DE102019002942B4 - Measuring device and method for performing optical coherence tomography with a coherence tomograph - Google Patents
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Abstract
Messvorrichtung, insbesondere für ein Bearbeitungssystem (12) zum Bearbeiten eines Werkstücks (14) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (16), wobei die Messvorrichtung (10) einen optischen Kohärenztomographen (18) aufweist, der umfasst:- eine Strahlerzeugungseinheit (20) zur Erzeugung eines Messstrahls (22) und eines Referenzstrahls (24);- einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit (20) erstreckenden Messarm (26), in dem der Messstrahl (22) optisch führbar ist, sodass dieser auf ein Messobjekt (28) projizierbar ist; und- einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit (20) erstreckenden Referenzarm (30), in dem der Referenzstrahl (24) optisch führbar ist und der den Messarm (26) zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet, sodass der Messstrahl (22) und der Referenzstrahl (24) nach Durchlaufen des Messarms (26) bzw. des Referenzarms (30) zur Erzeugung eines Interferenzsignals überlagert werden können;wobei der Messarm (26) und der Referenzarm (30) zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen optischen Faser (32) verlaufen,wobei der optische Kohärenztomograph (18) einen polarisierenden Strahlkombinierer (34) umfasst, der derart angeordnet ist, dass der Messstrahl (22) und der Referenzstrahl (24) mit unterschiedlicher Polarisation in die gemeinsame optische Faser (32) eingekoppelt werden, sodass der Messstrahl (22) und der Referenzstrahl (24) in der gemeinsamen optischen Faser (32) mit unterschiedlicher Polarisation derart geführt werden, dass deren Wechselwirkung innerhalb der gemeinsamen optischen Faser (32) reduziert wird.Measuring device, in particular for a processing system (12) for processing a workpiece (14) by means of a high-energy processing beam (16), the measuring device (10) having an optical coherence tomograph (18) which comprises: - a beam generating unit (20) for generating a measuring beam (22) and a reference beam (24);- a measuring arm (26) extending from the beam generating unit (20) and in which the measuring beam (22) can be guided optically, so that it can be projected onto a measurement object (28); and- a reference arm (30) extending from the beam generation unit (20), in which the reference beam (24) can be guided optically and which simulates the measuring arm (26) at least in its optical path length, so that the measuring beam (22) and the reference beam (24) can be superimposed after passing through the measuring arm (26) or the reference arm (30) to generate an interference signal; the measuring arm (26) and the reference arm (30) running at least in sections in a common optical fiber (32), wherein the optical coherence tomograph (18) comprises a polarizing beam combiner (34), which is arranged in such a way that the measuring beam (22) and the reference beam (24) are coupled into the common optical fiber (32) with different polarization, so that the measuring beam (22 ) and the reference beam (24) are guided in the common optical fiber (32) with different polarization in such a way that their interaction within the common optical fiber (32) is reduced.
Description
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, insbesondere für ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, wobei die Messvorrichtung einen optischen Kohärenztomographen aufweist.The invention relates to a measuring device, in particular for a processing system for processing a workpiece using a high-energy processing beam, the measuring device having an optical coherence tomograph.
Optische Kohärenztomographen umfassen üblicherweise eine Strahlerzeugungseinheit zur Erzeugung eines Messstrahls und eines Referenzstrahls. Ferner weisen derartige optische Kohärenztomographen einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit erstreckenden Messarm, in dem der Messstrahl optisch führbar ist, sodass dieser auf ein Messobjekt projizierbar ist, und einen sich ausgehend von der Strahlerzeugungseinheit erstreckenden Referenzarm auf, in dem der Referenzstrahl optisch führbar ist und der den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet, sodass der Messstrahl und der Referenzstrahl nach Durchlaufen des Messarms bzw. des Referenzarms zur Erzeugung eines Interferenzsignals überlagert werden können.Optical coherence tomographs usually include a beam generation unit for generating a measurement beam and a reference beam. Furthermore, optical coherence tomographs of this type have a measuring arm, which extends from the beam generation unit and in which the measuring beam can be optically guided so that it can be projected onto a measurement object, and a reference arm that extends from the beam generation unit, in which the reference beam can be optically guided and which simulates the measuring arm at least in its optical path length, so that the measuring beam and the reference beam can be superimposed after passing through the measuring arm or the reference arm to generate an interference signal.
Zudem sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls bekannt, die beispielsweise bei Lasermaterialbearbeitungsprozessen Anwendung finden. Hierbei wird etwa ein hochenergetischer Laserbearbeitungsstrahls verwendet, um auf ein oder mehrere Werkstücke oder Werkstückteile einzuwirken, beispielsweise um diese miteinander zu verschweißen, Laserbohrungen einzubringen, Oberflächen zu bearbeiten etc. Die Vorrichtung kann dabei einen bewegbaren Bearbeitungskopf umfassen, der zum Beispiel von einem Industrieroboter getragen und relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück bewegbar sein kann. Derartige Vorrichtungen verfügen zudem über eine Bearbeitungsstrahloptik, mittels derer der Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück optisch führbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Werkstück relativ zu dem Bearbeitungskopf bewegbar sein.In addition, devices for processing a workpiece by means of a high-energy processing beam are known from the prior art, which are used, for example, in laser material processing processes. A high-energy laser processing beam is used here, for example, to act on one or more workpieces or workpiece parts, for example to weld them together, make laser holes, process surfaces, etc. The device can include a movable processing head that is carried, for example, by an industrial robot and can be movable relative to a workpiece to be machined. Devices of this type also have processing beam optics, by means of which the processing beam can be guided optically onto the workpiece. Alternatively or additionally, the workpiece can also be movable relative to the machining head.
In entsprechenden Bearbeitungssystemen kann ein optischer Kohärenztomograph zum Einsatz kommen, dessen Messstrahl in die Bearbeitungsstrahloptik einkoppelbar ist. Hierdurch können die Bearbeitungsprozesse dreidimensional überwacht werden, indem zusätzlich zu einer üblichen zweidimensionalen Überwachung mittels Kameras oder dergleichen der Kohärenztomograph eingesetzt wird, um Höheninformationen während des Bearbeitungsprozesses zu erhalten, die beispielsweise eine Oberfläche des Werkstücks oder eine Tiefe eines beim Laserschweißen erzeugten Keyholes betreffen.In corresponding processing systems, an optical coherence tomograph can be used, the measurement beam of which can be coupled into the processing beam optics. This allows the machining processes to be monitored three-dimensionally by using the coherence tomograph in addition to conventional two-dimensional monitoring using cameras or the like in order to obtain height information during the machining process, which relates, for example, to a surface of the workpiece or a depth of a keyhole produced during laser welding.
In diesem Fall kann es erforderlich sein, die optische Weglänge des Referenzarms an Änderungen der optischen Weglänge des Messarms anzupassen, beispielsweise wenn sich die optische Weglänge des Messarms aufgrund dessen ändert, dass sich der Abstand zwischen Bearbeitungsstrahloptik und dem bearbeiteten Werkstück ändert. Ebenso kann eine Dispersionsanpassung sinnvoll sein, um Dispersionsunterschieden zwischen Referenzarm und Messarm Rechnung zu tragen. Bezüglich solcher Anpassungen des Referenzarms wird beispielsweise auf die Dokumente
Um einen hohen Grad an Genauigkeit der mit dem optischen Kohärenztomographen durchgeführten Messungen zu erzielen, ist es grundsätzlich zielführend, die optischen Eigenschaften des Referenzarms und des Messarms einander möglichst genau anzugleichen, da andernfalls unerwünschte Laufzeitunterschiede und/oder Dispersionsunterschiede zwischen Messarm und Referenzarm auftreten können. Ein solches optisches Angleichen stellt jedoch in der Praxis eine große Herausforderung dar, da Referenzarm und Messarm unterschiedlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt sein können. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich der Referenzarm in einem ortsfesten Teil des optischen Kohärenztomographen befindet, ein Teil des Messarms jedoch zu einem bewegbaren Bearbeitungskopf oder dergleichen geführt ist und sich ggf. mit einem Roboterarm mitbewegt.In order to achieve a high degree of accuracy in the measurements carried out with the optical coherence tomograph, it is basically expedient to match the optical properties of the reference arm and the measuring arm as precisely as possible, since otherwise undesirable transit time differences and/or dispersion differences between the measuring arm and the reference arm can occur. However, such an optical adjustment represents a major challenge in practice, since the reference arm and measuring arm can be exposed to different environmental influences. This applies in particular when the reference arm is located in a stationary part of the optical coherence tomograph, but part of the measuring arm is guided to a movable processing head or the like and possibly moves with a robot arm.
In
Ein anderer Ansatz, wie ihn
Aus
Zudem offenbart
Ausgehend vom oben beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, Messarm und Referenzarm eines optischen Kohärenztomographen in einfacher und zuverlässiger Weise hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften aufeinander abzustimmen und insbesondere einen Einfluss von äußeren Bedingungen auf Messergebnisse zu reduzieren.Proceeding from the prior art described above, the object of the present invention is therefore to coordinate the optical properties of the measuring arm and reference arm of an optical coherence tomograph in a simple and reliable manner and, in particular, to reduce the influence of external conditions on measurement results.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.This object is achieved according to the invention by a measuring device having the features of claim 1 and a measuring device having the features of claim 3. Further developments of the invention can be found in the dependent claims.
Die Erfindung geht aus von einer Messvorrichtung der eingangs beschriebenen Art. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Messarm und der Referenzarm zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen optischen Faser verlaufen.The invention is based on a measuring device of the type described above. According to the invention, it is proposed that the measuring arm and the reference arm run at least in sections in a common optical fiber.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Durchführung optischer Kohärenztomographie mit einem Kohärenztomographen, insbesondere zur Überwachung einer Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls. Bei dem optischen Kohärenztomographen handelt es sich um den optischen Kohärenztomographen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:
- - Erzeugen eines Messstrahls und eines Referenzstrahls mittels einer Lichtquelle des optischen Kohärenztomographen;
- - optisches Führen des Messstrahls in einem Messarm derart, dass der Messstrahl auf ein Messobjekt projiziert wird; und
- - optisches Führen des Referenzstrahls in einem Referenzarm, der den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet, sodass der Messstrahl und der Referenzstrahl nach Durchlaufen des Messarms bzw. des Referenzarms zur Erzeugung eines Interferenzsignals überlagert werden können.
- - Generating a measuring beam and a reference beam by means of a light source of the optical coherence tomograph;
- - optical guiding of the measuring beam in a measuring arm in such a way that the measuring beam is projected onto a measurement object; and
- - Optical guiding of the reference beam in a reference arm, which simulates the measuring arm at least in its optical path length, so that the measuring beam and the reference beam can be superimposed after passing through the measuring arm or the reference arm to generate an interference signal.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Messstrahl und der Referenzstrahl zumindest abschnittsweise in einer gemeinsamen optischen Faser optisch geführt werden.According to the invention, it is proposed that the measuring beam and the reference beam be optically guided, at least in sections, in a common optical fiber.
Die Erfindung ermöglicht es, die Auswirkung äußerer Einflüsse wie beispielsweise einer Umgebungstemperatur oder einer mechanischen Belastung auf Komponenten auf die Messergebnisse eines optischen Kohärenztomographen zu reduzieren. Dies wird erfindungsgemäß insbesondere dadurch erreicht, dass sich äußere Einflüsse gleichermaßen auf den Referenzarms und den Messarm auswirken. Ferner kann ein optischer Kohärenztomograph bereitgestellt werden, der mit einer einzelnen optischen Faser zur Ausbildung des Referenzarms und des Messarms versehen ist, sodass andernfalls auftretende Abweichungen zwischen optischen Fasern vermieden werden können. Darüber hinaus kann auf aufwändige Verfahren zur Kompensation von auftretenden Abweichungen zwischen den optischen Eigenschaften des Messarms und des Referenzarms zumindest weitgehend verzichtet werden, da deren optische Eigenschaften aufgrund der gemeinsamen optischen Faser im Wesentlichen identisch sind.The invention makes it possible to reduce the effect of external influences, such as an ambient temperature or a mechanical load on components, on the measurement results of an optical coherence tomograph. According to the invention, this is achieved in particular in that external influences have an equal effect on the reference arm and the measuring arm. Furthermore, an optical coherence tomograph equipped with a single optical fiber for constituting the reference arm and the measurement arm can be provided, so that deviations between optical fibers that would otherwise occur can be avoided. In addition, complex methods for compensating for deviations that occur between the optical properties of the measuring arm and the reference arm can at least largely be dispensed with, since their optical properties are essentially identical due to the common optical fiber.
Der Referenzarm kann den Messarm auch bezüglich seiner Dispersion im Wesentlichen nachbilden.The reference arm can also essentially simulate the measurement arm with regard to its dispersion.
Der Messstrahl kann über eine Ablenkeinrichtung ablenkbar sein. Die Ablenkeinrichtung kann dabei beweglich sein. Hierbei kann es sich um eine Ablenkeinrichtung eines Bearbeitungskopfes des genannten Bearbeitungssystems handeln.The measuring beam can be deflected via a deflection device. The deflection device can be movable. This can be a deflection device of a processing head of the said processing system.
Die Strahlerzeugungseinheit kann einen Strahlteiler umfassen, der einen von der Lichtquelle kommenden Quellstrahl in den Messstrahl und den Referenzstrahl teilt. Der Strahlteiler kann den Quellstrahl in einem geeigneten Verhältnis in den Referenzstrahl bzw. den Messstrahl aufteilen. Aufgrund oftmals unvollständige Reflexion des Messstrahls am Messobjekt ist es hierbei zweckmäßig, dass ein größerer Teil des Quellstrahl auf den Messstrahl entfällt. Der Lichtweg, über den der Quellstrahl zu dem Strahlteiler führbar ist, ist in diesem Fall weder dem Referenzarm noch dem Messarm zuzuschlagen. Vielmehr erstrecken sich sowohl der Referenzarm als auch der Messarm insbesondere ausgehend von dem Strahlteiler. Vorzugsweise ist die Lichtquelle in einem ortsfesten Teil des optischen Kohärenztomographen angeordnet. The beam generation unit can include a beam splitter, which splits a source beam coming from the light source into the measuring beam and the reference beam. The beam splitter can split the source beam into the reference beam and the measurement beam in a suitable ratio. Due to the often incomplete reflection of the measurement beam on the measurement object, it is expedient here for a larger part of the source beam to fall on the measurement beam. In this case, the light path, via which the source beam can be guided to the beam splitter, is neither to be added to the reference arm nor to the measuring arm. Rather, both the reference arm and the measuring arm extend, in particular, starting from the beam splitter. The light source is preferably arranged in a stationary part of the optical coherence tomograph.
Dieser ortsfeste Teil kann zudem ein Spektrometer und/oder einen Zirkulator umfassen. Somit kann vorgesehen sein, dass der ortsfeste Teil des optischen Kohärenztomographen einen OCT-Sensor bildet.This fixed part can also include a spectrometer and/or a circulator. It can thus be provided that the stationary part of the optical coherence tomograph forms an OCT sensor.
Die gemeinsame optische Faser kann eine einzige gemeinsame optische Faser sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch mehrere gemeinsame optische Fasern vorgesehen sein, die beispielsweise in Reihe derart angeordnet sind, dass diese gemeinsam den optischen Weg des Referenzarms und des Messarms zumindest abschnittsweise definieren. Die zumindest eine gemeinsame optische Faser kann einen Großteil der Gesamtlänge des optischen Wegs des Referenzarms und/oder des Messarms umfassen. Die gemeinsame optische Faser kann gemäß einer Ausführungsform von einem ortsfesten Teil des optischen Kohärenztomographen zu dem Bearbeitungskopf führen. Ist der Bearbeitungskopf bewegbar ausgebildet, kann dessen Bewegung zu einer mechanischen Beanspruchung der optischen Faser führen, beispielsweise wenn diese aufgrund der Bewegung des Bearbeitungskopfes gekrümmt, gedehnt, gestaucht und/oder tordiert wird, wobei sich diese Bewegung der optischen Faser erfindungsgemäß gleichsam auf den Referenzarms und den Messarm auswirkt. Die optischen Eigenschaften des Referenzarms und des Messarms werden somit in gleicher Weise verändert, wenn die gemeinsame optische Faser einer mechanischen Belastung ausgesetzt ist. Selbiges gilt analog für andere äußere Einflüsse, wie beispielsweise für die Auswirkung einer Umgebungstemperatur auf den Referenzarm und den Messarm bzw. auf die gemeinsame optische Faser.The common optical fiber can be a single common optical fiber. In other embodiments of the invention, however, several common optical fibers can also be provided, which are arranged in a row, for example, in such a way that they jointly define the optical path of the reference arm and the measuring arm, at least in sections. The at least one common optical fiber can comprise a large part of the total length of the optical path of the reference arm and/or the measuring arm. According to one embodiment, the common optical fiber can lead from a stationary part of the optical coherence tomograph to the processing head. If the processing head is designed to be movable, its movement can lead to mechanical stress on the optical fiber, for example if it is bent, stretched, compressed and/or twisted as a result of the movement of the processing head, with this movement of the optical fiber affecting the reference arm and affects the measuring arm. The optical properties of the reference arm and the measuring arm are thus changed in the same way when the common optical fiber is subjected to mechanical stress. The same applies analogously to other external influences, such as the effect of an ambient temperature on the reference arm and the measuring arm or on the common optical fiber.
Ein zuverlässiger optischer Aufbau, der ein gemeinsames optisches Führen des Referenzstrahls und des Messstrahls in der gemeinsamen optischen Faser erlaubt, kann insbesondere dann bereitgestellt werden, wenn der optische Kohärenztomographen einen polarisierenden Strahlkombinierer umfasst, der derart angeordnet ist, dass der Messstrahl und der Referenzstrahl mit unterschiedlicher Polarisation in die gemeinsame Faser eingekoppelt werden. Der polarisierende Strahlkombinierer kann von der Strahlerzeugungseinheit aus betrachtet an einem proximalen Ende der gemeinsamen optischen Faser angeordnet sein. Insbesondere verlassen der Referenzstrahl und/oder der Messstrahl den Strahlteiler linear polarisiert. Der polarisierende Strahlkombinierer kann derart ausgebildet sein, dass er die Polarisationsrichtung des Messstrahls und/oder des Referenzstrahls verändert. Ferner kann der polarisierende Strahlkombinierer die Funktionen eines polarisierenden Strahlteilers übernehmen, wenn Referenzstrahl und Messstrahl durch die gemeinsame optische Faser zurücklaufen. Werden der Messstrahl und der Referenzstrahl in der gemeinsamen optischen Faser mit unterschiedlicher Polarisation geführt, kann deren Wechselwirkung innerhalb der gemeinsamen optischen Faser vorteilhaft reduziert werden, sodass das gemeinsame optische Führen in der gemeinsamen optischen Faser nicht zu fehlerhaften Messergebnissen führt.A reliable optical structure that allows a joint optical guidance of the reference beam and the measurement beam in the common optical fiber can be provided in particular when the optical coherence tomograph comprises a polarizing beam combiner, which is arranged such that the measurement beam and the reference beam with different Polarization are coupled into the common fiber. The polarizing beam combiner may be located at a proximal end of the common optical fiber as viewed from the beam generating unit. In particular, the reference beam and/or the measurement beam leave the beam splitter linearly polarized. The polarizing beam combiner can be designed in such a way that it changes the direction of polarization of the measurement beam and/or the reference beam. Furthermore, the polarizing beam combiner can perform the functions of a polarizing beam splitter when the reference beam and measurement beam return through the common optical fiber. If the measuring beam and the reference beam are guided in the common optical fiber with different polarization, their interaction within the common optical fiber can advantageously be reduced, so that the common optical guiding in the common optical fiber does not lead to erroneous measurement results.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der polarisierende Strahlteiler derart eingerichtet ist, dass die Polarisation des Messstrahls und die Polarisation des Referenzstrahls in der gemeinsamen optischen Faser um 90° zueinander verdreht sind. Insbesondere können der Messstrahl bzw. der Referenzstrahl bezüglich des Strahlteilers senkrecht bzw. parallel oder parallel bzw. senkrecht polarisiert sein. Hierdurch können der Referenzstrahl und der Messstrahl in zuverlässiger und leicht nachvollziehbarer Weise unabhängig voneinander in der gemeinsamen optischen Faser geführt werden.In a development of the invention, it can be provided that the polarizing beam splitter is set up in such a way that the polarization of the measuring beam and the polarization of the reference beam are rotated through 90° to one another in the common optical fiber. In particular, the measuring beam or the reference beam can be polarized perpendicularly or parallel or parallel or perpendicularly with respect to the beam splitter. As a result, the reference beam and the measuring beam can be guided independently of one another in the common optical fiber in a reliable and easily comprehensible manner.
Ungewollte Interferenz zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl in der gemeinsamen optischen Faser kann insbesondere dann in einfacher und zuverlässiger Weise vermieden oder zumindest reduziert werden, wenn sich ein optischer Weg des Referenzarms und ein optischer Weg des Messarms von der Strahlerzeugungseinheit zu der gemeinsamen Faser um einen Betrag unterscheiden, der größer als der Arbeitsbereich des Kohärenztomographen ist. Der Unterschied der optischen Wege kann sich um einen Betrag unterscheiden, der größer ist als die Kohärenzlänge des Referenzstrahls und des Messstrahls. Der Messstrahl und der Referenzstrahl laufen dann mit einem Wegunterschied in der gemeinsamen optischen Faser, der bewerkstelligt, dass die später zur Interferenz gebrachten Strahlkomponenten sich nicht bereits in der gemeinsamen optischen Faser überlagern.Unintentional interference between the measuring beam and the reference beam in the common optical fiber can be avoided or at least reduced in a simple and reliable manner, in particular if an optical path of the reference arm and an optical path of the measuring arm from the beam generating unit to the common fiber by an amount differ, which is larger than the working range of the coherence tomograph. The optical path difference may differ by an amount greater than the coherence length of the reference beam and the measurement beam. The measuring beam and the reference beam then run with a path difference in the common optical fiber, which brings about that the beam components later brought to interference are not already superimposed in the common optical fiber.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Referenzarm ein zumindest teilreflektierendes Element umfasst, das den Referenzstrahl nach Durchlaufen der gemeinsamen optischen Faser wieder durch die gemeinsame optische Faser zurückschickt. Der Referenzstrahl kann somit die gemeinsame optische Faser zweimal durchlaufen. Hierdurch können die optischen Eigenschaften von Referenzarm und Messarm einander weiter angeglichen werden, da der Messstrahl üblicherweise ebenfalls durch die gemeinsame optische Faser zurückläuft.In a further development of the invention, it can be provided that the reference arm comprises an at least partially reflecting element which, after passing through the common optical fiber, sends the reference beam back through the common optical fiber. The reference beam can thus traverse the common optical fiber twice. As a result, the optical properties of the reference arm and measuring arm can be further adjusted to one another, since the measuring beam usually also runs back through the common optical fiber.
Zudem kann erfindungsgemäß zwischen einem Ende der gemeinsamen Faser und dem zumindest teilreflektierenden Element ein polarisierender Strahlteiler angeordnet sein. Bei dem Ende kann es sich um das von der Strahlerzeugungseinheit aus betrachtet distale Ende des gemeinsamen Faser handeln. Ein erster Ausgang des polarisierenden Strahlteilers kann dazu eingerichtet sein, den Messstrahl in Richtung des Messobjekts auszukoppeln, beispielsweise über einen OCT-Scanner. Ein zweiter Ausgang des polarisierenden Strahlteilers kann dazu eingerichtet sein, den Referenzstrahl in Richtung des zumindest teilreflektierenden Elements auszukoppeln. Der polarisierende Strahlteiler kann zudem für den am zumindest teilreflektierenden Element reflektierten Referenzstrahl und den am Messobjekt reflektierten Messstrahl die Funktionen eines polarisierenden Strahlkombinierers übernehmen, sodass Messstrahl und Referenzstrahl mit unterschiedlicher Polarisation durch die gemeinsame Faser zurücklaufen. Im Ergebnis können der Messstrahl und der Referenzstrahl die optische Faser jeweils zweimal durchlaufen, benutzen also die Faser gemeinsam, bleiben aber durch ihre unterschiedliche Polarisationsrichtung physikalisch unterschieden und somit wieder vollständig trennbar.In addition, according to the invention, a polarizing beam splitter can be arranged between one end of the common fiber and the at least partially reflecting element. The end can be the end of the common fiber that is distal as viewed from the beam generation unit. A first output of the polarizing beam splitter can be set up to decouple the measurement beam in the direction of the measurement object, for example via an OCT scanner. A second output of the polarizing beam splitter can be set up to decouple the reference beam in the direction of the at least partially reflecting element. The polarizing beam splitter can also assume the functions of a polarizing beam combiner for the reference beam reflected on the at least partially reflecting element and the measurement beam reflected on the measurement object, so that the measurement beam and reference beam run back through the common fiber with different polarization. As a result, the measuring beam and the reference beam can each pass through the optical fiber twice, i.e. they use the fiber together, but remain physically different due to their different polarization direction and can therefore be completely separated again.
In einer alternativen Ausführungsform kann das zumindest teilreflektierende Element unmittelbar an einem Ende der gemeinsamen Faser angeordnet sein, wodurch ein einfacher Aufbau erzielt werden kann. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn sich wie beschrieben die optischen Wege von Referenzarm und Messarm um einen Betrag unterscheiden, der größer als der Arbeitsbereich des Kohärenztomographen ist. Vorzugsweise kommt hierbei ein teilreflektierendes Element zum Einsatz, das für den Referenzstrahl beispielsweise lediglich bis zu 5 %, bis zu 10 %, bis zu 15 % oder bis zu 20 % bezogen auf eine Intensität reflektierend ist.In an alternative embodiment, the at least partially reflecting element can be arranged directly at one end of the common fiber, as a result of which a simple structure can be achieved. This is particularly useful when, as described, the optical paths of the reference arm and measuring arm differ by an amount that is greater than the working range of the coherence tomograph. A partially reflecting element is preferably used here, which reflects only up to 5%, up to 10%, up to 15% or up to 20%, based on an intensity, for the reference beam.
Das zumindest teilreflektierende Element kann in besonders einfach Weise erzeugt werden, indem es durch einen geraden Schliff des Endes der gemeinsamen Faser gebildet ist. Die optischen Eigenschaften des zumindest teilreflektierenden Elements können zudem präzise und anwendungsspezifisch angepasst werden, wenn das zumindest teilreflektierende Element alternativ oder zusätzlich durch eine Beschichtung des Endes der gemeinsamen Faser gebildet ist. Die Beschichtung kann eine Beschichtung mit einer Schichtdicke im Nanometerbereich umfassen, die etwa durch Aufdampfen oder Sputtern erzeugt ist. In Abhängigkeit vom zu reflektierenden Wellenlängenbereich kommen Metalle wie beispielsweise Silber, Aluminium, Gold etc. oder auch Dielektrika infrage, etwa zur Erzeugung von Bragg-Spiegeln.The at least partially reflecting element can be produced in a particularly simple manner in that it is formed by grinding the end of the common fiber straight. The optical properties of the at least partially reflecting element can also be adjusted precisely and application-specifically if the at least partially reflecting element is formed alternatively or additionally by coating the end of the common fiber. The coating can include a coating with a layer thickness in the nanometer range, which is produced, for example, by vapor deposition or sputtering. Depending on the wavelength range to be reflected, metals such as silver, aluminum, gold, etc. or also dielectrics can be used, for example to create Bragg mirrors.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der optische Kohärenztomograph eine Weglängeneinstellvorrichtung mit einem zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen verlagerbaren Einstellelement, dessen Verlagerung eine Änderung der optischen Weglänge des Referenzarms und/oder des Messarms bewirkt. Hierdurch können die optischen Weglängen des Referenzarms und des Messarms in einfacher und zuverlässiger Weise aufeinander abgestimmt werden.In a development of the invention, the optical coherence tomograph includes a path length adjustment device with an adjustment element that can be displaced between different setting positions, the displacement of which causes a change in the optical path length of the reference arm and/or the measuring arm. As a result, the optical path lengths of the reference arm and the measuring arm can be matched to one another in a simple and reliable manner.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Einstellelement einen Spiegel umfasst. Zudem kann das Einstellelement eine Sammellinse umfassen, in deren Brennpunkt der Spiegel angeordnet ist. Spiegel und Sammellinse können dann gemeinsam zwischen Einstellpositionen bewegt werden, sodass es zur Weglängenverstellung nicht erforderlich ist, ein Faserende zu bewegen. Hierdurch wird eine hohe Zuverlässigkeit des zugrundeliegenden optischen Aufbaus erzielt. Zudem können ein großer Verstellbereich und eine große Verstellgeschwindigkeit erzielt werden, da die Verlagerung des Spiegels um eine bestimmte Strecke eine Weglängenänderung von doppeltem Umfang bewirken kann. Zudem kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein auf den Spiegel zulaufender Strahl an einer anderen Stelle durch die Sammellinse hindurchtritt als ein von dem Spiegel weglaufender Strahl. Beispielsweise können die Strahlen auf gegenüberliegenden Seiten einer Mittelachse der Sammellinse geführt werden. Alternativ können die Strahlen koaxial geführt sein.According to the invention it can be provided that the adjustment element comprises a mirror. In addition, the adjustment element can comprise a converging lens, in the focal point of which the mirror is arranged. The mirror and converging lens can then be moved together between setting positions, so that it is not necessary to move a fiber end to adjust the path length. This achieves high reliability of the underlying optical structure. In addition, a large adjustment range and a high adjustment speed can be achieved, since the displacement of the mirror by a certain distance can bring about a change in path length of twice the magnitude. In addition, it can be provided according to the invention that a beam running towards the mirror passes through the converging lens at a different point than a beam running away from the mirror. For example, the rays can be guided on opposite sides of a central axis of the converging lens. Alternatively, the beams can be guided coaxially.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Weglängeneinstellvorrichtung eine Verzögerungsplatte umfasst, insbesondere ein λ/4-Plättchen. Insbesondere in Kombination mit einem einen Spiegel umfassenden Einstellelement kann hierdurch ein zuverlässiger optischer Aufbau der Weglängeneinstellvorrichtung erzielt werden, der es erlaubt, die Weglängeneinstellvorrichtung an unterschiedlichen geeigneten Positionen im optischen Aufbau des optischen Kohärenztomographen anzuordnen. Die Weglängeneinstellvorrichtung kann einen polarisierenden Strahlkombinierer umfassen, hinter dessen kombinierendem Ende die Verzögerungsplatte und bevorzugt auch der Spiegel angeordnet sind. Es kann hierdurch auf ein bewegtes Faserende verzichtet werden, wobei zugleich die Polarisation des Strahls, der die Weglängeneinstellvorrichtung durchläuft, in vorteilhafter Weise derart beim Durchlaufen der Weglängeneinstellvorrichtung beeinflusst wird, dass die beim Eintritt in die Weglängeneinstellvorrichtung vorhandene Polarisation der Polarisation beim Austritt entspricht.According to one embodiment of the invention, it is proposed that the path length adjustment device comprises a delay plate, in particular a λ/4 plate. In particular in combination with an adjustment element comprising a mirror, a reliable optical structure of the path length adjustment device can be achieved in this way, which allows the path length adjustment device to be arranged at different suitable positions in the optical structure of the optical coherence tomograph. The path length adjustment device may comprise a polarizing beam combiner, behind the combining end of which the retardation plate and preferably also the mirror are arranged. As a result, a moving fiber end can be dispensed with, while at the same time the polarization of the beam that passes through the path length adjustment device is advantageously influenced in such a way when passing through the path length adjustment device that the polarization present at the entry into the path length adjustment device corresponds to the polarization at the exit.
Die Erfindung betrifft ferner ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, das eine Bearbeitungsstrahlquelle, eine Bearbeitungsstrahloptik und eine erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst, wobei der Messstrahl derart in dem Messarm optisch führbar ist, dass der Messstrahl in den Bearbeitungsstrahl einkoppelbar und über die Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück projizierbar ist.
Das Bearbeitungssystem kann einen Bearbeitungskopf umfassen, wobei die gemeinsame optische Faser von dem ortsfesten Teil der Messvorrichtung zu dem Bearbeitungskopf führt. Der Bearbeitungskopf kann relativ zu dem Werkstück verlagerbar sein. Beispielsweise kann der Bearbeitungskopf hierfür auf einem Roboterarm angeordnet oder anderweitig verlagerbar sein. Aufgrund einer entsprechenden Bewegung erzeugte auf die gemeinsame optische Faser wirkende Kräfte wirken sich daher ebenso wie sämtliche andere Umwelteinflüsse in gleicher Weise auf den Referenzarm und den Messarm aus, da diese beide durch die gemeinsame Faser verlaufen.The invention also relates to a processing system for processing a workpiece using a high-energy processing beam, which comprises a processing beam source, processing beam optics and a measuring device according to the invention, the measuring beam being optically guidable in the measuring arm in such a way that the measuring beam can be coupled into the processing beam and via the processing beam optics the workpiece can be projected.
The processing system may comprise a processing head, the common optical fiber leading from the stationary part of the measuring device to the processing head. The machining head can be displaceable relative to the workpiece. For example, the processing head can be arranged on a robot arm or otherwise displaceable. Forces acting on the common optical fiber generated as a result of a corresponding movement therefore have the same effect on the reference arm and the measuring arm in the same way as all other environmental influences, since these both pass through the common fiber.
Es versteht sich, dass der Gegenstand der Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die im Zusammenhang mit Weiterbildungen der Erfindung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale können vom Fachmann beliebig kombiniert werden, ohne dabei vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen, wie ihn die unabhängigen Ansprüche festlegen.It goes without saying that the subject matter of the invention is not limited to the embodiments described above. The embodiments and features described in connection with developments of the invention can be combined as desired by a person skilled in the art without deviating from the subject matter of the invention as defined by the independent claims.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:
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1 ein erfindungsgemäßes Bearbeitungssystem mit einer Messvorrichtung in einer schematischen Darstellung; -
2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bearbeitungssystem mit einer Messvorrichtung in einer schematischen Darstellung; -
3 eine schematische Darstellung einer ersten Weglängeneinstellvorrichtung, die erfindungsgemäß verwendet werden kann; und -
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Weglängeneinstellvorrichtung, die erfindungsgemäß verwendet werden kann.
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1 a machining system according to the invention with a measuring device in a schematic representation; -
2 a further embodiment of a processing system according to the invention with a measuring device in a schematic representation; -
3 a schematic representation of a first path length adjustment device that can be used according to the invention; and -
4 a schematic representation of a second path length adjustment device that can be used according to the invention.
Im Folgenden werden mehrere Aspekte der Erfindung dargestellt. Hierbei werden unterschiedliche Ansätze zum gemeinsamen optischen Führen von Referenzstrahl und Messstrahl in einer gemeinsamen optischen Faser dargestellt. Zudem werden unterschiedliche Weglängeneinstellvorrichtungen beschrieben. Der Fachmann wird die beschriebenen Ausführungsformen auch anders als dargestellt kombinieren, sofern dies zweckmäßig erscheint. In den Ausführungsbeispielen werden Messvorrichtung gezeigt, die in Laserbearbeitungssystemen eingesetzt werden. Die gezeigten Messvorrichtungen eignen sich jedoch auch zum Einsatz in anderen Bereichen, sodass die Ausgestaltung als Teil eines Laserbearbeitungssystems als beispielhaft zu verstehen ist.Several aspects of the invention are presented below. Different approaches to the joint optical guidance of the reference beam and measuring beam in a joint optical fiber are presented here. In addition, different path length adjustment devices are described. The person skilled in the art will also combine the described embodiments in a different way than shown, if this appears to be appropriate. The exemplary embodiments show measuring devices that are used in laser processing systems. However, the measuring devices shown are also suitable for use in other areas, so that the design as part of a laser processing system is to be understood as an example.
Das Bearbeitungssystem 12 umfasst eine Messvorrichtung 10, die einen optischen Kohärenztomographen 18 aufweist. Der optische Kohärenztomograph 18 umfasst eine Strahlerzeugungseinheit 20 mit einer Lichtquelle 56 zur Erzeugung eines Messstrahls 22 und eines Referenzstrahls 24. Die Lichtquelle 56 ist in einem ortsfesten Teil 52 des optischen Kohärenztomographen 18 angeordnet, der auch als OCT-Sensor bezeichnet werden kann. Der ortsfeste Teil 52 des optischen Kohärenztomographen 18 umfasst ferner ein Spektrometer 58 zur Auswertung von erhaltenen Messsignalen in bekannter Weise, die durch Überlagerung von Messstrahl 22 und Referenzstrahl 24 erzeugt werden. Ferner umfasst der ortsfeste Teil 52 einen Zirkulator 60, an den die Lichtquelle 56 und das Spektrometer 58 angeschlossen sind.The
Die Strahlerzeugungseinheit 20 umfasst des Weiteren einen Strahlteiler 62, der über eine optische Quellstrahlfaser 64 an den Zirkulator 60 angeschlossen und somit mit der Lichtquelle 56 verbunden ist. Die Lichtquelle 56 erzeugt einen Quellstrahl, aus dem der Strahlteiler 62 den Messstrahl 22 und den Referenzstrahl 24 erzeugt. Ferner führt die Quellstrahlfaser 64 den Messstrahl 22 und den Referenzstrahl 24 vom Strahlteiler 62 zum Zirkulator 60 und somit zum Spektrometer 58 zurück.The
Ferner umfasst der optische Kohärenztomograph 18 einen Messarm 26, in dem der Messstrahl 22 derart optisch führbar ist, dass dieser in den Bearbeitungsstrahl 16 einkoppelbar ist, sodass der Messstrahl 22 über die Bearbeitungsstrahloptik 50 auf das Werkstück 14 projizierbar ist. Im Messarm 26 ist eine bewegbare Ablenkeinrichtung 66 angeordnet, mittels derer der Messstrahl 22 derart ablenkbar ist, dass dieser innerhalb eines Nahbereichs eines Auftreffpunkts des Bearbeitungsstrahls 16 auf dem Werkstück 14 führbar ist, wodurch der Messstrahl 22 beispielsweise in ein bei der Bearbeitung entstehendes Keyhole und/oder unmittelbar auf den Auftreffpunkt des Bearbeitungsstrahls 16 auf dem Werkstück 14 gerichtet werden kann. Auch Messungen vor, neben oder hinter dem jeweiligen Bearbeitungsbereich sind durch Verlagerung des Auftreffpunkts des Messstrahls 22 möglich. Der Messstrahl 22 wird im Betrieb an dem Werkstück 14 reflektiert und gelangt somit über den Messarm 26 zurück zu dem ortsfesten Teil 52 des optischen Kohärenztomographen 18. Das Werkstück 14 bildet im gezeigten Fall ein Messobjekt 28.Furthermore, the
Der optische Kohärenztomograph 18 umfasst zudem einen Referenzarm 30, in dem der Referenzstrahl 24 optisch führbar ist und der zur Überwachung des Bearbeitungssystems 12 mittels des Messstrahls 22 den Messarm 26 zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet.The
Außerdem umfasst der optische Kohärenztomographen 18 eine gemeinsame optische Faser 32, in der sowohl der Messarm 26 als auch der Referenzarm 30 abschnittsweise verlaufen. Beim Betrieb des optischen Kohärenztomographen 18 werden sowohl der Messstrahl 22 als auch der Referenzstrahl 24 in der gemeinsamen optischen Faser 32 optisch geführt. Die gemeinsame optische Faser 32 führt von dem ortsfesten Teil 52 zu dem Bearbeitungskopf 54. Somit werden sowohl der Messarm 26 als auch der Referenzarm 30 über eine einzelne Faser zu dem Bearbeitungskopf 54 geführt, sodass Messarm 26 und Referenzarm 30 zumindest im Bereich der gemeinsamen optischen Faser 32, die einen Großteil des Messarms 26 und des Referenzarms 30 ausbildet, identischen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.In addition, the
Im Folgenden wird des Öfteren auf polarisierende Strahlkombinierer (PBC) und polarisierende Strahlteiler (PBS) Bezug genommen. Entsprechenden Begriffe beziehen sich dabei üblicherweise auf einen optischen Weg, der von der Strahlerzeugungseinheit 20 ausgeht. Der Fachmann wird verstehen, dass ein für eine bestimmte optische Richtung als Strahlkombinierer bzw. Strahlteiler bezeichnetes Bauteil in umgekehrter optischer Richtung die Funktion eines Strahlteilers bzw. Strahlkombinierers übernehmen kann. Polarisationsrichtungen sind zudem in
Der optische Kohärenztomographen 18 umfasst einen polarisierenden Strahlkombinierer 34, der über optische Fasern mit dem Strahlteiler 62 verbunden ist und somit den Messstrahl 22 und den Referenzstrahl 24 kombiniert. Ein kombinierender Ausgang des polarisierenden Strahlkombinierers 34 ist mit einem ersten Ende der gemeinsamen optischen Faser 32 verbunden. Im dargestellten Fall ist ein von der Lichtquelle 56 erzeugter Quellstrahl linear polarisiert. Daher sind der Messstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 nach Durchlaufen des Strahlteilers 62 parallel zueinander polarisiert. Da der polarisierende Strahlkombinierer 34 die Polarisationsrichtung an einem Eingang dreht, werden der Messstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 mit unterschiedlicher Polarisation in die gemeinsame optische Faser eingekoppelt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Polarisationsrichtungen um 90° zueinander verdreht. Der Messstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 interferieren daher in der gemeinsamen optischen Faser innerhalb des optischen Pfads von dem ortsfesten Teil 52 zu dem Bearbeitungskopf 54 nicht in unerwünschter Weise.The
Des Weiteren umfasst der optische Kohärenztomograph 18 einen polarisierenden Strahlteiler 38, der mit einem zweiten Ende der gemeinsamen optischen Faser 32 verbunden. Das zweite Ende der gemeinsamen optischen Faser 32 ist von der Strahlerzeugungseinheit 20 aus betrachtet ein distales Ende, wohingegen das erste Ende ein proximales Ende ist. Der polarisierende Strahlteiler 38 dreht wiederum die Polarisation eines der Strahlen 22, 24, im dargestellten Fall des Referenzstrahls 24, sodass der Messstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 den polarisierenden Strahlteiler 38 jetzt parallel zueinander polarisiert aber auf gentrennten Pfaden verlassen.Furthermore, the
Ausgehend von einem ersten Ausgang des polarisierenden Strahlteilers 38 führt ein Abschnitt des Referenzarms 30 zu einem reflektierenden Element 36. Dieses schickt den Referenzstrahl 24 nach Durchlaufen der gemeinsamen optischen Faser 32 wieder durch die gemeinsame optische Faser 32 zurück. Der polarisierende Strahlteiler 38 dreht hierbei wiederum die Polarisation des zurücklaufenden Referenzstrahls, sodass dessen Polarisation in der gemeinsamen optischen Faser für beide Durchgangsrichtungen identisch ist.Starting from a first output of the
Ausgehend von einem zweiten Ausgang des polarisierenden Strahlteilers 38 führt ein Abschnitt des Messarms 26 in bekannter Weise zu der Ablenkeinrichtung 66 und über die Bearbeitungsstrahloptik 50 zu dem Messobjekt 28. Von dort wird der Messstrahl 22 reflektiert und durch den polarisierenden Strahlteiler 38, der in umgekehrter Richtung als polarisierender Strahlkombinierer arbeitet, wieder mit dem Referenzstrahl 24 gemeinsam in die gemeinsame optische Faser 32 eingekoppelt, wobei wie erwähnt die Polarisation des Messstrahls 22 und des Referenzstrahls 24 auch beim Durchlaufen der gemeinsamen optischen Faser 32 in umgekehrter Richtung um 90° zueinander verdreht sind.Starting from a second output of the
Der polarisierende Strahlkombinierer 34 übernimmt für die zurücklaufenden Strahlen 22, 24 sodann die Funktion eines polarisierenden Strahlteilers, sodass der Messstrahl 22 und der Referenzstrahl 24 den polarisierenden Strahlkombinierer 34 auf dem Rückweg zum Strahlteiler 62 und zum Zirkulator 60 wieder parallel polarisiert, aber auf getrennten Wegen verlassen, wodurch die relevanten Strahlkomponenten erst im Spektrometer 38 zur Interferenz gebracht werden können, wohingegen diese nicht bereits in der gemeinsamen optischen Faser 32 in unerwünschter Weise interferieren.The
Wie in
Die Messvorrichtung 10' umfasst einen optischen Kohärenztomographen 18', der ebenfalls über eine gemeinsame optische Faser 32' verfügt, die von einem ortsfesten Teil 52' des optischen Kohärenztomographen 18' zu einem Bearbeitungskopf 54' führt. Ein von einer Strahlerzeugungseinheit 20' erzeugter Messstrahl 22' und Referenzstrahl 24' werden gemeinsam optisch in der gemeinsamen optischen Faser 32' geführt, sodass ein Messarm 26' und ein Referenzarm 30' des optischen Kohärenztomographen 18' im Bereich der gemeinsamen optischen Faser 32' denselben Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.The measuring device 10' includes an optical coherence tomograph 18', which also has a common optical fiber 32', which leads from a stationary part 52' of the optical coherence tomograph 18' to a processing head 54'. A measuring
Um eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen Strahlkomponenten des Messstrahls 22' und des Referenzstrahls 24' zu vermeiden, die erst im Spektrometer 58' zur Interferenz gebracht werden sollen, sieht die weitere Ausführungsform vor, dass sich ein optischer Weg des Referenzarms 30' und ein optischer Weg des Messarms 26' von der Strahlerzeugungseinheit 20' zu der gemeinsamen optischen Faser 32' um einen Betrag unterscheiden, der größer als der Arbeitsbereich des Kohärenztomographen 18' ist. Zudem kann gemäß der weiteren Ausführungsform auf polarisierende Strahlteiler bzw. polarisierende Strahlkombinierer verzichtet werden.In order to avoid an undesired interaction between beam components of the measuring beam 22' and the reference beam 24', which are only to be brought to interference in the spectrometer 58', the further embodiment provides that an optical path of the reference arm 30' and an optical path of the Measuring arm 26' differ from the beam generating unit 20' to the common optical fiber 32' by an amount which is greater than the working range of the coherence tomograph 18'. In addition, according to the further embodiment, polarizing beam splitters or polarizing beam combiners can be dispensed with.
Gemäß der weiteren Ausführungsform ist ein proximales Ende der gemeinsamen optischen Faser 32' unmittelbar mit einem ersten Ausgang eines Strahlteiler 62' des optischen Kohärenztomographen 18' verbunden. Im dargestellten Fall handelt es sich um einen Ausgang des Strahlteilers 62', der einen größeren Intensitätsanteil eines entsprechenden Quellstrahls ausgibt. An einem distalen Ende der gemeinsamen optischen Faser 32' ist ein teilreflektierendes Element 36' angeordnet. Im dargestellten Fall handelt es sich dabei um ein gerade geschliffenes Faserende, das mit einem geeigneten Material wie beispielsweise Silber dampft ist, um die Reflexionseigenschaften in gewünschter Weise anzupassen. Am teilreflektierenden Element 36' wird ein Teil des durch die gemeinsame optische Faser 32' geführten Strahls reflektiert und als Referenzstrahl 24' zu dem Strahlteiler 62' zurückgeschickt. Ein durch das teilreflektierende Element 36' transmittierter Anteil des Strahls wird als Messstrahl 22' über eine Ablenkeinrichtung 66' zu einer Bearbeitungsstrahloptik 50' und auf das Messobjekt 28' geführt.According to the further embodiment, a proximal end of the common optical fiber 32' is connected directly to a first output of a beam splitter 62' of the optical coherence tomograph 18'. In the case shown, this is an output of the beam splitter 62', which outputs a larger intensity component of a corresponding source beam. A partially reflective element 36' is disposed at a distal end of the common optical fiber 32'. In the case shown This is a straightened fiber end that has been vapour-coated with a suitable material such as silver to adjust the reflection properties in the desired way. A portion of the beam guided through the common optical fiber 32' is reflected at the partially reflecting element 36' and sent back to the beam splitter 62' as a reference beam 24'. A part of the beam transmitted through the partially reflecting element 36' is guided as a measuring beam 22' via a deflection device 66' to a processing beam optics 50' and onto the measuring object 28'.
Der von dem teilreflektierenden Element 36' zurücklaufende Referenzstrahl 24' wird über das proximale Ende der gemeinsamen optischen Faser 32' in den Strahlteiler 62' zurückgeführt und läuft von einem gegenüberliegenden Ausgang des Strahlteiler 62' zu einer Weglängeneinstellvorrichtung 40'. Diese umfasst ein zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen verlagerbares Einstellelement 42', das neben einer Linse einen Spiegel 46' umfasst, der sich im Brennpunkt der Linse befindet. Durch verlagern dieses Einstellelements 42' kann die optische Weglänge des somit gebildeten Referenzarms 30' an eine veränderliche optische Weglänge des Messarms 26' angepasst werden. Die Verlagerbarkeit des Einstellelements 42' ist in
Vom Spiegel 46' der Weglängeneinstellvorrichtung 40' wird der Referenzstrahl 24' zum Strahlteiler 62' zurückgeführt und tritt aus einem der gemeinsamen optischen Faser 32' benachbarten Anschluss des Strahlteilers 62' aus, der zu einem weiteren Spiegel 68' führt. Von dort wird der Referenzstrahl 24' wiederum über den Strahlteiler 62' zu einem Zirkulator 60' der Strahlerzeugungseinheit 20' zurückgeführt.The reference beam 24' is returned from the mirror 46' of the path length adjustment device 40' to the beam splitter 62' and emerges from a connection of the beam splitter 62' adjacent to the common optical fiber 32', which leads to a further mirror 68'. From there, the reference beam 24' is in turn fed back via the beam splitter 62' to a circulator 60' of the beam generation unit 20'.
Somit wird ein Versatz zwischen korrespondierenden Strahlkomponenten dadurch erzeugt, dass der Referenzstrahl 24' lediglich bis zum distalen Ende der gemeinsamen optischen Faser 32' läuft, wohingegen der Messstrahl 22' vom teilreflektierenden Element 36' weiter bis zum Messobjekt 28' und von dort wieder zurück geführt ist. Das entsprechende dem Referenzarm 30' an dieser Stelle fehlende optische Wegstück wird von der Weglängeneinstellvorrichtung 40' und einem Abschnitt des Strahlteiler 62' zu dem weiteren Spiegel 68' führt.Thus, an offset between corresponding beam components is generated in that the reference beam 24' runs only to the distal end of the common optical fiber 32', whereas the measuring beam 22' continues from the partially reflecting element 36' to the measuring object 28' and from there back again is. The corresponding optical path length missing from the reference arm 30' at this point is led from the path length adjustment device 40' and a section of the beam splitter 62' to the further mirror 68'.
In einer Abwandlung dieser Ausführungsform kann anstelle des teilreflektierenden Elements 36' am Ende der gemeinsamen optischen Faser 32' ein teildurchlässiger Spiegel in der Ablenkeinrichtung 66' vorgesehen sein, hinter dem ein zusätzlicher Spiegel angeordnet ist, sodass der Referenzstrahl 64' an diesem zusätzlichen Spiegel reflektiert und von dort in die gemeinsame optische Faser 32' zurückgeschickt wird.In a modification of this embodiment, instead of the partially reflecting element 36' at the end of the common optical fiber 32', a partially transparent mirror can be provided in the deflection device 66', behind which an additional mirror is arranged, so that the reference beam 64' is reflected at this additional mirror and from there is sent back into the common optical fiber 32'.
Die
Ein aus dem kombinierenden Ausgang des polarisierenden Strahlkombinierers 170 austretender Strahl wird aufgeweitet und mittels einer ersten Linse 176 kollimiert. Der kollimierte Strahl tritt sodann durch eine Verzögerungsplatte 144 der Weglängeneinstellvorrichtung 140 hindurch. Hierbei handelt es sich im gezeigten Fall um ein λ/4-Ptättchen.A beam emerging from the combining output of the
Anschließend wird der kollimierte Strahl zu einer zweiten Linse 178 geführt, die ihn auf einen Spiegel 146 fokussiert. Ein Abstand zwischen der zweiten Linse 178 und dem Spiegel 146 ist konstant. Die beiden optischen Elemente bilden gemeinsam ein Einstellelement 142 aus, das zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen verlagerbar ist, wodurch eine Weglängeneinstellung ermöglicht wird. Die Verlagerbarkeit des Einstellelements 142 ist in
Vom Einstellelement aus läuft der Strahl zurück zum polarisierenden Strahlkombinierer 170 und verlässt diesen zu der abführenden Faser 174 hin.From the adjustment element, the beam travels back to the
Ist der zur Weglängeneinstellvorrichtung 140 geführte Strahl, beispielsweise ein Referenzstrahl, linear polarisiert, trifft dieser linear polarisiert auf die Verzögerungsplatte 144, sodass er zirkular polarisiert aus dieser austritt. Am Spiegel 146 wird die Polarisation dann in bekannter Weise umgekehrt, sodass das reflektierte Licht in umgekehrter Richtung zirkular polarisiert ist. Tritt dieses Licht beim Zurücklaufen erneut durch die Verzögerungsplatte 144 hindurch, wird wiederum linear polarisiertes Licht erzeugt, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zu der Polarisationsrichtung des einlaufenden Strahls steht. Da der polarisierende Strahlkombinierer bei den beschriebenen Durchgängen die Polarisationsrichtung des Strahls insgesamt einmal um 90° dreht und somit die durch Verzögerungsplatte 144 und Spiegel 146 verursachte Polarisationsänderung kompensiert, entspricht die Polarisation des durch die zuführende Faser 172 zugeführten Lichts der Polarisation des durch die abführenden Faser 174 abgeführten Lichts, sodass die Polarisation des Lichts durch die Weglängeneinstellvorrichtung 140 als Ganzes nicht verändert wird. Polarisationsrichtungen sind in
Die erste alternative Weglängeneinstellvorrichtung 140 erlaubt es somit ebenfalls, ein Einstellelement 142 mit einem Spiegel 146 zu verwenden, sodass es nicht erforderlich ist, ein bewegtes Faserende vorzusehen. Zudem kann trotz kompakter Bauform ein großer Verstellweg erzielt werden.The first alternative path
Der Strahl tritt dabei jeweils zu einer Mittelachse der Hauptlinse 282 versetzt durch diese hindurch. Die Hauptlinse 282 kann daher als einzelne Linse sowohl zum Fokussieren des einlaufenden Strahls auf den Spiegel 246 als auch zum Kollimieren des reflektierten Strahls verwendet werden. Ähnlich wie im Fall der ersten alternativen Weglängeneinstellvorrichtung 140 ist ein Abstand zwischen der Hauptlinse 282 und dem Spiegel 246 fest und die beiden werden gemeinsam als Einstellelement 242 wie mittels des Doppelpfeils in
Zusätzlich zu den beschriebenen Weglängeneinstellvorrichtungen 40, 40', 140, 240 können auch Weglängeneinstellvorrichtungen eingesetzt werden, die über wenigstens eine in ihrer Länge verstellbare Faser verfügen, die beispielsweise gezielt gedehnt wird, um eine optische Weglänge zu vergrößern.In addition to the path
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