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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zum Einstellen einer Referenzstrecke eines OCT-Systems nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Beim industriellen Bearbeiten von Werkstücken gewinnt der Einsatz von Laserstrahlung an Bedeutung, etwa zum Schneiden oder Schweissen der Werkstücke. Mit verschiedenen Technologien werden die Qualität und Güte des Bearbeitungsvorgangs und des Bearbeitungsergebnisses bestimmt und beeinflusst. Mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) kann beispielsweise beim Laserschweissen eine Einschweisstiefe am Werkstück bestimmt werden. Allgemein ist die OCT-Messung eine interferometrische Relativabstandsmessung, bei der die Länge der optischen Weglänge einer Messstrecke mit der Weglänge einer Referenzstrecke verglichen wird. Bei der OCT-Messung wird im Allgemeinen ein Messstrahl mit einem Referenzstrahl in Interferenz gebracht und somit Längendifferenzen an einem Messobjekt bestimmt. Der Messstrahl trifft auf das Messobjekt und wird von diesem reflektiert, der Referenzstrahl durchläuft hierbei eine Referenzstrecke, welche auch als Referenzarm bezeichnet wird.
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Bei einer Variante von OCT-Systemen wird der Messstrahl von schnell beweglichen optischen Elementen abgelenkt, so dass der Messstrahl den Messbereich überstreicht oder scannt. Solche OCT-Systeme umfassen gewöhnlich eine OCT-Strahlquelle, einen OCT-Scanner und einen OCT-Sensor. Der Messbereich von OCT-Systemen ist jedoch räumlich beschränkt, was den Einsatz bei der Laserbearbeitung einschränkt. Ändert sich etwa während einer laufenden Messung die Nulllage des zu messenden Objektes oder Messobjekts, wobei sich die Länge des Messstrahls verändert, beispielsweise weil sich die Entfernung der Optik zum Messobjekt ändert oder der Messstrahl seitlich ausgelenkt wird, und der Referenzstrahl wird nicht nachgeführt, so wird der Messbereich weiter eingeschränkt.
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Zum Ausweiten des Messbereichs derartiger OCT-Systeme wird im Stand der Technik vorgeschlagen, die Referenzstrecke mit den Längenänderungen des Messstrahls synchron nachzustellen. Dieser Vorschlag führt jedoch zu Störungen der Interferenz aus Messsignal und Referenzsignal und unzureichenden Messergebnissen.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren mit optischer Kohärenztomographie (OCT) und ein OCT-System bereitzustellen, welches verbesserte Messergebnisse zur Verfügung stellt.
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Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Einstellen einer Referenzstrecke eines OCT-Systems, mit den Verfahrensschritten
- - Bereitstellen eines OCT-Systems;
- - Erzeugen eines Messstrahls durch das OCT-System und Leiten des Messstrahls zu einem Messobjekt;
- - Erzeugen eines Referenzstrahls durch das OCT-System und Leiten des Referenzstrahls durch eine Referenzstrecke;
- - Überlagern des vom Messobjekt reflektierten Messstrahls und des Referenzstrahls und Erfassen von Interferenzsignalen zwischen dem Messstrahl und dem überlagerten Referenzstrahl mittels eines Interferometers des OCT-Systems;
- - Aufteilen eines Scanpfads des Messstrahls in Messphasen und Stellphasen; und
- - Einstellen der Referenzstrecke ausschliesslich in den Stellphasen.
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Ausserdem wird die Aufgabe gelöst mit einem OCT-System zum Einstellen einer Referenzstrecke, wobei das OCT-System dazu ausgebildet ist, einen Messstrahl auf die Messobjekte aufzubringen, einen Referenzstrahl durch die Referenzstrecke zu leiten und den reflektierten Messstrahl und den Referenzstrahl zu überlagern, mit einem Interferometer zum Erfassen von Interferenzsignalen zwischen dem Messstrahl und dem überlagerten Referenzstrahl, mit Messphasen und Stellphasen eines Scanpfads des Messstrahls und einer Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Referenzstrecke ausschliesslich in den Stellphasen einzustellen. Mit diesen Lösungsvorschlägen lässt sich der Messbereich von OCT-System vergrössern.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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In vorteilhafter Weise erfolgt das Scannen und Aufnehmen von Messdaten durch den Messstrahl in den Messphasen, und das Verfahren oder Springen des Messstrahls in den Stellphasen ohne Aufnehmen von Messdaten. Auf diese Weise werden Messungenauigkeiten vermieden oder wenigstens wesentlich verringert.
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Bei einem Beispiel wird die Referenzstrecke anhand von Korrekturdaten in der Auswerteeinrichtung eingestellt.
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Bei einem weiteren Beispiel wird das Einstellen der Referenzstrecke durch ein Signal der Auswerteeinrichtung in den Stellphasen blockiert oder verzögert, wenn die Zeitabschnitte zu kurz für ein Einstellen der Referenzstrecke sind. Das Einstellen der Referenzstrecke wird dann während folgender Stellphasen durchgeführt, welche eine ausreichende Zeitdauer zum Einstellen aufweisen. Hiermit wird vermieden, dass das Einstellen der Weglänge des Referenzstrahls, die Referenzstrecke, in Abschnitten der Messphasen stattfindet und Messungenauigkeiten eingeführt werden.
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Erkannt wurde, dass hinsichtlich der Zeitdauer der Stellphasen insbesondere Aktoren zum Verfahren oder Verschwenken eines optischen Elements im OCT-System geeignet sind, welche innerhalb von 1-2ms ansprechen. Das optische Element dient zum Einstellen der Referenzstrecke und kann als Referenzstrahlspiegel ausgebildet sein.
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Im Folgenden ist ein Beispiel der Erfindung anhand der folgenden Figuren in Einzelheiten beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines OCT-Systems zum Scannen eines Werkstücks mit einem Messstrahl und einem Referenzstrahl sowie einen Laser-Scanner mit einem Laserstrahl zum Bearbeiten des Werkstücks;
- 2 zeigt einen beispielhaften Scanpfad eines Messstrahls mit durchgezogenen Messphasen, in denen Messdaten erfasst werden, und gestrichelten Phasen, in denen der Messstrahl springt und keine Messdaten erfasst werden, mit Bezug zu 1;
- 3 zeigt beispielhaft Messwerte im Zusammenhang mit dem Scanpfad nach 2 ohne Einstellen der Referenzstrecke;
- 4 zeigt die eingestellte Referenzstrecke im Zusammenhang mit dem Scanpfad nach 2;
- 5 zeigt beispielhaft Messwerte im Zusammenhang mit dem Scanpfad nach 2 und dem Einstellen der Referenzstrecke nach 4;
- 6 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Scanpfads mit durchgezogenen Messphasen, in denen Messdaten erfasst werden, und gestrichelten Stellphasen, in denen der Messstrahl springt und keine Messdaten erfasst werden.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines OCT-Systems 1, mit welchem hochpräzise Messungen an einem Messobjekt 25 möglich sind. Das OCT-System 1 umfasst hierbei eine OCT-Strahlquelle 11 zum Erzeugen eines OCT-Strahls 9, einen Strahlteiler 6 zum Teilen des OCT-Strahls 9 in einen Messstrahl 12 und einen Referenzstrahl 15, einen Referenzstrahlspiegel 16 zum Reflektieren und Einstellen des Referenzstrahls 15 und eine OCT-Faser 8 zum Leiten des Messstrahls 12 zu einem OCT-Scanner 10. Ein Gehäuse 18 umgibt die Strahlquelle 11, den Strahlteiler 6, den Referenzstrahlspiegel 16 und einen OCT-Sensor 19. OCT-Systeme 1 an sich sind für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten im Stand der Technik bekannt. Hierbei werden Höhendifferenzen gemessen mittels Interferenz des Messstrahls 12 mit dem durch eine Referenzstrecke 13 geleiteten Referenzstrahl 15. Die Referenzstrecke 13 wird auch als Referenzarm bezeichnet. Der Messstrahl 12 durchläuft in diesem Beispiel nach dem OCT-Scanner 10 einen Laser-Scanner 5 eines Lasersystems, in welchem der Messtrahl 12 von einem weiteren optischen Element, einem Spiegel 17, einem Messobjekt 25 zugeführt wird. Weitere optische Elemente können ausgeführt sein zu dem Zweck, den Messstrahl 12 umzulenken. Das Lasersystem umfasst eine Laserquelle 3 und einen Laserbearbeitungskopf, hier den Laser-Scanner 5, und ist dazu ausgebildet, einen Laserstrahl 14 zu erzeugen, welcher zum Bearbeiten des Messobjektes 25 geeignet ist. Das Bearbeiten ist beispielsweise das Schweissen mittels des Laserstrahls 14, wobei das Messobjekt 25 ein Werkstück eines bestimmten Materials ist, etwa ein Metall, etwa ein Blech. Der OCT-Scanner 10 und der Laser-Scanner 5 sind signaltechnisch mit wenigstens einer Auswerteeinrichtung 30 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 30 umfasst geeignete Mittel zum Steuern des OCT-Systems 1 mit den genannten Komponenten und des Lasersystems mit Laser-Scanner 5 und Auswerten der Daten des OCT-Systems 1 und des Laser-Scanners 5, insbesondere eine programmierte Prozessoreinheit. Weitere Prozessoreinheiten und Steuerungseinheiten können vorgesehen sein. Die Laserstrahlung des Laserstrahls 14 mit hoher Energie wird von der Laserquelle 3 über ein Laserlichtkabel 7 dem Laser-Scanner 5 zugeführt und über wenigstens den schwenkbaren Spiegel 17 dem Messobjekt 25 oder Werkstück beaufschlagt. Zu diesem Zweck wird der Laserstrahl 14 vom schwenkbaren Spiegel 17 reflektiert und zu verschiedenen Positionen am Messobjekt 25 geleitet. Dies ist in 1 schematisch dargestellt mit zwei Laserstrahlen 14, die an verschiedenen Positionen am Messobjekt 25 auftreffen. Eine Position kann beispielweise ein Nahtanfang und die zweite Position ein Nahtende einer vom Laserstrahl 14 erzeugten Schweissnaht sein. In ähnlicher Weise ist der Messstrahl 12, welcher etwa koaxial zum Laserstrahl 14 verläuft, an den zwei selben Positionen dargestellt. Diese Positionen sind wiederum der Nahtanfang und das Nahtende der Schweissnaht, welche vom Messstrahl 12 überstrichen oder gescannt wird. Der Messstrahl 12 wird vom Messobjekt 25 reflektiert und am Spiegel 17 zum OCT-Scanner 10 umgelenkt. Das optische Element in der Ausführung als Spiegel 17 im Laser-Scanner 5 dient demnach als Umlenkmittel für den Laserstrahl 14 und den Messstrahl 12. Der Messstrahl 12 durchläuft danach erneut die OCT-Faser 8 und wird vom Strahlteiler 6 zum OCT-Sensor 19 gelenkt. Alternativ wird der Messstrahl 12 von einem Zirkulator umgelenkt. In einem Interferometer des OCT-Sensors 19 interferiert der Messstrahl 12 mit dem Referenzstrahl 15, welcher die Referenzstrecke 13 zur zurückgelegten Strecke des Messstrahls 12 durchläuft. Alternativ kann das Interferometer auch im OCT-Scanner 10 angeordnet sein und die Referenzstrecke 13 verläuft im OCT-Scanner 10, anders als in 1 dargestellt.
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2 zeigt einen beispielhaften Scanpfad 20 des Messstrahls 12 entlang des Messobjekts 25, dies ist der Verlauf des Endpunktes des Messstrahls 12 am Messobjekt 25 in Richtung der x-Achse und der y-Achse mit Bezug zu 1. Messphasen 21, in denen Messdaten erfasst werden, sind mit durchgezogenen Pfeillinien dargestellt. Phasen, während denen keine Messdaten erfasst werden, sind mit gestrichelten Linien dargestellt, wobei der Messstrahl 12 von einer Position des Scanpfads 20 zu einem anderen Punkt des Scanpfads 20 springt oder umschwenkt. Die Auswerteeinrichtung 30 steuert den OCT-Scanner 10, welcher den Messtrahl 12 auf das Werkstück 25 positioniert. Der Scanpfad 20 kann auch weitere geometrische Objekte umfassen, etwa eine Anzahl von Punkten. Im Beispiel nach 2 ist der OCT-Scanner 10 bei den durchgezogenen nach schräg unten gerichteten Pfeilen in einer Messphase 21, während der OCT-Scanner 10 bei den gestrichelten Linien in einer Stellphase 22 ist. Während der Messphasen 21 werden vom OCT-System 1 Messdaten vom Messobjekt 25 erfasst und die Referenzstrecke 13 wird nicht eingestellt oder nachgestellt. Während der Stellphase 22 werden vom OCT-System 1 keine Messdaten vom Messobjekt 25 erfasst, sondern die Referenzstrecke 13 wird eingestellt oder nachgestellt, wie unter 4 beschrieben. In den kurzen Zeitabschnitten der Stellphasen 22 wird auch der Messstrahl 12 mittels Optiken im OCT-Scanner 10 umgelenkt, so dass der Messstrahl 12 nach dem Umlenken an einem anderen Punkt am Messobjekt 25 auftrifft. Mit anderen Worten springt der Auftreffpunkt des Messstrahls 12 von einem Punkt zu einem entfernten Punkt am Messobjekt 25. Der Messstrahl 12 springt oder wird verfahren vom Ende einer Messgeometrie, hierbei vom Ende einer Linie, zum Anfangspunkt der nächsten Messgeometrie, hierbei dem Anfang der nächsten Linie des Scanpfads 20. Nach dem Umlenken des Messtrahls 12 und dem Einstellen der Referenzstrecke 13 beginnt die nächste Messphase 21, in 2 am nächsten durchgezogenen Pfeil.
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Für den Fall, dass die Auswerteeinrichtung 30 feststellt, dass die Zeit zum Umstellen des Messstrahls 12 zu kurz ist für das Umstellen des Aktors zum Ändern der Referenzstrecke 13, wird eine nächste Messphase 21 entsprechend verzögert. Dementsprechend wird die Referenzstrecke 13 eingestellt und erst anschliessend beginnt die nächste Messphase 21.
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3 zeigt beispielhaft Messwerte des OCT-Systems 1 in Bezug zu 1 und 2. In Richtung der x-Achse wird wiederum der Messstrahl 12 ausgelenkt, an der z-Achse sind qualitativ die Messwerte vom Messobjekt 25 aufgezeigt ohne Einstellen der Referenzstrecke 13. In Folge der Auslenkung des Messstrahls 12 durch den Spiegel 17, einen Laserscannerspiegel, steigt der z-Wert entlang der x-Achse. Dies sind unerwünschte Messungenauigkeiten, welche ohne das beschriebene Verfahren und OCT-System 1 auftreten. Bei diesem Beispiel wird zur vereinfachten Darstellung eine ebene Fläche mittels OCT vermessen. Folglich sollten die Messdaten in der z-Achse konstant sein, da keine Höhenunterschiede am Messobjekt 25 vorhanden sind.
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4 zeigt die Referenzstrecke 13 im Zusammenhang mit dem Scanpfad 20 nach 2, wobei die Referenzstrecke 13 wie in diesem Dokument beschrieben eingestellt oder nachgeführt wird. Die x-Achse bezeichnet wiederum die Auslenkung des Messstrahls 12 des OCT-Systems 1 wie in 1 dargestellt. Die R-Achse bezeichnet die Länge des Referenzstrahls 15, welcher mit dem Messstrahl 12 interferiert. Mit anderen Worten bezeichnet die R-Achse die Referenzstrecke 13, auch Referenzarm. Die Referenzstrecke 13 wird wie unter 1 beschrieben eingestellt oder nachgeführt, in diesem Beispiel durch Verschieben des Referenzstrahlspiegels 16 in Richtung des Pfeils (R) in 1. Wie in 4 ersichtlich ändert sich die Referenzstrecke 13 entlang der x-Achse während der Stellphasen 22, dargestellt mit durchgezogenen Linien. Während der Messphasen 21 bleibt die Referenzstrecke 13 konstant und wird nicht eingestellt oder nachgestellt, dargestellt mit punktierten Linien in 4. Die Referenzstrecke 13 wird eingestellt oder nachgestellt im OCT-System 1, indem wie vorstehend ein den Referenzstrahl 15 reflektierendes optisches Element, der Referenzstrahlspiegel 16, oder ein transmittierendes optisches Element (nicht dargestellt) verschoben oder verkippt wird und dadurch die zurückgelegte Wegstrecke des Referenzstrahls 15 verändert wird. Der Referenzstrahlspiegel 16 im OCT-System 1 wird von geeigneten schnellen Aktoren angetrieben. Ein geeigneter Aktor hat eine Ansprechzeit von etwa 1-2ms und kann als Galvanometer-Aktor, piezoelektrischer Aktor oder MEMS-Aktor ausgebildet sein.
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In der Auswerteeinrichtung 30 liegen Korrekturdaten vor, welche die Weglänge des Referenzstrahls 15 und damit die Referenzstrecke 13 verändern. Die Korrekturdaten in einem Korrekturfile hängen ab von der Brennweite eines Objektivs im Laser-Scanner 5 und von dem Winkel, mit welchem der Messstrahl 12 auf das Messobjekt 25 auftrifft. Dieser Winkel nimmt mit zunehmender Auslenkung des Messstrahls 12 durch den Spiegel 17 von links, wo der Winkel Null ist mit einem senkrechten Messstrahl 12, nach rechts mit Bezug auf 1 zu. Die Auswerteeinrichtung 30 veranlasst ein Verschieben des Referenzstrahlspiegels 16 mittels eines Aktors auf der Grundlage der Korrekturdaten. Die entstehende Referenzstrahlverlängerung im gesamten Bearbeitungsfeld des Laser-Scanners 5 liegt hierbei im Millimeterbereich.
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5 zeigt beispielhaft Messwerte des OCT-Systems 1 im Zusammenhang mit dem Scanpfad 20 nach 2 und der Darstellung des Referenzarms nach 4. In Richtung der x-Achse wird wiederum der Messstrahl 12 ausgelenkt, an der z-Achse sind qualitativ die Messwerte vom Messobjekt 25 aufgezeigt mit dem Einstellen oder Nachstellen der Referenzstrecke 13. Hierbei wird im Gegensatz zu 3 die Referenzstrecke 13 eingestellt, wie in 4 beschrieben und gezeigt, so dass korrigierte Messwerte entstehen. Zum Zweck der Darstellung ist vom OCT-System 1 wiederum eine ebene Fläche aufgezeichnet. Wie zu erkennen ist, sind die Messwerte in den Messphasen 21 entlang der x-Achse im Wesentlichen konstant mit Ausnahme geringfügiger zunehmender Abweichungen. Im Vergleich zu 3 ohne das Einstellen wie in diesem Dokument beschrieben, sind die Messergebnisse mit dem Einstellen der Referenzstrecke 13 wie in 5 erheblich verbessert. Die ebene Fläche des Messobjekts 25 wird in den Messergebnissen nach 5 über den gesamten Messbereich als nahezu ebene Fläche dargestellt. Ähnliche Ergebnisse werden erhalten beim Messen an Messobjekten 25 mit Unebenheiten, etwa bei Schweissnähten wie unter 1 beschrieben.
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6 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Scanpfads 20 mit durchgezogenen Messphasen 21, in denen Messdaten erfasst werden, und gestrichelten Stellphasen 22 oder Zustellphasen, in denen keine Messdaten erfasst werden. Bei diesem Beispiel streicht der Messstrahl 12 in einer ersten Messphase 21 in einer geraden Linie nach oben in Richtung des Pfeils, ein Signal von der Auswerteeinrichtung 30 beendet die Messphase 21, der Messstrahl 12 wird umgelenkt, verfahren oder springt zu einer Position am Anfang des gebogenen Pfeils links unten, wonach ein Signal der Auswerteeinrichtung 30 die nächste Messphase 21 startet. In der Sprungzeit des Messstrahls 12 vom Endpunkt der geraden Linie zum Anfangspunkt der gebogenen Linie, in der Stellphase 22, wird die Referenzstrecke 13 verstellt. Der Messstrahl 12 kann auch an einen Punkt vor dem Anfangspunkt der gebogenen Linie positioniert werden. Dies hat den Vorteil, dass nach einem Blockieren oder Verzögern der Messung, wobei der Spiegel 17 angehalten wird, der Spiegel 17 bis zum Anfangspunkt auf eine zum Messen benötigte Geschwindigkeit beschleunigt werden kann. Der Messstrahl 12 scannt danach entlang einer bogenförmigen, nach oben gerichteten Linie. Wie beschrieben bleibt die Referenzstrecke 13 während der Messphase 21 konstant. Wenn der Messstrahl 12 am Ende des bogenförmigen Pfeils angelangt ist, ist der Scanpfad 20 entsprechend der Messgeometrie beendet oder es startet ein neuer Scanpfad 20.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- OCT-System
- 3
- Laserquelle
- 5
- Laser-Scanner
- 6
- Strahlteiler
- 7
- Laserlichtkabel
- 8
- OCT-Faser
- 9
- OCT-Strahl
- 10
- OCT-Scanner
- 11
- OCT-Strahlquelle
- 12
- Messstrahl
- 13
- Referenzstrecke
- 14
- Laserstrahl
- 15
- Referenzstrahl
- 16
- Referenzstrahlspiegel
- 17
- Spiegel
- 18
- Gehäuse
- 19
- OCT-Sensor
- 20
- Scanpfad
- 21
- Messphase
- 22
- Stellphase
- 25
- Messobjekt
- 30
- Auswerteeinrichtung