DE102006059269A1

DE102006059269A1 - Vorrichtung und Verfahren zur optischen Abstandsmessung

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Publication number: DE102006059269A1
Application number: DE200610059269
Authority: DE
Inventors: Friedrich Prof. Dr. Behr; Martin Dr.Rer.Nat. Koch; Stefan Dipl.-Ing. Wischmann; Leo Prof. Dr.rer.nat. Beckmann
Original assignee: ThyssenKrupp Steel AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: DE102006059269B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung eines Objektes, ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung sowie eine vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Aufgabe, eine einfache Vorrichtung bzw. ein einfaches Verfahren zur optischen Abstandsmessung vorzuschlagen, welches sich durch hohe Genauigkeit und Prozesssicherheit auszeichnet, wird dadurch gelöst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung - Mittel zur parallelen Führung mindestens eines ersten und eines zweiten Laserstrahls auf ein Objekt, - Mittel zur Fokussierung des ersten Laserstrahl in einem ersten Fokus und zur Fokussierung des zweiten Laserstahls in einem zweiten Fokus, wobei der Abstand des ersten Fokus zur Vorrichtung in Strahlrichtung kleiner ist als der Abstand des zweiten Fokus zur Vorrichtung in Strahlrichtung, - Abbildungsmittel, welche die vom Objekt gestreute Laserstrahlung des ersten und des zweiten Laserstrahls auf mindestens einen optischen Detektor abbilden und - Auswertemittel zur Auswertung der Intensitätsverteilungen der Abbildung der am Objekt gestreuten Laserstrahlung des ersten und des zweiten Laserstrahls auf dem Detektor, wobei über die Auswertemittel aus den gemessenen Intensitätsverteilungen der Abstand des Objektes bestimmbar ist, umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung eines Objektes, ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung sowie eine vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Vorrichtungen und Verfahren zur optischen Abstandsmessung eines Objektes sind aus verschiedensten industriellen Anwendungsgebieten bekannt. Beispielsweise werden Abstandsmessungen bei der Laserbearbeitung von Werkstücken verwendet, um den Arbeitsabstand des Bearbeitungslasers abhängig von der Position des Objektes einzustellen. So ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 56 329 A1 ein optisches Abstandsmessverfahren für die Laserbearbeitung bekannt, bei welchem ein Messobjekt auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks abgebildet wird. Das Bild des Messobjektes auf dem Werkstück wird über geeignete Abbildungsmittel auf einen optischen Detektor abgebildet und einer Ortsfilterung unterzogen. Die Kontrastabnahme des resultierenden Messsignals ist abhängig von der Defokussierung des abgebildeten Messobjektes auf dem Werkstück und damit vom Abstand des Werkstücks. Unter Ausnutzung der unterschiedlichen Abbildungseigenschaften der verwendeten Optik für verschiedene Wellenlängen kann aus den unterschiedlichen Messsignalen am optischen Detektor für verschiedene Wellenlängen, die Abweichung der Position der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes aus einer Solllage genau bestimmt werden. Einerseits ist das bekannte Messverfahren sowie die bekannte Messvorrichtung relativ komplex. Andererseits hängt die Genauigkeit der Abstandsbestimmung unter anderem auch von der Homogenität der Reflektivität des zu bearbeitenden Werkstücks im Messgebiet ab. Da das auf das Werkstück projizierte Messobjekt relativ groß sein muss, kann es bei der Abstandsbestimmung daher zu Störungen oder Messfehlern kommen. Eine Verbesserung der Genauigkeit der Abstandsbestimmung sowie eine Verbesserung der Prozesssicherheit bei der Abstandsbestimmung ist daher wünschenswert.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Vorrichtung bzw. ein einfaches Verfahren zur optischen Abstandsmessung vorzuschlagen, welches sich durch hohe Genauigkeit und Prozesssicherheit auszeichnet.
Die zuvor hergeleitete Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung eines Objektes umfassend

– Mittel zur parallelen Führung mindestens eines ersten und eines zweiten Laserstrahls auf ein Objekt,
– Mittel zur Fokussierung des ersten Laserstrahls in einem ersten Fokus und zur Fokussierung des zweiten Laserstrahls in einem zweiten Fokus, wobei der Abstand des ersten Fokus zur Vorrichtung in Strahlrichtung kleiner ist als der Abstand des zweiten Fokus zur Vorrichtung in Strahlrichtung,
– Abbildungsmittel, welche die vom Objekt gestreute Laserstrahlung des ersten und des zweiten Laserstrahls auf mindestens einen optischen Detektor abbilden und
– Auswertemittel zur Auswertung der Intensitätsverteilungen der Abbildung der am Objekt gestreuten Laserstrahlung des ersten und des zweiten Laserstrahls auf dem Detektor, wobei über die Auswertemittel aus den gemessenen Intensitätsverteilungen der Abstand des Objektes bestimmbar ist, gelöst.

Erfindungsgemäß werden zur Abstandsmessung zwei parallel auf das Objekt geführte Laserstrahlen verwendet. Dadurch, dass der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl in einem festen Abstand zur Vorrichtung fokussiert werden, ergibt sich beispielsweise für den Querschnitt des Strahlflecks jedes einzelnen Laserstrahls ein charakteristischer Wert abhängig vom Abstand zum Fokuspunkt bzw. zur Vorrichtung. Treffen die Laserstrahlen auf das Objekt, können über Abbildungsmittel Intensitätsverteilungen der Laserstrahlen auf dem Objekt bzw. deren Strahlflecken auf mindestens einen optischen Detektor abgebildet werden. Diese Intensitätsverteilungen sind ebenfalls abhängig vom Abstand der Objektoberfläche zu der Position des Fokus bzw. zum Abstand zur Vorrichtung in Strahlrichtung des jeweiligen Laserstrahls. Trifft beispielsweise der erste Laserstrahl die Oberfläche relativ nahe an seinem Fokus, so ist die gemessene Intensitätsverteilung des vom ersten Laserstrahl gestreuten Lichts am optischen Detektor auf eine sehr kleine Fläche begrenzt. Andererseits, wenn der Abstand der Werkstückoberfläche zum Fokus beispielsweise des ersten Lasers steigt, nimmt die von den Abbildungsmitteln auf den Detektor abgebildete Intensitätsverteilung an Ausdehnung zu. Die Abmessungen der Intensitätsverteilung zeigen außerhalb des Fokus eine nahezu lineare Abhängigkeit zum Abstand der Objektoberfläche zum Fokus bzw. zur Vorrichtung. Die Berechnung des Abstandes gestaltet sich daher besonders einfach. Aufgrund der Tatsache, dass sich oberhalb und unterhalb des Fokus beispielsweise des ersten Laserstrahls, d. h. spiegelbildlich zum Fokus, gleiche Messwerte für die Intensitätsverteilung ergeben können, dient der zweite Laserstrahl dazu, eine eindeutige Positionsbestimmung zu erzielen. Durch die Vermessung der Strahlflecken der Laserstrahlen auf einem Objekt werden ausreichend hohe Intensitäten auf der Objektoberfläche zur Verfügung gestellt, so dass eine Abhängigkeit von der Reflektionseigenschaften des Objektes nicht mehr gegeben ist. Aufgrund der hohen Intensitäten wird auch die Genauigkeit aufgrund scharf abgegrenzter Strahlflecken der Laserstrahlen verbessert.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstandsmessung ist über die Auswertemittel ein vom Abstand des Objektes abhängiges Signal, insbesondere ein Steuersignal, erzeugbar, so dass auf einfache Weise eine Steuerung weiterer Vorrichtungen, beispielsweise einer Laserbearbeitungsvorrichtung oder eines Handlingsystems abhängig von der Position des zu bearbeitenden Objektes ermöglicht wird.
Ist über die Mittel zur Führung und/oder Fokussierung der Laserstrahlen der Abstand des ersten und des zweiten Fokus von der Vorrichtung in Strahlrichtung relativ zueinander auf maximal 20, vorzugsweise auf maximal 10 mm einstellbar, kann ein ausreichend großer Messbereich, beispielsweise für die Laserbearbeitung eines Objektes in Strahlrichtung der Laserstrahlen zur Verfügung gestellt werden.
Die geometrischen Abmessungen der Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung können dadurch verringert werden, dass Mittel zur Führung und Fokussierung des ersten und des zweiten Laserstrahls vorgesehen sind, über welche beide Laserstrahlen gemeinsam, insbesondere koaxial, geführt und fokussiert werden. Darüber hinaus ergibt sich eine weitere Steigerung der Genauigkeit der Abstandsmessung dadurch, dass die Mittel zur koaxialen Führung und Fokussierung jeweils gleichen Temperaturschwankungen unterliegen und daher temperaturbedingte Schwankungen der Fokussierung beider Laserstrahlen während der Abstandsmessung sich gegenseitig eliminieren.
Eine weitere Vereinfachung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dadurch erreicht, dass Mittel zur Abbildung vorgesehen sind, welche sowohl die gestreute Laserstrahlung des ersten als auch die gestreute Laserstrahlung des zweiten Laserstrahls auf einen gemeinsamen optischen Detektor abbilden. Die gemeinsame Verwendung der Mittel zur Abbildung sowohl für den ersten als auch für den zweiten Laserstrahl ergibt, wie bei der Fokussierung der Laserstrahlen, darüber hinaus den Vorteil, dass Temperaturschwankungen, welche die Abbildungen beider Laserstrahlen bei der Abstandsbestimmung sich gegenseitig eliminieren.
Weisen der erste und der zweite Laserstrahl, gemäß einer nächsten weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, unterschiedliche Wellenlängen auf und bilden die Abbildungsmittel die vom Objekt gestreute Laserstrahlung wellenlängenselektiv auf einen gemeinsamen optischen Detektor ab, kann auf einfache Weise die Abbildungen der gestreuten Laserstrahlung beider Laserstrahlen getrennt voneinander ausgewertet werden. Beispielsweise kann dies dadurch erreicht werden, dass ein Prisma oder ein Beugungsgitter im Strahlengang der Abbildungsmittel vorgesehen ist, über welches die unterschiedliche Wellenlängen aufweisende gestreute Laserstrahlung an unterschiedliche Positionen auf dem optischen Detektor abgebildet wird. Es ist aber auch denkbar, dass beide Laserstrahlen eine gemeinsame Wellenlänge besitzen und eine Auswertung des optischen Detektors beispielsweise in jeweils einem für die Emission des ersten oder des zweiten Laserstrahls vorgesehenen Zeitinterwalls erfolgt.
Vorzugsweise sind die gemeinsamen Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlen und/oder die gemeinsamen Mittel zur Abbildung der gestreuten Laserstrahlung auf dem optischen Detektor zumindest teilweise chromatisch korrigiert, so dass die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Abstandsmessung aufgrund der verbesserten Fokussierungs- und Abbildungsqualität gesteigert werden kann.
Eine zweckmäßige Auswertung der gestreuten Laserstrahlung wird dadurch erreicht, dass als optischer Detektor ein Array oder eine Zeile aus lichtempfindlichen Elementen vorgesehen ist, so dass die geometrische Intensitätsverteilung auf dem Array oder der Zeile unmittelbar der Intensitätsverteilung der gestreuten Laserstrahlung auf der Oberfläche des Objektes entspricht. Die Abmessungen der Intensitätsverteilung auf der Oberfläche des Objektes kann aus der Position der lichtempfindlichen Elemente, welche ein Messsignal oberhalb einer bestimmten Schwelle liefern, ermittelt werden. Die lichtempfindlichen Elemente können beispielsweise als CCD- oder CMOS-Sensorelemente realisiert sein. Mit einer Zeile an lichtempfindlichen Elementen kann die Auslesegeschwindigkeit des optischen Detektors gesteigert werden. Dies kann bei einem zweidimensionalen Array auch dadurch erreicht werden, dass lediglich eine Zeile des Arrays ausgelesen wird.
Weist der optische Detektor, gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eine Detektorfläche mit einer Mehrzahl lichtempfindlicher Elemente mit einem Breite-Höhe-Verhältnis von mehr als 10, vorzugsweise von mehr als 20 auf, kann der Abbildungsmaßstab zur Abbildung der gestreuten Laserstrahlung entsprechend groß gewählt werden, da lediglich der Durchmesser der Intensitätsverteilung in eine bestimmte Raumrichtung bei Annahme eines kreisrunden Strahlflecks auf dem Objekt zur Abstandsbestimmung des Objektes benötigt wird. Durch einen größeren Abbildungsmaßstab ergeben sich auf dem Detektor größere Änderungen der Intensitätsverteilung bei einer entsprechenden Änderung der Position des Objektes, was zu einer Steigerung der Genauigkeit führt.
Eine optimierte Abbildung der vom Objekt gestreuten Laserstrahlung ergibt sich, wenn die senkrecht zur Objektoberfläche, vorzugsweise also in entgegengesetzter Richtung zu den Laserstrahlen gestreute Laserstrahlung auf dem optischen Detektor abgebildet wird. Dies kann erfindungsgemäß auf einfache Weise dadurch erreicht werden, dass mindestens ein Strahlteiler zur Trennung der ersten und zweiten Laserstrahlen von der vom Objekt gestreuten Laserstrahlung vorgesehen ist. Dieser kann beispielsweise als halbdurchlässiger Spiegel ausgeführt sein, welcher im Strahlengang der Laserstrahlen positioniert wird.
Eine verbesserte Strahlteilung zwischen der ausgesandten Laserstrahlung und der empfangenen Streustrahlung kann zudem dadurch erreicht werden, dass die Mittel zur Führung und/oder Fokussierung des ersten und zweiten Laserstrahls eine erste ringförmige Apertur aufweisen. Über die ringförmige Apertur wird auf dem Objekt, sobald der Laser defokussiert ist, mit den Auswertemitteln eine ringförmige Intensitätsverteilung gemessen, deren Durchmesser einfach ermittelt werden kann.
Eine weitere Möglichkeit eine zweckmäßige Entkopplung der ersten und zweiten Laserstrahlung von der gestreuten Laserstrahlung zu erzielen wird dadurch erreicht, dass die Mittel zur Abbildung der gestreuten Laserstrahlung eine zur ersten Apertur komplementäre zweite Apertur, vorzugsweise eine konzentrisch zur ersten Apertur ausgebildeten zweite ringförmige, komplementäre Apertur aufweisen. Wird die innere ringförmige Apertur zur Abbildung auf den optischen Detektor kann zusätzlich die Tiefenschärfe der Abbildung erhöht werden.
Sind Laserquellen zur Erzeugung des ersten und des zweiten Laserstrahls vorgesehen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise einfach zur Nachrüstung und Steuerung von bereits bestehenden Vorrichtungen, Handlingsystemen oder Laserbearbeitungsanlagen verwendet werden, da keine zusätzliche Installation von Laserquellen oder Laserlicht führenden Fasern notwendig ist.
Aus dem gleichen Grund wird die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch verbessert, dass Mittel zur Befestigung der Vorrichtung an einem Laserbearbeitungskopf oder an einem Handlingsystem vorgesehen sind, so dass eine einfache Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung in bestehende Anlagen ermöglicht wird. In diesem Fall können auch Wellenlängen selektive Galvospiegel zur Einkopplung in den Strahlengang des Arbeitslasers vorgesehen sein. Galvospiegel sind durch einen elektrischen Antrieb kippbare Spiegel, die ein Scannen des Werkstücks während der Abstandsmessung erlauben. Damit kann ein Abstandsprofil erstellt werden. Es ist jedoch auch denkbar, andere kippbare Spiegel einzusetzen, um ein Scannen während der Abstandsmessung zu ermöglichen. Gleichzeitig können Störkonturen des Laserbearbeitungskopfes zumeist vermieden werden, da die Laserstrahlen zumindest teilweise koaxial zum Strahlengang des Arbeitslaserstrahl geführt werden können.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung eines Objektes, insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst, bei welchem

– ein erster und ein zweiter Laserstrahl mit Mitteln zur Führung parallel auf ein Objekt geführt werden,
– mit Mitteln zur Fokussierung der erste Laserstrahl in einem ersten Fokus und der zweite Laserstrahl in einem zweiten Fokus fokussiert werden, wobei der Abstand des ersten Fokus zur Vorrichtung in Strahlrichtung kleiner gewählt wird als der Abstand des zweiten Fokus zur Vorrichtung in Strahlrichtung,
– mit Mitteln zur Abbildung der vom Objekt gestreuten Laserstrahlung des ersten und zweiten Laserstrahls die gestreute Laserstrahlung auf mindestens einen optischen Detektor abgebildet wird und
– über Auswertemittel die Intensitätsverteilungen der abgebildeten Laserstrahlung des ersten und des zweiten Laserstrahls ausgewertet werden.

Wie zuvor beschrieben, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren durch Auswertung der Intensitätsverteilung der vom Objekt gestreuten Laserstrahlung der Strahlflecke des ersten und zweiten Laserstrahls eine Abstandsbestimmung des Objektes bzw. dessen Oberfläche zur Vorrichtung. Die Abbildung eines großen Messobjektes auf dem Objekt oder die Durchführung einer Ortsfilterung der Messsignale ist nicht notwendig, so dass eine vereinfachte und genauere Auswertung möglich ist. Die Ausmessung der Intensitätsverteilung der Strahlflecke des ersten und zweiten Laserstrahls auf dem Objekt ist aufgrund der hohen Intensitäten der Laserstrahlen unabhängig von den Reflektionseigenschaften des Objektes und ergibt aufgrund eines scharfen Intensitätsabfalls außerhalb der Laserstrahlen eine sehr hohe Messgenauigkeit für die Abstandsbestimmung.
Eine einfache Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass aus den Abmessungen der abgebildeten Intensitätsverteilungen der gestreuten Laserstrahlung des ersten und zweiten Laserstrahls sowie aus deren Änderungen der Abstand des Objektes bestimmt wird. Je nach dem wie stark der erste und der zweite Laserstrahl defokussiert oder fokussiert auf die Oberfläche des Objektes, beispielsweise eines zu verschweißenden Bandes oder Bleches, treffen, wird ein entsprechend großer Lichtfleck der Laserstrahlung auf dem optischen Detektor abgebildet. Aus dem Vergleich, beispielsweise des Durchmessers der abgebildeten Intensitätsverteilung des ersten und zweiten Laserstrahls sowie aus dessen Größe unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabes ergibt sich unmittelbar durch einfache mathematische Beziehungen eine Änderung der Position des Objektes bzw. dessen Position.
Weisen der erste und der zweite Laserstrahl die gleiche Wellenlänge auf und erfolgt die Auswertung der abgebildeten Intensitätsverteilungen jeweils in einem für die Emission des ersten oder zweiten Laserstrahls vorgesehenen Zeitintervalls, kann eine einfache Entkopplung des ersten und zweiten Laserstrahls bei der Auswertung des optischen Detektors erreicht werden.
Eine einfache Trennung der abgebildeten und vom Objekt gestreuten Laserstrahlung des ersten und zweiten Laserstrahls ergibt sich auch dadurch, dass zwei Laserstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge verwendet werden und die Abbildung der gestreuten Laserstrahlung auf mindestens einem optischen Detektor wellenlängenselektiv erfolgt. Beispielsweise kann durch die Verwendung eines einfachen Prismas im Strahlengang der Abbildungsmittel eine wellenlängenselektive Abbildung der gestreuten Laserstrahlung erfolgen. Auf dem optischen Detektor werden dann beispielsweise die abgebildeten Lichtflecke der vom Objekt gestreuten Laserstrahlen räumlich getrennt. Wie bereits zuvor ausgeführt, kann eine Trennung der Abbildung der Laserstrahlen auch durch eine zeitintervallgesteuerte Auswertung des optischen Detektors durch die Auswertemittel erfolgen. Darüber hinaus ist denkbar, beispielsweise einen zweiten optischen Detektor, welcher nur die gestreute Laserstrahlung eines der Laserstrahlen detektiert, zu verwenden.
Vorzugsweise werden für beide Laserstrahlen gemeinsame Fokussierungsmittel und/oder gemeinsame Abbildungsmittel verwendet und beide Laserstrahlen zumindest teilweise koaxial geführt. Die koaxiale Führung beider Laserstrahlen verringert den Platzbedarf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich. Darüber hinaus kann die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abstandsmessung, beispielsweise in Bezug auf Temperaturänderungen, hierdurch verbessert werden.
Gemäß einer nächsten weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Entkopplung des ersten und zweiten Laserstrahls von der vom Objekt gestreuten Laserstrahlung dadurch erzielt, dass mindestens ein Strahlteiler zur Entkopplung der auf das Objekt eingestrahlten ersten und zweiten Laserstrahlung und der vom Objekt gestreuten Laserstrahlung verwendet wird.
Eine weitere Möglichkeit, neben einer Entkopplung der auf das Objekt eingestrahlten Laserstrahlung des ersten und zweiten Laserstrahls von der vom Objekt gestreuten Laserstrahlung durchzuführen, wird dadurch erreicht, dass die Fokussierungsmittel und die Abbildungsmittel voneinander entkoppelte Aperturen verwenden, wobei vorzugsweise ringförmige Aperturen verwendet werden. Voneinander entkoppelte Aperturen können beispielsweise dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass der erste und zweite Laserstrahl eine äußere ringförmige Apertur verwenden und eine innere ringförmige Apertur im Strahlengang der Abbildungsmittel vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht eine koaxiale, platzsparende Anordnung des optischen Detektors.
Einen besonders großen Abbildungsmaßstab ermöglicht eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch, dass der optische Detektor mit einer Mehrzahl lichtempfindlicher Elemente mit einer Detektorfläche mit einem Breite-Höhe-Verhältnis von mehr als 10, vorzugsweise von mehr als 20 verwendet wird. Wie bereits ausgeführt, ist es insbesondere bei der Verwendung von ringförmigen Aperturen nicht notwendig, dass zur Abstandsmessung die gesamte Intensitätsverteilung auf den optischen Detektor abgebildet wird. Vielmehr ist es ausreichend, den Durchmesser der ringförmigen Intensitätsverteilung in einer Raumrichtungsachse bestimmen zu können.
Vorzugsweise wird die Position des Objektes zumindest zu Beginn der Abstandsmessung zwischen beide Foki des ersten und zweiten Laserstrahls eingestellt, so dass ausreichend große Messbereiche in Richtung geringerer und größerer Abstände des Objekts von der Vorrichtung ausgehend von der Ausgangslage zur Verfügung stehen.
Vorzugsweise werden der erste und zweite Laserstrahl durch elektrisch kippbare Spiegel, beispielweise Galvospiegel, in den Strahlengang eine Arbeitslasers eingekoppelt. Dies ermöglicht ein Scannen des Werkstücks während der Abstandsmessung, so dass ein Abstandsprofil mit dem Verfahren erstellt werden kann.
Schließlich wird die oben aufgezeigte Aufgabe gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, zur Steuerung einer Laserbearbeitungsvorrichtung oder eines Handlingsystems, insbesondere zur Steuerung des Arbeitsabstandes eines Lasers einer Laserbearbeitungsvorrichtung während des Laserschneidens oder Laserschweißens gelöst.
Bei der genannten Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es für die schnelle Bearbeitung der Objekte bzw. Werkstücke notwendig, eine besonders einfache und daher schnelle Korrektur der Position des Objektes oder des Fokus des Arbeitslasers zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren gewährleisten dies ohne großen Rechenaufwand mit hoher Genauigkeit und Prozesssicherheit.
Vorzugsweise werden der erste und zweite Laserstrahl in den Strahlengang eines Arbeitslasers einer Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere durch Verwendung Wellenlängen selektiver Spiegel, besonders bevorzugt Wellenlängen selektiver Galvospiegel eingekoppelt. Die Vorrichtung kann dann nahezu koaxial zum Strahlengang des Arbeitlasers angeordnet und betrieben werden, so dass der Arbeitskopf des Bearbeitungslasers entsprechend kompakt ausfallen kann und keine störenden Konturen aufgrund der Vorrichtung zur Abstandsmessung aufweist. Vorzugsweise werden als Wellenlängen selektive Galvospiegel eingesetzt. Diese sind über einen elektrischen Antrieb kippbar und ermöglichen ein Scannen des Werkstückes, so dass ein Abstandsprofil erstellt werden kann.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung, das erfindungsgemäße Verfahren zur optischen Abstandsmessung sowie deren Verwendung auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 15 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
1 in einer schematischen Darstellung teilweise den Strahlengang des ersten und zweiten Laserstrahls sowie der Abbildungsmittel eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 den Strahlengang des ersten und zweiten Laserstrahls in dem Ausführungsbeispiel aus 1 im Bereich des Objektes,
3 eine Intensitätsverteilung der gestreuten Laserstrahlen abgebildet auf einem optischen Detektor aus dem Ausführungsbeispiel aus 1 und
4 eine Intensitätsverteilung auf einem optischen Detektor eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt in einer schematischen Ansicht den Strahlengang eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung eines Objektes umfassend einen ersten Laserstrahl 2 und einen zweiten Laserstrahl 3, welche über Führungsmittel 4 auf das Objekt 5 geführt werden. Als Führungsmittel 4 kann beispielsweise ein dichroitischer Spiegel verwendet werden, welcher für die Wellenlänge des ersten Laserstrahls 2 transparent ist, für die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls 4 jedoch reflektiv ist. Beide Laserstrahlen werden durch Fokussierungsmittel, welche in 1 nicht dargestellt sind, auf einen ersten Fokus 6 respektive auf einen zweiten Fokus 7 fokussiert. Auf der Oberfläche des Objektes 5, welches beispielsweise ein unter Verwendung eines Lasers zu bearbeitendes Werkstück sein kann, werden die Laserstrahlen 2 und 3 gestreut. Der Strahlfleck des Laserstrahls hängt von der Position des Objektes relativ zu dem jeweiligen Fokus des Laserstrahls ab. Der minimale Radius des Strahlflecks der Laserstrahlen ergibt sich aus der Beziehung Wo = M2λ/(πNA),wobei M² die Strahlqualität des Lasers angibt und abhängig von der Bauart des Lasers ist. λ bezeichnet die Wellenlänge des Lasers und NA die numerische Apertur, d. h. der Sinus der Öffnungswinkel des Strahlenbündels am Bildort der zur Fokussierung verwendeten Optik. Über weitere Abbildungsmittel 8, 9 wird die vom Objekt 5 gestreute Laserstrahlung 10a aus dem Strahlengang der Laserstrahlen 2 und 3 ausgekoppelt und auf einen Detektor 10 über die Optik 9 abgebildet. Auf dem Detektor 10 ergibt sich dann eine Intensitätsverteilung, die abhängig von der Position des Objektes 5 relativ zu den Foki 6, 7 der Laserstrahlen 2 und 3 ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Laserstrahlen 2 und 3 unterschiedliche Wellenlängen auf, so dass durch Anordnen einer, in 1 nicht dargestellten, wellenlängendispersiven Optik, beispielsweise eines Prismas, eine Trennung der Abbildungen der beiden Laserstrahlen erfolgen kann, obwohl diese die gleiche Objektstelle bestrahlen. Es ist aber auch möglich, durch synchrones Belichten und Auslesen des optischen Detektors, beispielsweise mit gepulsten Laserstrahlen, auch Laserstrahlen mit gleichen Wellenlängen zu verwenden.
2 zeigt nun noch einmal das Objekt 5 im Bereich des Auftreffens der beiden Laserstrahlen 2 und 3. Deutlich ist zu erkennen, dass der Laserstrahl 2 seinen Fokus oberhalb des Objektes 5 hat, so dass der Laserstrahl 2 beim Auftreffen auf das Objekt 5 bereits wieder etwas defokussiert ist. Der Durchmesser des Strahlflecks D₂ ist aber im Vergleich zu dem Strahlfleck des noch stärker defokussierten Laserstrahls 3 produzierten Lichtfleck D₃ sehr viel kleiner. Das Verhältnis der Strahlfleckdurchmesser D₂ und D₃ zueinander gibt aufgrund der geometrischen Beziehungen der Strahlflecke zueinander unmittelbar ein Maß für die relative Position des Objektes im Verhältnis zu den Foki 6, 7 an.
3 zeigt nun die Abbildung der Strahlflecke der gestreuten Laserstrahlung, welche über die Abbildungsmittel 8 und 9 auf einem optischen Detektor 10 wellenselektiv abgebildet werden. Wie zu erkennen ist, besteht der optische Detektor 10 aus einer Vielzahl von lichtempfindlicher Elemente, welche in einem Array angeordnet sind. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Laserstrahlen 2 und 3 eine ringförmige Apertur auf, so dass der Strahlfleck ebenfalls ringförmig ist. Auf dem optischen Detektor 10 können die Intensitätsverteilungen 11 und 12 einfach ausgewertet werden. Anhand der geometrischen Abmessung, insbesondere des Durchmessers oder des Radius der Intensitätsverteilungen 11, 12 kann die Position des Objektes 5 relativ zu den Foki 6, 7 berechnet werden.
Wird der Abbildungsmaßstab des Strahlflecks auf dem Objekt 5 stark vergrößert, kann über einen optischen Detektor, welcher ein Breite-Höhe-Verhältnis von mehr als 10 bis maximal 20 aufweist, die Intensitätsverteilung lediglich als gebogene Striche, bei Verwendung einer ringförmigen Apertur, detektiert werden. Ein entsprechender optischer Detektor mit einem Breite-Höhe-Verhältnis von mehr als 10 ist in 4 zusammen mit darauf abgebildeten Intensitätsverteilungen 11, 12 des ersten und zweiten Laserstrahls dargestellt.
Um die Auslesegeschwindigkeit weiter zu steigern, kann auch ein eindimensionaler optischer Detektor verwendet werden, der beispielsweise aus einer einzigen Zeile aus lichtempfindlichen Elementen besteht. Eine Erhöhung der Auslesegeschwindigkeit kann bei dem in 4 dargestellten zweidimensionalen optischen Detektor 10 beispielsweise dadurch erreicht werden, dass lediglich nur eine Zeile des Detektors ausgelesen wird.

Claims

Vorrichtung (1) zur optischen Abstandsmessung eines Objektes umfassend – Mittel (4) zur parallelen Führung mindestens eines ersten und eines zweiten Laserstrahls (2, 3) auf ein Objekt (5), – Mittel zur Fokussierung des ersten Laserstrahls (2) in einem ersten Fokus (6) und zur Fokussierung des zweiten Laserstrahls in einem zweiten Fokus (7), wobei der Abstand des ersten Fokus (6) zur Vorrichtung in Strahlrichtung kleiner ist als der Abstand des zweiten Fokus (7) zur Vorrichtung in Strahlrichtung, – Abbildungsmittel (9), welche die vom Objekt (5) gestreute Laserstrahlung (10a) des ersten und des zweiten Laserstrahls auf mindestens einen optischen Detektor (10) abbilden und – Auswertemittel zur Auswertung der Intensitätsverteilungen der Abbildung der am Objekt gestreuten Laserstrahlung des ersten und des zweiten Laserstrahls auf dem Detektor, wobei über die Auswertemittel aus den gemessenen Intensitätsverteilungen der Abstand des Objektes bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Auswertemittel ein vom Abstand des Objektes (5) zur Vorrichtung (1) in Strahlrichtung abhängiges Signal, insbesondere ein Steuersignal, erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die Mittel (4) zur Führung und/oder Fokussierung der Laserstrahlen (2, 3) der Abstand des ersten und des zweiten Fokus (6, 7) von der Vorrichtung in Strahlrichtung relativ zueinander auf maximal 20, vorzugsweise maximal 10 mm einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (4) zur Führung und Fokussierung des ersten und des zweiten Laserstrahls (2, 3) vorgesehen sind, über welche beide Laserstrahlen (2, 3) gemeinsam, insbesondere koaxial, geführt und fokussiert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (9) zur Abbildung vorgesehen sind, welche sowohl die gestreute Laserstrahlung des ersten als auch die gestreute Laserstrahlung des zweiten Laserstrahls auf einen gemeinsamen optischen Detektor (10) abbilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Laserstrahl (2, 3) unterschiedliche Wellenlängen aufweisen und die Abbildungsmittel (9) die vom Objekt (5) gestreute Laserstrahlung wellenlängenselektiv auf einen gemeinsamen optischen Detektor (10) abbilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (9) zur Fokussierung der Laserstrahlen und/oder die Mittel zur Abbildung der gestreuten Laserstrahlung auf dem optischen Detektor zumindest teilweise chromatisch korrigiert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als optischer Detektor (10) ein Array oder eine Zeile aus lichtempfindlichen Elementen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor (10) eine Detektorfläche mit einem Breite-Höhe-Verhältnis von mehr als 10, vorzugsweise von mehr als 20 aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strahlteiler (8) zur Trennung der ersten und zweiten Laserstrahlen (2, 3) von der vom Objekt (5) gestreuten Laserstrahlung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Führung und/oder Fokussierung des ersten und zweiten Laserstrahls eine erste ringförmige Apertur aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Abbildung der gestreuten Laserstrahlung eine zur ersten Apertur komplementäre zweite Apertur, vorzugsweise eine konzentrisch zur ersten Apertur ausgebildeten zweite komplementäre ringförmige Apertur aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Laserquellen zur Erzeugung des ersten und des zweiten Laserstrahls (2, 3) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Befestigung der Vorrichtung an einem Laserbearbeitungskopf oder an einem Handlingsystem vorgesehen sind.
Verfahren zur optischen Abstandsmessung eines Objektes, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem – ein erster und ein zweiter Laserstrahl mit Mitteln zur Führung parallel auf ein Objekt geführt werden, – mit Mitteln zur Fokussierung der erste Laserstrahl in einem ersten Fokus und der zweite Laserstrahl in einem zweiten Fokus fokussiert werden, wobei der Abstand des ersten Fokus zur Vorrichtung in Strahlrichtung kleiner gewählt wird als der Abstand des zweiten Fokus zur Vorrichtung in Strahlrichtung, – mit Mitteln zur Abbildung die vom Objekt gestreute Laserstrahlung des ersten und zweiten Laserstrahls auf mindestens einen optischen Detektor abgebildet wird und – über Auswertemittel die Intensitätsverteilungen der abgebildeten Laserstrahlung des ersten und des zweiten Laserstrahls ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Abmessungen der abgebildeten Intensitätsverteilungen der gestreuten Laserstrahlung des ersten und zweiten Laserstrahls sowie aus deren Änderungen der Abstand des Objektes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Laserstrahl die gleiche Wellenlänge aufweisen und eine Auswertung der abgebildeten Intensitätsverteilung jeweils in einem für die Emission des ersten oder zweiten Laserstrahls vorgesehenen Zeitintervalls erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Laserstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge verwendet werden und die Abbildung der gestreuten Laserstrahlung auf mindestens einen optischen Detektor wellenlängenselektiv erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für beide Laserstrahlen gemeinsame Fokussierungsmittel und/oder gemeinsame Abbildungsmittel verwendet werden und beide Laserstrahlen zumindest teilweise koaxial geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strahlteiler zur Entkopplung der auf das Objekt geführten ersten und zweiten Laserstrahlen von der vom Objekt gestreuten Laserstrahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungsmittel und die Abbildungsmittel voneinander entkoppelte Aperturen verwenden, wobei vorzugsweise ringförmige Aperturen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Detektor mit einer Mehrzahl lichtempfindlicher Elemente verwendet wird, welcher eine Detektorfläche mit einem Breite-Höhe-Verhältnis von mehr als 10, vorzugsweise von mehr als 20 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Objektes zumindest zu Beginn der Abstandsmessung zwischen beide Foki des ersten und zweiten Laserstrahls voreingestellt wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere zur Realisierung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 15 bis 23, zur Steuerung einer Laserbearbeitungsvorrichtung oder eines Handlingsystems, insbesondere zur Steuerung des Arbeitsabstandes eines Lasers während des Laserschneidens oder Laserschweißens.
Verwendung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Laserstrahl in den Strahlengang eines Arbeitslasers einer Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere durch Verwendung Wellenlängen selektiver Spiegel, besonders bevorzugt durch Wellenlängen selektiver Galvospiegel, eingekoppelt werden.