DE10056329A1

DE10056329A1 - Optisches Abstandsmeßverfahren und Abstandssensor

Info

Publication number: DE10056329A1
Application number: DE2000156329
Authority: DE
Inventors: Joseph Cohen Saban
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 2000-11-14
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2020-11-15
Also published as: DE10056329B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Abstandsmeßverfahren und einen Abstandssensor, insbesondere zur Regelung des Abstands eines Bearbeitungskopfes (10, 10') einer Werkstückbearbeitungsanlage von der Oberfläche (16) eines zu bearbeitenden Werkstücks (17). Um den Abstand zuverlässig und richtungsunabhängig zu erfassen, ist vorgesehen, daß ein Meßobjekt (25) auf eine Oberfläche (16), insbesondere auf die Oberfläche (16) eines zu bearbeitenden Werkstücks (17) abgebildet wird, daß das Bild (26) des Meßobjektes (25) auf der Oberfläche (16) auf eine Empfangsanordnung (31) abgebildet wird, in der das einfallende Bild einer dem Meßobjekt (25) entsprechenden Ortsfilterung unterzogen wird, und der ortsgefilterte Lichtstrom (PHI) für zumindest zwei Wellenlängenbereiche (R1, R2) erfaßt wird, um entsprechende Lichtstrom-Meßsignale (PHI1, PHI2) zu liefern, und daß die Lichtstrom-Meßsignale (PHI1, PHI2) mit den entsprechenden Wellenlängenbereichen zugeordneten Sollwerten (PHI¶1,soll¶, PHI¶2,soll¶) verglichen werden, die einer vorgebaren Soll-Lage (20) der Oberfläche (16) entsprechen, um ein dem Abstand der Oberfläche von der Soll-Lage (20) entsprechendes Ausgangssignal (Uout) zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Abstandsmeßverfahren und einen op tischen Abstandssensor, insbesondere zur Regelung des Abstands eines Bearbeitungskopfes einer Werkstückbearbeitungsanlage von der Oberflä che eines zu bearbeitenden Werkstücks. Weiter betrifft die Erfindung ei nen Laserbearbeitungskopf für eine Werkstückbearbeitungsanlage, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Abstandsmeßverfahren mit ei nem Abstandssensor ausgerüstet ist.

Um Werkstücke mittels eines Bearbeitungskopfes einer Werkstückbear beitungsanlage in gleichbleibender Qualität zu bearbeiten, ist es erforder lich, daß der Bearbeitungskopf stets in einem bestimmten Abstand zur Oberfläche des Werkstücks geführt wird. Bei der Bearbeitung von Werk stücken mittels Laserstrahl, also beim Laserschneiden oder Laserschwei ßen, ist es beispielsweise erforderlich, daß der Arbeitsfokus des Laser strahls in einer bestimmten Position relativ zur Werkstückoberfläche ge halten wird.

Zur Regelung des Abstands eines Bearbeitungskopfes, wie beispielsweise eines Laserbearbeitungskopfes ist es bekannt, die Kapazität zwischen ein der Meßsonde und der Werkstückoberfläche zu erfassen, um aus Kapazi tätsänderungen ein Stellsignal für den Abstand des Bearbeitungskopfes abzuleiten. Eine derartige kapazitive Abstandsmeßung zur Regelung des Abstands zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf ist beispielsweise aus der DE 40 20 196 C2 bekannt.

Die kapazitive Abstandsmeßung hat zwar den Vorteil, daß sie unabhängig von der Arbeitsrichtung des Bearbeitugskopfes ist, ist aber nur bei leiten den Werkstücken einsetzbar.

Optische Abstandsmeßverfahren haben dem gegenüber den Vorteil, daß sie unabhängig von der Leitfähigkeit des zu bearbeitenden Werkstücks eingesetzt werden können.

Aus der DE 40 05 453 A1 ist eine optische Einrichtung zur Abstandsmeßung bei der Lasermaterialbearbeitung bekannt, bei der außen an einer Laserbearbeitungsdüse ein Meßlaser angebracht ist, der neben der Wech selwirkungszone der Arbeitslaserstrahls einen Meßpunkt erzeugt wobei durch Auswertung des im Meßpunkt reflektierten Laserlichts der Abstand ermittelt wird. Da bei dieser bekannten Abstandsmeßvorrichtung der Meßpunkt auf einer Seite neben der Wechselwirkungszone liegt, wird der Arbeitsfokus des Arbeitslaserstrahls bei einem verkippten Werkstück ent weder etwas zu hoch oder etwas zu tief eingestellt.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein optisches Abstandsmeßverfahren bereitzustellen, daß unabhängig von der Arbeits richtung eines Bearbeitungskopfes einer Werkstückbearbeitungsanlage den Abstand einer Oberfläche relativ zu einer Soll-Lage ermittelt. Eine wei tere Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Abstandsensor zur Durchführung eines derartigen Abstandsmeßverfahrens bereitzustellen.

Diese Aufgaben werden durch das Abstandsmeßverfahren nach Anspruch 1 und den Abstandsenor nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung der Erfindung sind in jeweiligen nachgeordenten Ansprüchen beschrieben.

Erfindungdsgemäß ist also vorgesehen, daß ein Meßobjekt auf eine Ober fläche, insbesondere auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werk stücks abgebildet wird, daß das Bild des Meßobjekts, daß von der Oberflä che zurückgeworfen wird, auf eine Empfangsanordnung ab gebildet wird, in der das einfallende Bild einer dem Meßobjekt entsprechenden Ortsfilte rung unterzogen wird und in der der ortsgefilterte Lichtstrom für zumin dest zwei Wellenlängebereiche erfaßt wird, um entsprechende Lichtstrom- Meßsignale zu liefern. Die Lichtstrom-Meßsignale für jeden der Wellenlän genbereiche werden dann mit den entsprechenden Wellenlängenberei chen zugeordneten Soll-Werten verglichen, die einer vorgebaren Soll-Lage der Oberfläche entsprechen, um ein dem Abstand der Oberfläche von der Soll-Lage entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen.

Um das dem Abstand der Oberfläche von der Soll-Lage entsprechende Aus gangssignal zu bilden, wird also zunächst durch Erfassung des ortsgefil terten Lichtstroms der von einer Defukusierung abhängige Kontrast des Meßobjektbildes in der Ebene der Ortsfilterung ermittelt, um ein dieser Defukusierung entsprechendes Meßsignal zu bilden. Da der Kontrast ei nes Bildes unabhängig davon abnimmt, in welcher Richtung das Bild ge genüber der Beobachtungsebene verschoben wird, ist ein derartiges Licht strom-Meßsignal zunächst nur geeignet, eine Verschiebung einer Oberflä che gegenüber ihrer Soll-Lage festzustellen, ohne die Richtung der Ver schiebung angeben zu können. Um hier Abhilfe zu schaffen, nutzt die Er findung den Farbfehler einer optischen Abbildung, also die Tatsache, daß eine optische Linse für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Brennweiten besitzt. Da aufgrund des Farbfehlers die Bilder eines Objek tes für verschiedene Wellenlägenbereiche in unterschiedlichen Ebenen liegen, ist auch der Kontrast der verschiedenen Bilder in einer Beobach tungsebene, also in der Ebene der Ortsfilterung verschieden, so daß es durch einen Vergleich der mit dem Kontrast korrelierten Lichtstrom-Meß signale für verschiedene Wellenlängenbereiche mit entsprechenden Soll- Werten möglich wird, nicht nur eine Verschiebung einer Oberfläche aus ihrer Soll-Lage heraus zu erfassen, sondern auch die Richtung der Ver schiebung anzugeben.

Da es für die Regelung des Abstands zwischen Bearbeitungskopf und Werkstückoberfläche im Prinzip nur erforderlich ist, zu wissen, ob der Ab stand zu klein oder zu groß ist, ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Ausgangssignal zumindest die Richtung des Abstands der Oberfläche von der Soll-Lage angibt.

Um eine möglichst zuverlässige Aussage über die Richtung des Abstands der Oberfläche von der Soll-Lage zu erhalten, ist erfindungsgemäß vorge sehen, daß die Wellenlängenbereiche im Hinblick auf einen Farbfehler bei der Abbildung des Meßobjekts so gewählt sind, daß der Abstand der Brenn punkte zweier aufeinander folgender Wellenlängenbereiche entlang der op tischen Achse der Abbildung kleiner oder gleich der halben Breite der Verlaufskurve des ortsgefilterten Lichtstroms über einer Defokussierung ent lang der optischen Achse bei etwa 10% des Maximalwertes ist.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Bild des Meßobjektes auf der Oberfläche des Werkstücks oder dergleichen auf einen Bildsensor der Empfangsanordnung mit einer Vielzahl von Emp fängerelementen abgebildet wird, und daß die Ortsfilterung durch Auswahl von Empfängerelementen entsprechend dem Meßobjekt durchgeführt wird. Die Durchführung der Ortsfilterung und die Erfassung des ortsgefilterten Lichtstroms mit einer eine Vielzahl von Empfängerelementen aufweisenden Empfangsanordnung hat den Vorteil, daß ein beliebiges Meßobjekt einge setzt werden kann und daß die Justierung des Abstandsmeßverfahrens durch eine gezielte Auswahl der Empfängerelemente erfolgen kann, die ei nen hohen Lichtstrom empfangen, wären das Meßobjekt scharf in die Beob achtungsebene abgebildet ist.

Eine praktische Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Ortsfilterung mit einer Ortsfilterblende durchgeführt wird, die dem Meßobjekt entspricht. Der Einsatz einer dem Meßobjekt entsprechenden Ortsfilterblende ermöglcht es daß erfindungsgemäßer Verfahren auch in ei ner unwirtlichen Umgebung durchzuführen, da einfache und robuste Sen sorelemente zum Einsatz kommen können.

Ein optischer Abstandssensor, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren auf besonders vorteilhafte Weise durchgeführt werden kann, umfaßt ein Meßobjekt, das zumindest einen Lichtdurchlaßbereich aufweist, der wenig stens auf zwei Seiten von lichtabschirmenden Bereichen begrenzt ist; eine einen Farbfehler aufweisende Abbildungsoptik zur Abbildung des Meßob jektes auf eine Oberfläche, insbesondere auf eine Werkstückoberfläche, de ren Ist-Lage relativ zu einer Soll-Lage erfaßt werden soll; eine Empfangsan ordnung, auf die das Bild des Meßobjektes auf der Oberfläche von der Abbil dungsoptik abgebildet wird, wobei die Empfangsanordung zur Ortsfilterung des einfallenden Bildes entsprechend dem Meßobjekt zum Erfassen des ortsgefilterten Lichtstroms für zumindest zwei Wellenlängenbereiche, und zum Erzeugen entsprechender Lichtstrom-Meßsignale dient; und eine Aus werteschaltung zum Vergeichen der Lichtstrom-Meßsignale mit den ent sprechenden Wellenlängenbereichen zugeordneten Soll-Werten, die einer vorgebaren Soll-Lage der Oberfläche entsprechen und zum Erzeugen eines dem Abstand der Oberfläche von der Soll-Lage entsprechenden Ausgang signals.

Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Empfangsanordnung einen Bildsensor mit einer Vielzahl von Empfänger elementen ist. Obwohl grundsätzlich als Bildsensor jede Anordnung von Empfängerelementen dienen kann, mit der eine ortsauflösende Auswertung des einfallenden Lichtstroms möglich ist, ist es besonders zweckmäßig ei nen CCD-Bildwandler mit einer ein- oder zweidimensionalen Photodioden anordnung vorzusehen.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Empfangsanordnung eine dem Meßobjekt entsprechende Ortsfilterblende, auf die das auf der Oberfläche erzeugte Bild des Meßobjekts abgebildet wird, und eine Photodetektoranordnung zum Erfassen des ortsgefilterten Lichtstroms umfaßt, wobei die Photodetektoranordnung zumindest einen ersten und einen zweiten Photoempfänger und eine Vorrichtung zur Licht zerlegung umfaßt, die den Lichtstrom des ersten Wellenlängenbereichs auf den ersten Photoempfänger und den Lichtstrom des zweiten Wellenlängen bereichs auf den zweiten Photoempfänger lenkt.

Als Vorrichtung zur Lichtzerlegung kann dabei entweder ein Beugungsgit ter oder Dispersionsprisma vorgesehen sein.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch auch mög lich, daß die Photodetektoranordnung einen Photoempfänger und eine Zer hackerblende umfaßt, die zumindest zwei Farbfilter aufweist, um die Licht ströme der verschiedenen Wellenlängenbereiche nacheinander zum Photo empfänger durchzulassen.

Um eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen, ist es zweckmäßig, daß eine Lin se vorgesehen ist, um den ortsgefilterten Lichtstrom auf die Photoempfän geranordnung zu fokussieren.

Als Meßobjekt für einen erfindungsgemäßen Abstandsensor kann grund sätzlich jedes Objekt eingestzt werden, daß einen hohen Kontrast, insbe sondere einen Kontrast 1 aufweist. Besonders zweckmäßig ist es, wenn als Meßobjekt eine Spaltblende, eine Ringspaltblende, ein eindimensionales gerades Gitter oder ein aus Ringspalten aufgebautes Ringgitter vorgesehen ist. Als Alternative dazu kann als Meßobjekt auch ein zweidimensionales Gitter eingesetzt werden.

Wird ein erfindungsgemäßer Abstandsensor mit einem Laserbearbeitungs kopf verwendet, der eine Abbildungsoptik aufweist, die einen Arbeitslaser strahl in einen Arbeitsbrennpunkt auf einer Werkstückoberfläche foku siert, so ist es besonders vorteilhaft, wenn der Strahlengang der Abbildung des Meßobjektes mittels einer Teilerfläche in den Arbeitsstrahlengang ein gekoppelt wird, so daß der Arbeitsbrennpunkt im wesentlichen mit dem Bild des Meßobjektes zusammenfällt.

Auf diese Weise lässt sich das Bild des Meßobjektes besonders einfach in den Bereich der Wechselwirkungszone abbilden, um eine von der Vorschub richtung des Laserbearbeitungskopfes unabhängige Abstandsregelung re alisieren zu können.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laserbear beitungskopfes ist vorgesehen, daß die Abbildungsoptik für den Arbeitsla serstrahl zusammen mit einer Kollimatoroptik, in deren Brennpunkt das Meßobjekt angeordnet ist, die Abbildungsoptik für das Meßobjekt bildet. Da die Abbildungsoptik, die den Arbeitslaserstrahl in die Wechselwirkungs zone fokusiert üblicherweise nur für eine Wellenlänge bzw. einen relativ schmalen Wellenlängenbereich ausgelegt ist, weist sie meistens einen rela tiv großen Farbfehler auf, so daß zwei oder drei geeignete Wellenlängenbrei che für die Abstansmessung ausgewählt werden können, deren Brennpunkte in zweckmäßigen Abständen zueinander liegen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichung nä her erläuter. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Schnittdarstellung eines Laserbearbeitungs kopfes mit einem erfindungsgemäßen Abstandsensor,

Fig. 1b eine schematische vereinfachte Schnittdarstellung eines anderen Laserbearbeitungskopfes mit einem erfindungsgemäßen Abstandsensor,

Fig. 2a eine schematische Darstellung der verschiedenen Strahlengänge des erfindungsgemäßen Abstandsensors zu Erläuterung des Meßprinzips,

Fig. 2b eine vereinfachte schematische Darstellung einer Empfangsan ordnung mit einer Vorrichtung zur Lichtzerlegung für einen erfindungsge mäßen Abstands sensor,

Fig. 3 verschiedene Diagramme zur Erläuterung der Ortsfilterung, die den örtlichen Verlauf der Beleuchtungsstärke in der Beobachtungsebene vor und hinter dem Ortsfilter in Abhängigkeit von der Lage der Oberfläche rela tiv zu ihrer Soll-Lage darstellen,

Fig. 4 den Verlauf des ortsgefilterten Lichtstroms über einer Defokusie rung entlang der optischen Achse für eine Wellenlänge,

Fig. 5 den Verlauf des ortsgefilterten Lichtstroms über einer Defokuse rung für zwei Wellenlängen,

Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild einer Auswerteschaltung für einen erfindugsgmäßen Abstandssensor und

Fig. 7 ein Spannungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung der Erzeugung ei nes Stellsignals.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind einander entspre chende Elemente mit gleiche Bezugszeichen versehen.

Wie Fig. 1a zeigt, weist ein Laserbearbeitungskopf 10 ein Gehäuse 11, in dem eine Abbildungsoptik 12 für einen Arbeitslaserstrahl 13 angeordnet ist, und eine Laserbearbeitungsdüse 14 mit einer Düsenöffnung 15 auf, durch die hindurch der Laserstrahl 13 in einen eine Wechselwirkungszone auf einer Oberfläche 16 eines zu bearbeitenden Werkstücks 17 festlegen den Arbeitsbrennpunkt 18 fokusiert wird.

An dem Gehäuse 11 des Laserbearbeitungskopfes 10 ist ein optischer Ab stanssensor 19 angebracht, der eine Lichtquelle 20 aufweist, die von ei nem Kondensor 21 und einem Kollimator 22 über eine als Umlenkspiegel dienende Teilerfläche 23 in die Abbildungsoptik 12 des Arbeitsstrahlen gangs 13' abgebildet wird. Von der Lichtquelle 20 ausgesehen ist hinter dem Kondensor 21 und vorzugsweise im Brennpunkt des Kollimators 22 ein Meßobjekt 25 angeordnet, das vom Kollimator 22 und von der Abbil dungsoptik 12 des Arbeitsstrahlengangs 13' in den Bereich des Arbeits brennpunkts 18 auf die Oberfläche 16 abgebildet wird. Auf diese Weise wird ein Meßstrahlengang 24 gebildet, der in den Arbeitsstrahlengang 13' eingekoppelt ist.

Ein auf diese Weise erzeugtes Bild 26 des Meßobjekts 25 wird im reflektier tem Meßstrahlengang 24' von der Abbildungsoptik 12, die für das Bild 26 einen Kollimator darstellt, und den Kollimator 22 über eine Strahlteilerflä che 27 auf ein Ortsfiltergitter 28 abgebildet. In Lichtrichtung des reflek tierten Meßstrahlengangs 24' hinter dem Ortsfiltergitter 28 ist eine Feld linse 29 angeordnet, die den durch das Ortsfiltergitter 28 hindurch treten den ortsgefilterten Lichtstrom auf eine Photoempfängeranordnung 30 fo kusiert.

Als Ortsfiltergitter 28 ist ein Gitter gewählt, daß dem als Meßobjekt die nenden Meßgitter deckungsgleich entspricht, so daß das Bild des Bildes 26 auf dem Ortsfiltergitter 28 mit diesem genau zur Deckung gebracht werden kann, wenn das Meßgitter 25 und das Ortsfiltergitter 28 den gleichen optischen Abstand zum Kollimator 22 aufweisen und wenn die Oberfläche 16 des Werkstücks 17 an der der Meßstrahlengang 24 reflektiert wird, ge nau im Brennpunkt der Abbildungsoptik 12 liegt.

Gemäß Fig. 1b ist bei einem Laserbearbeitungskopf 10' der Abstandsen sor 19 so an einer Laserbearbeitungsdüse 14 bzw. an deren Gehäuse ange bracht, daß der Meßstrahlengang 24 hinter der Abbildungsoptik 12 also zwischen Abbildungsoptik 12 und Arbeitsbrennpunkt 18 mit Hilfe einer Strahlteilerfläche 23 in den Arbeitsstrahlengang 13 eingekoppelt wird. In diesem Fall wird die Lichtquelle 20 vom Kondensor 21 in eine Abbildungs optik 22' des Meßstrahlengangs 24 abgebildet, die das Meßgitter 25 über die als Umlenkspiegel dienende Strahlteilerfläche 23 auf die Oberfläche 16 des Werkstücks 17 abbildet. Das Bild 26 des Meßgitters 11 wird im reflek tierten Meßstrahlengang 24' von der Abbildungsoptik 22' auf das Ortsfilt ergitter 28 abgebildet.

Zur Erläuterung des von der Erfindung genutzten Meßprinzips, das bei den Ausgestaltungen der Erfindung nach Fig. 1a und Fig. 1b dasselbe ist, sind die wesentlichen Elemente des Meßstrahlengangs nochmals in Fig. 2a schematisch dargestellt. Insbesondere sind die Strahlführung des Beleuchtungstrahlengangs gestrichelt dargestellt, während der Abbil dungs-Meßstrahlengang 24 mit durchegezogenen Linien gezeigt ist.

Liegt, wie in Fig. 2a gezeigt, die den Meßstrahlengang reflektierende Oberfläche 16 genau im Brennpunkt der Abbildungsoptik 22' (oder im Brennpunkt der Abbildungsoptik 12 des Arbeitsstrahlengangs 13') so wird das auf der Oberfläche 16 erzeugte Bild 26 genau auf das Ortsfiltergitter 28 der Empfangsanordnung 31 abgebildet. Die Verteilung der Beleuchtungs stärke E1 in x-Richtung einer durch das Ortsfiltergitter 28 festgelgten Be obachtungsebene ist in Fig. 3 im ersten Diagramm links vom schema tisch angedeuteten Ortsfiltergitter 20 dargestellt.

Verändert sich die Lage der Oberfläche 16 in Richtung z der optischen Achse Z mehr und mehr, so verschmiert das Bild des Bildes 26 in der Beobach tungsebene mehr und mehr und der Kontrast nimmt entsprechend ab. Die Verteilungen der Beleuchtungsstärke E2, E3, E4 für zunehmende Abstän de der Oberfläche 16 von ihrer Soll-Lage sind im zweiten, dritten bzw. vier ten Diagramm auf der linken Seite in Fig. 3 dargestellt. Man erkennt deutlich, daß die Beleuchtungsstärke in den Bereichen, die den Schlitzen des Ortsfiltergitters 28 zugeordnet sind mehr und mehr abnimmt, wäh rend sie umgekehrt in den Bereichen, die den Stegen des Gitters zugewie sen sind, mehr und mehr zunimmt, daß also der Kontrast mehr und mehr abnimmt. Bei weiterer Verschiebung der Oberfläche 16 aus Ihrer Soll-Lage heraus wird dann der Kontrast volständig verschwinden, d. h. die Beleuch tungsstärke ist für alle Bereiche die gleiche. Danach ergibt sich eine Kon trastumkehr, d. h. daß die Beleuchtungsstärke E in den den Stegen zuge ordneten Bereichen größer ist, als in den Bereichen, die den Schlitzen zu geordnet sind.

Durch die Ortsfilterung mit dem Meßgitter 25 entsprechenden Ortsfilter gitter 28 wird dann das auf die Gitterstege 28 auftreffende Licht ausge blendet, so das sich hinter dem Ortsfiltergitter 28 eine Beleuchtungsstär keverteilung E' ergibt. Die vier Diagramme E1', E2, E3', E4' auf der linken Seite in Fig. 3 sind in dieser Reihenfolge den entsprechenden Diagram men auf der rechten Seite zugeordnet.

Wird der durch das Ortsfiltergitter 28 hindurch tretende Lichtstrom Φ ge messen, so ergibt sich der in Fig. 4 gezeigte Verlauf des ortsgeflitereten Lichtstroms Φ in Abhängigkeit von der Lage der Oberfläche relativ zur Brenpunktlage auf der optischen Achse, also der Verlauf des durch das Ortsfiltergitter 28 hindurch gelassenen Lichtstroms über einer Defokusie rung.

Soll nun der ortsgefilterte Lichtstrom Φ für eine Abstandsmessung oder für eine Regelung der Lage einer Oberfläche 16 relativ zum Brennpunkt der Abbildungsoptik 22' gemessen werden, so liefert ein Meßwert Φ_m zwei Po sitionen z_m1, z_m2 wenn der gemessene Lichtstrom Φ_m mit einer vorher aufgenommenen Eichkurve Φ verglichen wird.

Erfindungsgemäß wird nun die Tatsache ausgenutzt, daß eine optische Abbildung einen Farbfehler besitzt, wenn eine brechende Optik verwendet wird, daß also Linsen für verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Brennweiten besitzen. Erfindungsgemäß werden daher zwei Wellenlän genbereiche λ₁, λ₂ ausgewählt, für die bei der verwendeten Abbildungsop tik die Brennpunkte so weit auseinander liegen, daß sich die Lichtstrom kurven Φ so überlappen, daß in einem bestimmten Bereich um die Brenn punkte für die verschiedenen Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ herum für jede Lage der Oberfläche 16 zwei Lichtstromwerte Φ ermittelt werden können, die eine eindeutige Aussage über die Richtung des Abstandes der Oberflä che 16 von ihrer Soll-Lage ermöglichen.

Um den Lichtstrom für zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ erfassen zu können, ist es möglich, eine lichtzerlegende Vorrichtung 32, wie ein Beugungsgitter oder ein Dispersionsprisma anzuordnen, die dann das Licht der gewünschten Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ auf einen ersten und eine zweiten Photoempfänger 33, 34 lenkt. Es ist aber auch möglich, wie in Fig. 2a angedeutet, einen mit Farbfiltern ausgerüsteten Chopper oder Zerhackerblende vorzusehen, so daß das Licht der beiden unter schiedlichen Wellenlängebereiche λ₁, λ₂ nach einander auf die Photoemp fängeranordnung 30 auftrifft.

Darüber hinaus kann auch ein CCD-Bildwandler mit einem eindiemsiona lem oder einem zweidimensionalen Photodiodenarray verwendet werden. Ein deratiger CCD-Bildwandler eröffnet dabei ferner die Möglichkeit, die Ortsfrequenzfilterung ohne Ortsfilterblende bzw. Ortsfiltergitter 28 durchzuführen, da nur die den Stegen des Meßgitters 25 bzw. den lichtun durchlässigen Bereichen eines anderen Meßobjektes zugeordneten Photo diodenbereiche des Bildwandlers bei der Ermittelung des ortsgefilterten Lichtstroms Φ unberücksichtigt gelassen zu werden brauchen.

Wird das erfindungsgemäße Abstandsmeßverfahren bei einer Laserbearbeitungsanlage eingesetzt, so ist es zweckmäßig, wenn vor dem Ortsfilter gitter 28 eine Blende angeordnet ist, die ein Bild der Wecheslwirkungszone in der Beobachtungsebene abschattet, so daß Licht aus der Wechselwir kungszone die eigentliche Meßung nicht stört.

Um ein Stellsignal für eine Abstandsregelung insbesondere für die Rege lung des Abstandes zwischen einem Laserbearbeiuntgskopf und einer Werkstückoberfläche zu erhalten, wird in einem ersten Meßschritt zu nächts bei genau eingestelltem Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf 10 und Oberfläche der ortsgefilterte Lichtstrom Φ in einem ersten Wellen längenbereich λ₁ und einem zweiten Wellenlängenbereich λ₂ gemessen und die gemessenen Werte werden als Werte Φ_1,soll Φ_2,soll abgespei chert. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn das als Meßobjekt dienende Meß gitter 25 so auf die Oberfläche 16 abgebildet wird, daß die Bilder des Meß objekts mit den ausgewählten Wellenlängen λ₁, λ₂ in Lichtrichtung vor und hinter der Oberfläche 16 liegen. Die Auswahl der Wellenlängenberei che und die genaue Lage der zugeordneten Bilder hängt dabei von der erfo derlichen Lage des Arbeitbrennpunktes 18 relativ zur Werkstückoberflä che 16 ab. Insbesonder ist zweckmäßig, wenn die verwendeten Wellenlän genbereiche λ₁, λ₂ so gewählt sind, daß die Soll-Werte für die ortsgefilter ten Lichtströme Φ, die in der Soll-Lage gemessen werden, im Überlap pungsbereich der beiden Lichtstromkurven liegen, wie in Fig. 5 darge stellt ist.

Nachdem die Soll-Werte Φ_1,soll, Φ_2,soll gemessen und gespeichert wur den und nachdem ein Minimalwert Φ_1,2,min festgelegt wurde, der bei spielsweise etwa 10% des Maximums der Lichtstromkurve beträgt, um bei der Auswertung Rauschen zu unterdrücken, kann die Regelung des Ab standes gestartet werden. Hierzu wird in schneller Folge jeweils der ortsge filterte Lichtstrom Φ₁, Φ₂ für die beiden Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ ge messen und mit den Werten Φ_1,min Φ_1,Soll, Φ_2,min und Φ_2soll vergli chen, um dann ein Stellsignal Uout gemäß folgender Tabelle zu erzeugen.
wenn Φ1 < Φ1,min und Φ2 < Φ2,min dann Uout = Umin
wenn Φ1 < Φ1,soll und Φ2,min < Φ2 < Φ2,soll dann Uout = Umin + U(F2)
wenn Φ1 ≈ Φ1,soll und Φ2 ≈ Φ2,soll dann Uout = Usoll
wenn Φ1,min < Φ1 < Φ1,soll und Φ2 < Φ2,soll dann Uout = Umin + U(F2)
wenn Φ1 < Φ1,min und Φ2 < Φ2,min dann Uout = Umax

Die Entscheidung zu Erzeugung der als Stellsignal dienenden Ausgangs spannung Uout wird dabei zweckmäßigerweise von einem Mikroprozessor durchgeführt. Hierzu liefern als Photempfänger 33, 34 dienende Photdio den eine dem empfangenen Lichtstrom Φ entsprechende Spannug an Ver stärker 35, 36 deren Ausgangsspannung an einen Analog-Digitalwandler 37 angelegt wird, um den Mikroprozessor 38 digitaliserte Werte für den Lichtstrom Φ₁ und Φ₂ zuzuführen. Der Mikroprozessor 38 berechnet dann gemäß der obigen Entscheidungstabelle einen digitalen Wert für die Aus gangsspannung Uout, der an einen Digital-Analogwandler 39 angelegt wird, um eine analoge Ausgangsspannung Uout als Stellsignal für eine Ab tandsregelung zu liefern.

Im einfachsten Fall braucht die Ausgangsspannung Uout nur drei Werte anzunehmen, einen Wert Umin, der kleiner als Usoll ist, den Wert Usoll und einen Umax, der größer als Usoll ist. Befindet sich die Oberfläche rela tiv zu ihrer Soll-Lage z₀ in einem Bereich 1 in Fig. 5 so ist Φ₁ größer als der minimale Wert Φ_1,min und Φ₂ ist 0 oder kleiner als der minimale Wert Φ_2,min damit ergibt sich entsprechend Zeile 1 der obigen Tabelle das für Uout ein Wert Umin ausgegeben wird, durch den angezeigt wird, daß der Bearbeitungskopf 10 so gegenüber der Oberfläche 10 zu verschieben ist, daß diese in +z-Richtung verschoben wird. Ist der Wert Φ₁ größer als der Soll-Wert Φ_1,soll und liegt ein Wert Φ₂ vor, der zwar kleiner als der Soll- Wert jedoch größer als der Wert Φ_2,min ist, so kann als Ausgangsspan nung Uout wieder Umin gewählt werden. Jedoch ist es in diesem Fall zeck mäßig, zum Wert Umin eine Spannung in Abhägigkeit von Wert Φ₂ hinzu zu addieren, um anzuzeigen, daß der Abstand zur Soll-Lage kleiner ist, und um die Verschiebegeschwindugkeit verringern zu können.

Für den Fall, daß sowohl Φ₁ als auch Φ₂ ungefähr den entsprechenden Soll-Werten für die Soll-Lagen entsprechen, wird ein Ausgangswert Uout gleich dem Wert Usoll geliefert, so daß keine Nachregelung durchgeführt wird. Entsprechend der vierten Zeile, die dem Bereich III in Figur ent spricht, wird als Stellsignal eine Spannung Uout geliefert, die zwischen dem Wert Usoll und einem Umax ist, um anzuzeigen, daß eine Relativver schiebung der Oberfläche in -z-Richtung erforderlich ist. Ist der Licht strom Φ₁ kleiner als der Soll-Wert Φ_1,soll aber größer als der minimale Wert Φ_,min und ist gleichzeitig der Wert Φ₂ größer als der zugehörige Soll- Wert, so liegt die Oberfläche im Bereich III auf der z-Achse.

Liefern die Messungen für Φ₁ einen Wert 0 oder kleiner als dem minimalen Wert Φ_1,min und ist Φ₂ größer als Φ_2,min dann wird hierdurch angezeigt, daß sich die Oberfläche 16 im Bereich IV auf der z-Achse befindet und in -z-Richtung verschoben werden muß.

Sind sowohl Φ₁ als auch Φ₂ beide gleichzeitig kleiner als die ihnen zuge ordneten mininalen Werte, so ist der Abstand zwischen dem Laserbearbei tungskopf und der zu bearbeitenden Oberfläche so weit von seinem Soll- Wert entfernt, daß bei Verwendung von nur zwei Wellenlängenbereichen λ₁, λ₂ für die beschriebene Regelung die Erzeugung eines Regelsignals nicht mehr möglich ist. In diesem Falle wird ein Fehlersignal geliefert, auf grund dessen die weitere Bearbeitung unterbrochen wird und der Laserbe arbeitungskopf vom Werkstück entfernt wird, um eine Kollisions zwischen Laserbearbeitungsdüse 14 und Werkstück 17 oder eine fehlerhafte Bear beitung zu verhindern.

Um mit den erfindungsgemäßen optischen Abstandmeßverfahren auch größere Bereiche erfassen zu können ist es möglich, noch einen oder meh rere weitere Wellenlängembereiche auszuwählen, für den bzw. die eben falls der ortsgefilterte Lichtstrom gemessen wird. Die Auswahl dieser wei teren Wellenlängenbereiche erfolgt dabei zweckmäßigerweise so, daß die Lichtstromkurven, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, jeweils eine der beiden Lichtstromkurven in Fig. 5 auf ihrer jeweils freien Seite in entsprechender Weise überlappt.

Für sehr genaue Regelungen ist es ferner möglich, vor dem Regelbetrieb nicht nur den Soll-Wert für den Lichtstrom der jeweiligen verwendeten Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ zu erfassen, sondern die vollständige Licht stromkurve auszumessen, wie sie in figur 4 gezeigt ist. In diesem Fall las sen sich für jeden gemessenen Lichtstromwert Φ₁ und Φ₂ jeweils zwei Orte auf der optischen Achse bestimmen. Wobei zwei der vier so bestimmten Or te übereinstimmen und die Lage der überwachten Oberfläche 16 beschrei ben.

Die vorliegende Erfindung liefert also optisches Abstandsmeßverfahren das den Abstand zwischen einem Bearbeitungskopf einer Werdstückbear beitungsanlage und einer zu bearbeitenden Oberfläche vollständig unab hängig von der Vorschubrichtung des Bearbeitungskopfes in einer Weise erfaßt, die es ermöglicht, ein Stellsignal zu liefern, um den Abstand in Richtung auf seinen Soll-Wert zu vergrößern oder zu verkleinern, ohne das in jedem Fall eine absolute Abstandsmessung erforderlich wäre.

Für besonders sensible und genaue Regelungen ist es jedoch auch mög lich, die absolute Lage der zu bearbeitendenen Oberfläche des Werkstücks relativ zum Bearbeitungskopf zu messen.

Claims

1. Optisches Abstandsmeßverfahren, insbesondere zur Regelung des Ab stands eines Bearbeitungskopfes (10, 10') einer Werkstückbearbeitungsan lage von der Oberfläche (16) eines zu bearbeitenden Werkstücks (17), bei dem
ein Meßobjekt (25) auf eine Oberfläche (16), insbesondere auf die Ober fläche (16) eines zu bearbeitenden Werkstücks (17) abgebildet wird,
das Bild (26) des Meßobjektes (25) auf der Oberfläche (16) auf eine Empfangsanordnung (31) abgebildet wird, in der
das einfallende Bild einer dem Meßobjekt (25) entsprechenden Ortsfil terung unterzogen wird, und
der ortsgefilterte Lichtstrom (4) für zumindest zwei Wellenlängenberei che (R1, R2) erfaßt wird, um entsprechende Lichtstrom-Meßsignale (Φ1, Φ2) zu liefern, und
die Lichtstrom-Meßsignale (Φ1, Φ2) mit den entsprechenden Wellen längenbereichen zugeordneten Sollwerten (Φ1_soll Φ2_soll) verglichen wer den, die einer vorgegebaren Soll-Lage (20) der Oberfläche (16) entsprechen, um ein dem Abstand der Oberfläche von der Soll-Lage (20) entsprechendes Ausgangssignal (Uout) zu erzeugen.

2. Optisches Abstandsmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ausgangssignal (Uout) zumindest die Richtung des Ab standes der Oberfläche (16) von der Soll-Lage (20) angibt.

3. Optisches Abstandsmeßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenbereiche (R1, R2) im Hinblick auf ei nen Farbfehler bei der Abbildung des Meßobjekts (25) so gewählt sind, daß der Abstand der Brennpunkte zweier aufeinander folgender Wellenlängen bereiche (R1, R2) entlang der optischen Achse (Z) der Abbildung kleiner oder gleich der halben Breite der Verlaufskurve des ortsgefilterten Lichtstroms über einer Defokussierung entlang der optischen Achse (Z) bei etwa 10% des Maximalwertes ist.

4. Optisches Abstandsmeßverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild des Meßobjektes (25) auf der Oberfläche (16) auf einen Bildsensor der Empfangsanordnung (31) mit einer Vielzahl von Empfängerelementen abgebildet wird, und daß die Ortsfilterung durch Aus wahl von Empfängerelementen entsprechend dem Meßobjekt (25) durchge führt wird.

5. Optisches Abstandsmeßverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortsfilterung mit einer Ortsfilterblende (28) durch geführt wird, die dem Meßobjekt (25) entspricht.

6. Optischer Abstandssensor, insbesondere zur Durchführung des Ver fahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit
einem Meßobjekt (25), das zumindest einen Lichtdurchlaßbereich auf weist, der wenigstens auf zwei Seiten von lichtabschirmenden Bereichen be grenzt ist,
einer einen Farbfehler aufweisenden Abbildungsoptik (22, 12; 22') zur Abbildung des Meßobjekts (25) auf eine Oberfläche (16), insbesondere auf ei ne Werkstückoberfläche, deren Ist-Lage relativ zu einer Soll-Lage erfaßt werden soll,
einer Empfangsanordnung (31), auf die das Bild (26) des Meßobjektes (25) auf der Oberfläche (16) von der Abbildungsoptik (22, 12; 22') abgebildet wird, wobei die Empfangsanordnung (31) zur Ortsfilterung des einfallenden Bildes entsprechend dem Meßobjekt (25), zum Erfassen des ortsgefilterten Lichtstroms für zumindest zwei Wellenlängenbereiche (R1, R2), und zum Er zeugen entsprechender Lichtstrom-Meßsignale (Φ1, Φ2) dient, und
einer Auswerteschaltung (38) zum Vergleichen der Lichtstrom-Meß signale (Φ1, Φ2) mit den entsprechenden Wellenlängenbereichen (R1, R2) zugeordneten Sollwerten (Φ1,_soll Φ2,_soll), die einer vorgegebaren Soll-La ge (20) der Oberfläche (16) entsprechen, und zum Erzeugen eines dem Ab stand der Oberfläche von der Soll-Lage entsprechenden Ausgangssignals (Uout).

7. Abstandssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsanordnung (31) einen Bildsensor mit einer Vielzahl von Empfän gerelementen ist.

8. Abstandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor ein CCD-Bildwandler mit einer eindimensionalen Photodioden anordnung ist.

10. Abstandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor ein CCD-Bildwandler mit einer zweidimensionalen Photodioden anordnung ist.

11. Abstandssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsanordnung (31) eine dem Meßobjekt (25) entsprechende Ortsfilter blende (28), auf die das auf der Oberfläche (16) erzeugte Bild (26) des Meßob jekts abgebildet wird, und eine Photodetektoranordnung zum Erfassen des ortsgefilterten Lichtstroms (Φ) umfaßt.

12. Abstandssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektoranordnung zumindest einen ersten und einen zweiten Photo empfänger (33, 34) und eine Vorrichtung zur Lichtzerlegung (32) umfaßt, die den Lichtstrom des ersten Wellenlängenbereichs (R1) auf den ersten Photo empfänger (33) und den Lichtstrom (Φ) des zweiten Wellenlängenbereichs (R2) auf den zweiten Photoempfänger (34) lenkt.

13. Abstandssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (32) zur Lichtzerlegung ein Beugungsgitter aufweist.

14. Abstandssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (32) zur Lichtzerlegung ein Dispersionsprisma aufweist.

15. Abstandssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektoranordnung einen Photoempfänger (30) und eine Zerhacker blende umfaßt, die zumindest zwei Farbfilter aufweist, um die Lichtströme der verschiedenen Wellenlängenbereiche nacheinander zum Photoempfän ger (30) durchzulassen.

16. Abstandsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Linse (29) vorgesehen ist, um den ortsgefilterten Licht strom auf die Photoempfängeranordnung (30, 33, 34) zu fokussieren.

17. Abstandssensor nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das Meßobjekt (25) eine Spaltblende ist.

18. Abstandssensor nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das Meßobjekt (25) eine Ringspaltblende ist.

19. Abstandssensor nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das Meßobjekt (25) ein gerades, eindimensionales Gitter ist.

20. Abstandssensor nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das Meßobjekt (25) ein aus Ringspalten aufgebautes Ringgit ter ist.

21. Abstandssensor nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das Meßobjekt (25) zweidimensionales Gitter ist.

22. Laserbearbeitungskopf (10) für eine Werkstückbearbeitungsanlage, mit einer Abbildungsoptik (12), die einen Arbeitlaserstrahl (13) in einen Ar beitsbrennpunkt (18) auf einer Werkstückoberfläche (16) fokussiert und mit einem Abstandssensor (19) nach einem der Ansprüche 6 bis 21, wobei der Strahlengang (24) der Abbildung des Meßobjekts (25) mittels einer Teilerflä che (23) in den Arbeitsstrahlengang (13') eingekoppelt wird, so daß der Ar beitsbrennpunkt (18) im wesentlichen mit dem Bild des Meßobjekts (25) zu sammenfällt.

23. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (12) für den Arbeitlaserstrahl (13) zusammen mit einer Kollimatoroptik (22), in deren Brennpunkt das Meßobjekt (25) ange ordnet ist, die Abbildungsoptik für das Meßobjekt (25) bildet.

24. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekenn zeichnet, daß vor der Empfangsanordnung eine zentrale Blende angeordnet ist, um den von einer Wechselwirkungszone von Arbeitslaserstrahl (13) und Werkstück (17) kommenden Lichtstrom von der Empfangsanordnung (31) abzuschatten.