▶ プレシテック ゲーエムベーハー ウント ツェーオー カーゲーの特許一覧
特許7005750コヒーレンストモグラフの光学デバイスの方向を決定するデバイス、コヒーレンストモグラフ、及びレーザ処理システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-01-07
(45)【発行日】2022-01-24
(54)【発明の名称】コヒーレンストモグラフの光学デバイスの方向を決定するデバイス、コヒーレンストモグラフ、及びレーザ処理システム
(51)【国際特許分類】
G01B 11/00 20060101AFI20220117BHJP
B23K 26/03 20060101ALI20220117BHJP
G02B 21/00 20060101ALI20220117BHJP
【ＦＩ】
G01B11/00 G
B23K26/03
G02B21/00
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2020513837
(86)(22)【出願日】2019-02-25
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-11-12
(86)【国際出願番号】 EP2019054528
(87)【国際公開番号】W WO2019174895
(87)【国際公開日】2019-09-19
【審査請求日】2020-03-06
(31)【優先権主張番号】102018105877.2
(32)【優先日】2018-03-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】516234100
【氏名又は名称】プレシテック ゲーエムベーハー ウント ツェーオー カーゲー
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ザウアー マティアス
【審査官】九鬼 一慶
(56)【参考文献】
【文献】特開２００８－０５１６９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５３８１３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】独国特許発明第１０２０１５０１２５６５（ＤＥ，Ｂ３）
【文献】国際公開第２０１４／１３８９３９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／０８１８０８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１１－５０８２４１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ １１／００
Ｂ２３Ｋ ２６／０３
Ｇ０２Ｂ ２１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
コヒーレンストモグラフ（２００）の光学デバイス（２５０）の方向を決定するデバイス（３００、３００’）であって、光学参照形状（３１０、５００）と、
前記光学デバイス（２５０）によって変位された前記コヒーレンストモグラフ（２００）の光学測定ビーム（１３）を前記光学参照形状（３１０、５００）に向けるように構成された偏向光学系（３２０）と、
第１の参照平面（Ａ）と前記光学参照形状（３１０、５００）の少なくとも一つの第２の参照平面（Ｃ、５０１）との間の距離に基づいて、前記光学デバイス（２５０）の方向を決定するように構成された評価ユニット（２４０）と、
を備える、デバイス（３００、３００’）。
【請求項2】
前記偏向光学系（３２０）が、一つ又はそれ以上のミラー（３２２）、一つ又はそれ以上のガルバノスキャナ、一つ又はそれ以上のプリズム、及び一つ又はそれ以上の光学格子のうちの少なくとも一つを備える、請求項１に記載のデバイス（３００、３００’）。
【請求項3】
前記偏向光学系（３２０）が、前記光学測定ビーム（１３）の一部を前記光学参照形状（３１０、５００）に向け且つ前記光学測定ビーム（１３）の他の部分を透過させるように構成された部分透過性ミラー（３２６）を備える、請求項１又は２に記載のデバイス（３００、３００’）。
【請求項4】
前記偏向光学系（３２０）が、前記光学測定ビーム（１３）を前記光学参照形状（３１０、５００）の前記少なくとも一つの前記第２の参照平面（Ｃ、５０１）に向けるように構成されたレンズ（３２４）を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のデバイス（３００、３００’）。
【請求項5】
前記評価ユニット（２４０）が、前記第１の参照平面（Ａ）と前記光学参照形状（３１０、５００）の上の一つ又はそれ以上の点との間の距離を決定するように構成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のデバイス（３００、３００’）。
【請求項6】
前記光学参照形状（３１０、５００）の前記第２の参照平面（５０１）が平坦な拡散反射表面を有している、請求項１から５のいずれか１項に記載のデバイス（３００、３００’）。
【請求項7】
前記光学参照形状（３１０、５００）が４つの前記第２の参照平面（５０１）を含み、それらがお互いに対して傾斜していて且つ共通の校正零点（５０２）で交差している、請求項１から６のいずれか１項に記載のデバイス（３００、３００’）。
【請求項8】
前記第２の参照平面（５０１）の少なくとも２つが、前記光学デバイス（２５０）の第１の方向における向きのずれが距離の増加をもたらす結果となるように配置され、且つ少なくとも２つのさらなる前記第２の参照平面（５０１）が、前記光学デバイス（２５０）の第２の方向における向きのずれが距離の減少をもたらす結果となるように配置されている、請求項１から７のいずれか１項に記載のデバイス（３００、３００’）。
【請求項9】
前記光学デバイス（２５０）が手作業で又は自動的に可動である、請求項１から８のいずれか１項に記載のデバイス（３００、３００’）。
【請求項10】
コヒーレンストモグラフ（２００）であって、請求項１～９のいずれか１項に記載のデバイス（３００、３００’）と、
前記コヒーレンストモグラフ（２００）の前記光学測定ビーム（１３）を変位させるための前記光学デバイス（２５０）と、
を備える、コヒーレンストモグラフ（２００）。
【請求項11】
前記コヒーレンストモグラフ（２００）が、一つ又はそれ以上の空間次元における決定された距離に基づいて、前記光学デバイス（２５０）の向きのずれを補償するように構成されている、請求項１０に記載のコヒーレンストモグラフ（２００）。
【請求項12】
前記コヒーレンストモグラフ（２００）が測定アームと参照アーム（２４６）とを備えており、前記光学デバイス（２５０）が前記参照アーム（２４６）に配置されている、請求項１０又は１１に記載のコヒーレンストモグラフ（２００）。
【請求項13】
加工ビーム（１０）を提供するレーザ装置（１１０）であって、前記レーザ装置（１１０）が前記加工ビーム（１０）をワークピース（１）の加工エリア上に向けるように構成されている、レーザ装置（１１０）と、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の前記コヒーレンストモグラフ（２００）と、
を備える、レーザ加工システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、コヒーレンストモグラフの光学デバイスの位置又は方向を決定するためのデバイス、それを含むコヒーレンストモグラフ、及びそのようなコヒーレンストモグラフを含むレーザ加工システムに関する。本開示は特に、レーザ加工ヘッド、例えば、光コヒーレンストモグラフと、ミラー、プリズム、又は光学格子のようなコヒーレンストモグラフの一つ又はそれ以上の光学デバイスのドリフトを決定するためのデバイスと、を備えるレーザ溶接ヘッドに関する。
【背景技術】
【0002】
レーザを使用して材料を加工するためのデバイス、例えばレーザ溶接又はレーザ切断のためのレーザ加工ヘッドでは、レーザ光源又はレーザファイバの端から発せられたレーザビームが、ビームガイド及びフォーカシング光学系によって、加工対象のワークピース上にフォーカス又はコリメートされる。典型的には、レーザ加工ヘッドはコリメータ光学系及びフォーカシング光学系とともに使用され、レーザ光は、レーザ源とも称される光ファイバを介して供給される。
【0003】
レーザ材料加工では、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）が、レーザ切断の間のワークピースまでの距離、前もってのエッジ位置、ならびに溶接の間の溶接深さ及び／又はフォローアップにおける表面トポグラフィのような、様々なプロセスパラメータを測定するために使用され得る。この目的のために、ＯＣＴ測定ビームがワークピース上に向けられ得る。オプションとして、ＯＣＴ測定ビームは、例えば少なくとも一つの可動ミラーへの反射によって、加工対象のワークピース上を動かされ得る。可動ミラーは例えばガルバノメータに取り付けられ、これによりガルバノスキャナ又はガルバノメータスキャナを形成する。ＯＣＴ測定は加工プロセスをモニタ及び制御するために使用されるので、ガルバノメータスキャナの角度位置、及びこれよりワークピース上の測定スポットの位置は、各々の記録された測定に対してできるだけ正確に既知でなければならない。ＯＣＴによる溶接プロセスのモニタリングは、例えば特許文献１から知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】国際出願公開第２０１４／１３８９３９号明細書
【文献】独国特許第１０２０１５０１２５６５明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ガルバノメータスキャナは、スキャナの回転軸の実際の位置を測定する位置検出器を含み得る。位置は、制御ループによって所定の所望の位置と比較され得て、ずれが最小化され得る。それゆえ理論的には、静止状態では、外部から特定された位置とスキャナによって達せられた位置との間のずれは零であるべきである。しかし、実際の動作では、熱的な効果、外部干渉、及びガルバノメータスキャナの使用されている位置検出器の劣化が、真の角度位置の所望の位置からのずれをもたらす結果となる。制御ループは、例えばその値が制御のために使用される位置検出器それ自身が熱的な影響の対象となり、このために制御ループが所望の位置からの実際の位置の小さなずれを検出できないために、このずれを補正することができない。この現象はまた、ガルバノスキャナのドリフトとも呼ばれて、時間及び温度の両方に依存する。それゆえ、ワークピース表面上の測定スポットの真の位置は、ミラーのターゲット位置が一定に保たれていても、測定スポットの位置がスキャナのドリフトで変化するので、常に十分な精度で決定されることができない。
【0006】
それゆえ、所望の位置と実際の位置との間のずれを最小化するために、ガルバノスキャナのドリフトを、例えばガルバノメータスキャナにインストールされた位置検出器を使うよりも正確に決定することが望まれる。特許文献２は、センサビームによって測定ビームにより測定されたワークピースのある領域を検出し且つそれに基づいて空間分解能情報を生成するように構成された空間分解能センサを含む測定デバイスを記述している。加えて、この空間分解能センサはシステムに導入されなければならず、それによって、システムの製造コスト及び複雑さを増す。
【課題を解決するための手段】
【0007】
光学デバイスの方向を正確に決定することができるコヒーレンストモグラフの光学デバイスのドリフト又は方向を決定するためのデバイス、ならびにコヒーレンストモグラフ、及びそれを含むレーザ加工システムを提供することが、本開示の目的である。特に、可動ミラー、プリズム、又は光学格子のようなコヒーレンストモグラフの測定ビームを変位させるための光学デバイスの所望の位置と実際の位置との間の距離を、精度を増して決定することが、本開示の目的である。
【0008】
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。本発明の有益な実施形態は、従属請求項にて特定される。
【0009】
本開示の実施形態によれば、コヒーレンストモグラフの光学デバイス又は光学素子の方向又はドリフトを決定するためのデバイスが特定される。この光学デバイス又は光学素子は、コヒーレンストモグラフの光学測定ビームを偏向させるように構成され得る。特に、光学デバイス又は光学素子は可動であり得る。このデバイスは、光学参照形状と、光学デバイスによって変位又は偏向されたコヒーレンストモグラフの光学測定ビームを光学参照形状の上に向けるように構成された偏向光学系と、光学デバイスの方向又はドリフトを決定するために、光学参照形状の第１の参照平面と少なくとも一つの第２の参照平面との間の距離を決定するように構成された評価ユニットと、を備える。ドリフトは、光学デバイスの方向の所定の方向からのずれを意味し得る。コヒーレンストモグラフの光学デバイス又は光学素子は可動であり得る。特に、光学デバイス又は光学素子は、コヒーレンストモグラフの光学測定ビームを変位させるか又はそれをワークピースの表面上で動かすように構成され得る。第２の参照平面は、好ましくは、光学測定ビームを反射又は拡散反射するために適している。
【0010】
本発明によれば、現存するＯＣＴ測定技法が、例えば光学デバイス、例えばガルバノメータミラーの一つ又はそれ以上のミラーの所望の位置と実際の位置との間の距離を測定するために使用され得る。光学デバイスの方向又はドリフトを決定するための付加的な空間分解能検出器の使用が、省かれることができる。光学デバイスの方向、及び特にガルバノメータスキャナのドリフトを決定するために、測定ビームが参照形状に向けられて、距離が測定される。測定された距離、あるいは参照又は校正値に対する測定された距離の変化から、光学デバイスの方向が決定され得て、且つ好ましくは引き続いて補正され得る。
【0011】
この開示の好適なオプションの実施形態及び特定の見地は、従属請求項、図面、及び本記述から明らかになるであろう。
【0012】
好ましくは、評価ユニットは、光学デバイスの方向の所定の方向からのずれ、すなわち例えば、光学デバイスの所望の位置と実際の位置との間の距離を決定するように構成され得る。
【0013】
好ましくは、偏向光学系が一つ又はそれ以上のミラーを備える。例えば、測定ビームは、この一つ又はそれ以上のミラーによって参照形状に向けられ得る。オプションとして、偏向光学系は、光学測定ビームを光学参照形状の上にフォーカスするように構成されたレンズを含む。ビームサイズをフォーカスすることによって、距離変化が精度を増して決定され得る。
【0014】
好ましくは、偏向光学系が、光学測定ビームの一部を偏向させるように構成された少なくとも一つの部分透過性ミラーを備え得る。例えば、測定ビームは部分透過性ミラーによって分けられ得て、それによって、ワーク平面及び参照形状に関する距離測定が同時に実行され得る。
【0015】
好ましくは、評価ユニットが、光学デバイスの位置決めを決定するように構成される。例えば、一つ又はそれ以上のミラーの角度位置、例えばガルバノメータスキャナの角度位置が、決定され得る。例えば、角度位置は、所望の位置と実際の位置との間の差に基づいて補正され得て、ドリフトを補償する。この目的のために、評価ユニットは、ドリフト補正に関する補正値を、例えば光学デバイスを位置合わせさせる制御ユニットに出力するように構成され得る。
【0016】
好ましくは、評価ユニットが、第１の参照平面と光学参照形状の上の１つ、２つ、又はそれ以上の点との間の距離を決定するように構成されている。参照形状の複数の点を測定することによって、光学デバイスの方向の決定の精度が増加し得る。
【0017】
好ましくは、光学参照形状は、少なくとも一つの平坦な拡散反射表面を有している。典型的には、参照形状は不連続を有する表面を持った光学素子である。特に、参照形状は複数の非平行な平面を有し得る。非平行な平面の各々は、それぞれの第２の参照平面を提供し得る。例えば、光学参照形状は２つ又はそれ以上の第２の参照平面を備え得て、これらの２つ又はそれ以上の第２の参照平面は各々が平坦な拡散反射表面である。２つ又はそれ以上の第２の参照平面は、４つの第２の参照平面を備え得る。４つの第２の参照平面は、お互いに対して傾斜して且つ共通の点で会合し得る。言い換えると、４つの第２の参照平面は、共通の点又は校正零点で交差し得る。参照形状は、少なくとも４つの第２の参照平面のサドル状の形状を有し得る。さらに、参照形状は、校正平面及び／又は校正零点を含み得る。
【0018】
好ましくは、第２の参照平面の少なくとも２つが、光学デバイスの第１の方向における向きのずれが、参照形状の上の校正点又は校正平面に対する距離の増加をもたらす結果となるように配置される。第２の参照平面のこれら少なくとも２つは、反対向きに傾斜した平面であり得る。少なくとも２つのさらなる第２の参照平面は、光学デバイスの第２の方向における向きのずれが、参照形状の上の校正点又は校正平面に対する距離の減少をもたらす結果となるように配置される。少なくとも２つのさらなる第２の参照平面は、反対向きに傾斜した平面であり得る。第１及び第２の方向は、同じ座標軸（例えばＸ軸及びＹ軸）に沿って正負の方向を指定し得る。あるいは、第１の方向は第１の座標軸に沿った方向を指定し得て、第２の方向は第１の座標軸に直交する第２の座標軸に沿った方向を指定し得る。
【0019】
本開示のさらなる実施形態によれば、コヒーレンストモグラフが提供される。このコヒーレンストモグラフは、光学デバイスと、上述の実施形態に従って光学デバイスの方向を決定するデバイスとを備える。
【0020】
光学デバイスは、コヒーレンストモグラフの光学測定ビームを変位させるか又はそれをワークピースの表面上で動かすように構成され得る。好ましくは、光学デバイスは、少なくとも一つのミラー、少なくとも一つの光学格子、及び少なくとも一つのプリズムから選択された少なくとも一つの素子を備える。光学デバイスは、ガルバノメータスキャナであり得るか、又はガルバノメータスキャナを備え得る。光学デバイス、例えば少なくとも一つのミラーは、Ｘ軸及びＹ軸のようなお互いに直交するように方向づけられた一つ又はそれ以上の軸の周囲で回転可能に搭載され得る。典型的には、２つのミラーが提供されて、そのうちの一つはＸ軸の周囲で且つ他方がＹ軸の周囲で、回転可能に搭載される。
【0021】
好ましくは、光コヒーレンストモグラフは、光学デバイスの方向におけるずれ、すなわちドリフトを、一つ又はそれ以上の空間次元における決定された距離に基づいて検出するように構成される。例えば、ガルバノメータスキャナの少なくとも一つのミラーの角度位置が、２つの空間次元における軸の周囲の回転によって補正され得る。２つの空間次元は、例えばＸ及びＹ方向であり得る。
【0022】
好ましくは、コヒーレンストモグラフは参照アームを備える。光学デバイスの方向を決定するデバイスは、参照アームに付加的に且つそこから別個に提供され得る。例えば、光学デバイスは、コヒーレンストモグラフの参照アームにおけるガルバノメータスキャナを備え得る。
【0023】
一つの実施形態によれば、レーザ加工システムが提供される。このレーザ加工システムは、加工ビームを提供してその加工ビームをワークピースの加工エリア上に向けるように構成されているレーザデバイスと、上述の実施形態に従ったコヒーレンストモグラフと、を備えている。
【0024】
本発明の更なる実施形態によれば、コヒーレンストモグラフの光学デバイスの方向を決定する方法が提供される。この方法は、光学測定ビームを光学参照形状に向けるステップと、光学参照形状の第１の参照平面と少なくとも第２の参照平面との間の距離を決定するステップと、測定された距離に基づいて光学デバイスの方向を決定するステップと、を包含する。
【0025】
本発明によれば、安価なガルバノスキャナが高精度のアプリケーションのために使用され得る。追加の検出器又は光源は必要ではなく、より単純で、よりロバストな設計をもたらし、コスト削減を達成する結果となる。いくつかの実施形態では。追加のビームスプリッタさえも省略され得る。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本開示の実施形態に従ったレーザ加工システムを示す図である。
【図2】本開示の一つの実施形態に従って、コヒーレンストモグラフの光学デバイスの方向を決定するためのデバイスを含むレーザ加工システムを示す図である。
【図3】本開示の更なる実施形態に従って、コヒーレンストモグラフの光学デバイスの方向を決定するためのデバイスを含むレーザ加工システムを示す図である。
【図4】光学デバイスのドリフトによって生じた長さの変化を示す図である。
【図5】本開示の実施形態に従った参照形状の斜視図である。
【図6】ドリフト無しの参照形状を示す図である。
【図7】参照形状とＸ方向におけるドリフトを示す図である。
【図8】参照形状とＹ方向におけるドリフトを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
本開示の実施形態が図面に描かれ且つより詳細に以下に記述される。
【0028】
以下では、そうではないと記されない限りは、同様の参照番号は同様で等価な要素に対して使用される。
【0029】
図１は、本開示の実施形態に従ったレーザ加工システム１００の模式図である。このレーザ加工システム１００はレーザ溶接ヘッド１０１、特にレーザ深溶接のためのレーザ溶接ヘッドを備え得る。
【0030】
レーザ加工システム１００は、加工ビーム１０（「レーザビーム」又は「加工レーザビーム」とも称される）を生成するためのレーザ装置１１０、及びここで記述される実施形態に従ったコヒーレンストモグラフ２００を備える。レーザ加工システム１００、及び特にコヒーレンストモグラフ２００は、コヒーレンストモグラフ２００の光学デバイスの方向を決定するデバイスを備える。このデバイスが、図２～図８を参照して、より詳細に記述される。
【0031】
レーザ装置１１０は、加工ビーム１０をワークピース１の加工エリアに向けるように構成される。レーザ装置１１０は、加工ビーム１０をコリメートするためにコリメータレンズ１２０を含み得る。レーザ溶接ヘッド１０１の内部で、加工ビーム１０は、適切な光学系２２０によって、ワークピース１の方向で約９０°だけ偏向される。コヒーレンストモグラフ２００は典型的には、光学測定ビーム１３をコリメートするように構成されたコリメータ光学系２１０と、光学測定ビーム１３をワークピース１の上にフォーカスするように構成されたフォーカシング光学系２３０とを備える。
【0032】
いくつかの実施形態では、加工ビーム１０及び光学測定ビーム１３は、少なくとも部分的に同軸であり得て、特に少なくともセグメントでは同軸に重畳され得る。例えば、コヒーレンストモグラフ２００は、光学測定ビーム１３をレーザ装置１１０のビーム路に結合するように構成され得る。光学測定ビーム１３及び加工ビーム１０は、コリメータ光学系２１０の下流で且つフォーカシング光学系２３０の上流で、合成され得る。例えば、光学系２２０は半透明ミラーを備え得る。
【0033】
ここで記述される他の実施形態と組み合わせられ得る典型的な実施形態では、コリメータ光学系２１０及びフォーカシング光学系２３０は溶接ヘッド１０１に一体化される。例えば、溶接ヘッド１０１は、溶接ヘッド１０１に一体化されるか又は溶接ヘッド１０１に搭載されたコリメータモジュール１０２を備え得る。フォーカシング光学系２３０は、加工ビーム１０及び測定ビーム１３のためのフォーカスレンズのような共通のフォーカシング光学系であり得る。
【0034】
実施形態によれば、レーザ加工システム１００、又は溶接ヘッド１０１のようなその一部は、加工方向２０に沿って可動であり得る。加工方向２０は、ワークピース１に対する切断又は溶接方向及び／又は溶接ヘッド１０１のようなレーザ加工システム１００の移動方向であり得る。特に、加工方向２０は水平方向であり得る。加工方向２０はまた、「フィード方向」とも称される。
【0035】
典型的な実施形態では、ここで記述される距離測定の原理は、光コヒーレンストモグラフィの原理に基づいており、これは干渉計の光ベイ手段のコヒーレンス特性を利用する。コヒーレンストモグラフ２００は、測定光を光導波路２４２に結合する広帯域光源（例えばスーパールミネッセントダイオード、ＳＬＤ）を有する評価ユニット２４０を備え得る。好ましくはファイバカプラを含むビームスプリッタ２４４では、測定光は、参照アーム２４６と、光導波路２４８を介して溶接ヘッド１０１に進む測定アームとに分割される。
【0036】
コリメータ光学系２１０は、光導波路２４８から出てきた測定光（光学測定ビーム１３）をコリメートするように構成される。いくつかの実施形態によれば、溶接ヘッド１０１における光学測定ビーム１３は、加工ビーム１０と同軸に重畳される。引き続いて、加工レーザビーム１０及び光学測定ビーム１３は、共通のレンズ又はフォーカシングレンズであり得るフォーカシング光学系２３０によって、ワークピース１の上にフォーカスされ得る。
【0037】
ワークピース１の上の光学測定ビーム１３の位置は、光学デバイスによって調整され得る。例えば、光学デバイスはガルバノスキャナであり得る。光学デバイスは、少なくとも一つのミラー（例えば図２及び図３を参照）を備え得る。あるいは又は加えて、光学デバイスはまた、少なくとも一つの光学格子又は少なくとも一つのプリズムを備え得る。少なくとも一つのミラーのような光学デバイスは、Ｘ軸及び／又はＹ軸のような少なくとも一つの軸の周りで回転可能に搭載され得る。典型的には、光学デバイスは２つのミラーを備え得て、一つのミラーはＸ軸の周りに回転可能に搭載され、他のミラーはＹ軸の周りに回転可能に搭載される。光コヒーレンストモグラフ２００はさらに、ドリフトを補償するために、一つ又はそれ以上の空間次元において、所定の距離に基づいて、ガルバノメータスキャナの少なくとも一つのミラー、プリズム、又は格子の角度位置を補正するように構成され得る。ここで、光学デバイスはまた、コヒーレンストモグラフの参照アームに配置され得る。
【0038】
光学測定ビーム１３は、例えばワークピース１の蒸気キャピラリに向けられ得る。蒸気キャピラリから反射されて戻ってきた測定光は、フォーカシング光学系２３０によって光導波路２４８の出口／入口表面上にイメージングされ、ファイバカプラ２４４内で参照アーム２４６からの反射光と重畳されて、それから評価ユニット２４０に戻るように向けられる。重畳された光は、参照アーム２４６と測定アームとの間の経路長の差についての情報を含む。この情報が評価ユニット２４０にて評価され、それによってユーザは、蒸気キャピラリの底と、例えば溶接ヘッド１０１との間の距離について、あるいはワークピース表面のトポグラフィについての情報を得る。光学デバイスの方向を決定するためのデバイスは、参照アームに付加的に且つ別個に設けられ得る。
【0039】
実施形態によれば、コヒーレンストモグラフ２００は、光学測定ビーム１３によってワークピース１までの、例えばコヒーレンストモグラフ２００によって規定された参照点又は参照平面に対する距離を測定するように構成され得る。特に、コヒーレンストモグラフ２００は、溶接ヘッド１０１が加工方向２０に沿って動く際の距離の変化を測定するように構成され得る。その結果として、例えば蒸気キャピラリの深さプロファイルが生成され得る。蒸気キャピラリの深さの測定に代えて又はそれに加えて、ワークピース１のトポグラフィ測定、例えば溶接シームが実行され得る。実施形態によれば、トポグラフィ測定は、一つ又はそれ以上のプロセス入力変数の誤り検出及び／又は制御のために使用され得る。プロセス入力変数は例えば、レーザ装置の加工速度、レーザパワー、レーザフォーカス、及び／又は動作パラメータを含み得る。
【0040】
本発明に従ったコヒーレンストモグラフ２００は、距離測定を、例えばレーザ加工前、加工の間、及び／又は加工後に実行するように構成され得る。既に説明されたように、低エネルギー測定ビームであり得る光学測定ビーム１３は、光導波路を介して加工ヘッドに供給され、コリメートされ、それから高エネルギービームに重畳されて、共通のフォーカス光学系によって加工対象のワークピース上にフォーカスされる。コヒーレンストモグラフ２００の光学デバイスの方向の決定、及び引き続く方向の補正は、精度が増したワークピースまでの距離測定を可能にする。光学デバイスの方向の決定は、レーザ加工の間に、又は別個のプロセスにて別個に、実行され得る。
【0041】
図２は、本開示の実施形態に従ってコヒーレンストモグラフの光学デバイス２５０の方向を決定するためのデバイス３００を含むレーザ加工システムを示す。特に、ガルバノメータスキャナのドリフトを決定するための測定ビーム１３（「ＯＣＴビーム」とも称される）の変位が示される。
【0042】
デバイス３００は、光学参照形状３１０と、光学デバイス２５０によって反射された光学測定ビーム１３を光学参照形状３１０の上に向けるように構成された偏向光学系３２０と、第１の参照平面Ａと光学参照形状３１０又は光学参照形状３１０の一つ又はそれ以上の第２の参照平面Ｃとの間の距離に基づいて、光学デバイス２５０の方向を決定するように構成された評価ユニットと、を備える。評価ユニットは、図１に示されて参照番号２４０が与えられた評価ユニットであり得て、あるいはここで一体化され得る。
【0043】
図２に記述された例示的な実施形態では、ＯＣＴ光源３０１は、少なくとも一つの可動ミラーを備え得る光学デバイス２５０を介して、ワークピース１の測定値を取るために（すなわち平面Ａ及びＢの間の距離を測定するために）ワークピース１に、あるいは平面Ａ及びＣの間の距離を測定するために偏向光学系３２０に、向けられる。これより、本開示に従うと、現存しているＯＣＴ測定技法が、光学デバイス２５０の所望の位置と実際の位置との間の距離を決定するために、使用され得る。付加的な空間分解能検出器の使用が、これより省略される。このことは、安価なガルバノスキャナが、高精密アプリケーションのために使用されることを可能にする。付加的な検出器、光源、又はビームスプリッタは必要とされず、このことは、より単純で且つよりロバストな設計、及びコスト低減を許容する。
【0044】
ドリフトを決定するために、測定ビーム１３が参照形状３１０に向けられる。この目的のために、測定ビーム１３は、例えば光学デバイス２５０の変位によって参照形状３１０にガイドされ得る。いくつかの実施形態では、偏向光学系３２０は一つ又はそれ以上のミラー３２２を含む。例えば、測定ビーム１３は、参照形状３１０にそれを向けるために、複数のミラー３２２によって複数回だけ偏向され得る。オプションとして、偏向光学系３２０は、光学測定ビーム１３を光学参照形状３１０の上にフォーカスするように構成されたレンズ３２４を含む。ビームサイズをフォーカスすることによって、距離の変化が、精度を増して決定されることができる。ドリフトは、材料加工の間に定期的に決定され得る（且つ好ましくは引き続いて補正され得る）。
【0045】
いくつかの実施形態では、評価ユニットは光学デバイス２５０の位置を決定するように構成される。例えば、一つ又はそれ以上のミラー、一つ又はそれ以上のガルバノメータスキャナ、一つ又はそれ以上のプリズム、又は一つ又はそれ以上の光学格子、又はそれらの組み合わせの角度位置が決定され得る。例えば、角度位置は、所望の位置と実際の位置との間の差に基づいて補正され得て、熱的効果、外部干渉、及び／又は使用されている位置検出器の劣化によって引き起こされるドリフトを補償する。この目的のために、評価ユニット２４０は、方向を補正するための補正値をコヒーレンストモグラフに送信し得る。
【0046】
いくつかの実施形態によれば、光コヒーレンストモグラフ２００は、一つ又はそれ以上の、及び特に２つの空間次元にて決定された距離に基づいて、光学デバイス２５０の方向のずれを補正するように構成される。２つの空間次元は、例えばＸ及びＹ方向であり得る（図６～図８参照）。例えば、光コヒーレンストモグラフ２００は、少なくとも一つのガルバノメータスキャナの少なくとも一つのミラーのそれぞれの空間次元における角度位置を、平面Ａ及びＣの間の決定された距離に基づいて補正するように構成される。
【0047】
第１の参照平面Ａは、ワークピース１までの距離の測定のためのコヒーレンストモグラフの測定アームにおける参照平面であり得て、且つ加えて、光学デバイス２５０の方向の決定のために使用され得る。言い換えると且つ前述したように、現存しているＯＣＴ測定技法が、測定ビーム１３を光学デバイス２５０によって参照形状３１０に向けることによって、光学デバイス２５０の所望の位置と実際の位置との間の距離を決定するために使用され得る。典型的には、第１の参照平面Ａはコヒーレンストモグラフの光源３０１の平面である。
【0048】
光学参照形状３１０は、一つ又はそれ以上の第２の参照平面Ｃを提供する。本発明に従ってデバイスによって決定された距離は、第１の参照平面Ａと対応する第２の参照平面Ｃとの間と規定される。好ましくは、光源３０１の平面のような第１の参照平面Ａとワークピース１の平面（すなわちワーク平面Ｂ）との間の距離は、第１の参照平面Ａと少なくとも一つの第２の参照平面Ｃ又は光学参照形状３１０の校正点との間の距離に対応する。これは、ＯＣＴ測定システムが通常は小さな測定範囲のみ、例えば約１２ｍｍの範囲で提供するからである。それゆえに、もし距離が測定範囲のサイズ以上に異なると、２つの距離のうちの一つのみが測定されることができる。あるいは、参照アームの長さは再調整され得るが、これは労力及びコストを増すことになる。平面ＡとＣとの間の距離、及び特に平面Ａと校正点との間の距離がI0とされ、例えばシステムをセットアップするときに、ＯＣＴ測定技法によって、少なくとも一つの角度θ0について正確に決定され得る。
【0049】
図３は、本開示のさらなる実施形態に従ってコヒーレンストモグラフの光学デバイス２５０の方向を決定するためのデバイス３００’を含むレーザ加工システムを示す。図３のレーザ加工システムは図２のレーザ加工システムと同様であり、同様な及び同一の特徴の記述は繰り返されない。
【0050】
図３の例においては、偏向光学系３２０が、光学測定ビーム１３の一部を偏向するように構成された少なくとも一つのビームスプリッタ又は部分透過性ミラー３２６を備える。例えば、測定ビーム１３は部分透過性ミラー３２６によって分割され得て、ワーク平面Ｂ及び光学参照形状３１０までの距離測定が同時に実行されることを可能にする。
【0051】
図４は、ドリフトによる角度θd（ドリフト角度）による長さの変化を示す。
【0052】
光学デバイスの方向におけるドリフト又はガルバノメータシステムのドリフトが動作中に発生すると、参照形状の上のＯＣＴビームの位置が、図４に示されるように、角度θ0に対してドリフト角度θdだけ変化する。角度のこの変化は、ＯＣＴシステムによって検出可能な長さの変化ΔＩ＝I0－Idをもたらす結果となる。測定された長さの変化はそれから、ガルバノメータスキャナのドリフトを補償するためにコントロールによって使用され得て、ワークピース上の測定点の真の位置が、補償無しの場合に可能であるよりも、より正確に決定されることを可能にする。これは、コヒーレンストモグラフによる測定を、より正確にする。
【0053】
いくつかの実施形態では、ドリフト角度θdの変化が光学的に変換され得て、長さにおいて、より大きな変化ΔIを作り出し、それによってドリフト決定の感度を増すことになる。
【0054】
典型的には、評価ユニットは参照平面Ａと光学参照形状の上の２つ又はそれ以上の点との間の距離を決定するように構成される。例えば、システムを校正又はセットアップするとき、参照形状のさらなる点が、角度θ1、θ2、…、θnにおける光学デバイスの異なる方向で測定されて、関連する長さＩ1、Ｉ2、…、Ｉnを決定する。これらの点は、方向又はドリフトをより正確に決定するために使用され得る。参照形状上の複数の点を測定することによって、例えば方向の決定の精密さ、及び特に光学デバイス２５０のドリフトが、算術演算を介して増加され得る。加えて、参照形状上の複数の点は、複数の次元におけるドリフトを補償するために測定され得る。これは、図６～図８を参照して、より詳細に説明される。
【0055】
図５は、本開示の実施形態に従った参照形状５００の斜視図を示す。参照形状５００は複数の第２の参照平面５０１を含む。５つの第２の参照平面５０１が例として示されているが、本開示はそれに限られるものではなく、任意の適切な数の第２の参照平面が提供され得る。例えば、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、又はより多くの第２の参照平面が提供され得る。特に好適なのは、共通の点で交差している４つの第２の参照平面である。
【0056】
典型的には、光学参照形状５００は、少なくとも一つの平坦な拡散反射表面を含む。この平坦な拡散反射表面は、プロセス観察からの後方反射に比べて、ＯＣＴセンサについては後方反射が大きくなりすぎないことを確実にすることを可能にし、これより、光源の強度が低減される必要がなくなる。
【0057】
実施形態によれば、参照形状５００は、不連続性を有する表面を持つ光学素子である。特に、参照形状は複数の非平行な平面を含み得る。例えば、これらの平面は共通の点５０２で会合している傾斜した平面であり得る。共通の点５０２は最も低い点であり得る。非平行な平面は第２の参照平面５０１を提供し得る。例えば、光学参照形状は２つ又はそれ以上の第２の参照平面５０１を含み得て、２つ又はそれ以上の第２の参照平面は、各々が平坦な拡散反射表面である。
【0058】
参照形状５００は、校正平面、校正位置、又は校正点を含み得る。第１の参照平面と校正平面／点との間の距離はＩ0と称され、システムをセットアップするときにＯＣＴ測定技法によって、少なくとも一つの角度θ0について、精密に決定されることができる。例えば、図５に示された４つの第２の参照平面は、共通の点５０２で会合する４つの傾斜した表面であり得て、点５０２は校正零点（又は校正位置）を表す。
【0059】
いくつかの実施形態では、参照形状は、長さの変化のタイプが、ドリフトが発生している次元（例えばＸ又はＹ方向）で計算するために使用されることができるような形状をしている。この目的のために、上述のように、４つの第２の参照平面５０１は、４つの第２の参照平面５０１が校正零点５０２で交差するように配置され得る。
【0060】
特に、第２の参照平面５０１のうちの少なくとも２つは、第１の次元における光学デバイスの方向のずれが距離の増加をもたらす結果となるように配置され得る。少なくとも２つのさらなる第２の参照平面は、第２の次元における光学デバイスの方向のずれが距離の減少をもたらす結果となるように配置され得る。このことは、図６～図８を参照して、さらに詳細に説明される。
【0061】
図６はドリフト無しの参照平面を示す。測定ビームは、校正位置又は校正点にあたり、光学デバイスの実際の位置と所望の位置との間のずれが零に等しい。
【0062】
図７は第１の次元又は方向におけるドリフトを示しており、これはＸ方向であり得る。第１の次元における光学デバイスの方向のずれは、距離の増加をもたらす。
【0063】
図８は第２の次元又は方向におけるドリフトを示しており、これはＹ方向であり得る。第２の次元又はＹ方向は第１の次元又はＸ方向に直交し得る。第２の次元における光学デバイスの方向のずれは、距離の減少をもたらす。
【0064】
これより、距離の変化の符号が、光学デバイスがドリフトする方向を暗示するように使用されることができる。例えば、光学デバイスがＸ偏向及びＹ偏向のために各一つのミラーを有していたら、２つのミラーのどちらがドリフトしているかが推測されることができる。
【0065】
好ましくは、光学コヒーレンストモグラフは、一つ又はそれ以上の空間次元における決定された距離に基づいて、光学デバイスの方向のずれを補償するように構成される。例えば、ガルバノメータスキャナの少なくとも一つのミラーの角度位置は、２つの空間次元において、軸の周囲で回転することによって、補正され得る。もしＸ方向にドリフトがあれば、対応するミラーはＸ軸の周囲で回転され得て、ドリフトを補償する。もしＹ方向にドリフトがあれば、対応するミラーはＸ軸の周囲で回転され得て、ドリフトを補償する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】