13 oben).

Anschließend wird das Streumusterelement 30 zuerst in einer zweiten Position relativ zu dem Scanfeld 120 angeordnet und mit dem Laserstrahl abgetastet und eine entsprechende zweite Kalibrierfunktion berechnet (Fig. 13 unten).

Durch überlappende Messung (Überfahren/Abtasten mit dem Laserstrahl) desselben Bereichs bzw. derselben Streubereiche 31 des Streumusterelements 30 können die jeweils für einen Teil des Scanfelds 120 bestimmten Kalibrierfunktionen (erste und zweite Kalibrierfunktion) zueinander korreliert werden.

Um ein Streumusterelement 30 an mehreren Positionen anordnen zu können, kann das Streumusterelement 30 vorzugsweise verschiebbar gelagert sein. Es ist möglich, dass beispielsweise eine Streumusterelementhaltevorrichtung in einer XY-Ebene verschiebbar gelagert ist.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere der in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden. Bezuaszeichenliste:

10 Ablenkeinheit

11 Bearbeitungsebene

12 Laserstrahl

13 Streustrahlung

20 Fenster

21 Fensteroberseite

22 Fensterunterseite

23 Fensterrand

30 Streumusterelement

31 Streubereiche

3 Streubereichabbildungen

32 erste Markerbereiche

33 zweite Markerbereiche

34 Vieleck

35 Markerfortsatz

40 Streumusterelementhaltevorrichtung

41 Grundfläche

42 Seitenwandung

43 Flohlraum

44 oberes Ende der Seitenwandung

45 Ablenkkonus

46 Innenseite

47 Absorberlamellen

120, 122, 124, 126, 128, 130 Scanfelder

121, 123, 125, 127, 129 überlappende Bereiche 200 Scanfeldkorrektursystem 300 Laserscannervorrichtung K Konturdiagramm M Streumuster M' Streumusterabbildung

PDl, PÜ2, PD3 Photodioden x, y, z Scannerkoordinaten x', y', z' Koordinaten des Konturdiagramms