DE102014216829B4 - Vorrichtung und Verfahren zur temperaturkompensierten interferometrischen Abstandsmessung beim Laserbearbeiten von Werkstücken - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur temperaturkompensierten interferometrischen Abstandsmessung beim Laserbearbeiten von Werkstücken Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (3) zur Messung des Abstands (A) zwischen einer reflektierenden Werkstückoberfläche (2a) eines Werkstücks (2) und einer reflektierenden Referenzfläche (2b; 4) bei der Laserbearbeitung des Werkstücks (2), aufweisend ein Interferometer (5) mit einem Strahlteiler (6; 18), der Interferometerlicht (7) auf einen Messarm (9) als Messstrahl (10) und auf einen Referenzarm (11) als Referenzstrahl (12) aufteilt, und mit einem Detektor (13), der den an der Werkstückoberfläche (2a) reflektierten Messstrahl (10) und den an der Referenzfläche (2b; 4) reflektierten Referenzstrahl (12) detektiert, wobei der Messarm (9) und der Referenzarm (11) innerhalb der Kohärenzlänge des Interferometerlichts (7) gleich lang sind, wobei der Messarm (9) eine Messfaser (14) und der Referenzarm (11) eine Referenzfaser (15) aufweisen und dass die Messfaser (14) und die Referenzfaser (15) auf ihrer gesamten Länge oder einer Teillänge, insbesondere bei unterschiedlich langen Fasern (14, 15) auf der gesamten Länge der kürzeren Faser, parallel nebeneinander verlaufen und in thermischem Kontakt miteinander stehen,dadurch gekennzeichnet,dass der Messarm (9) als reflektierende Werkstückoberfläche einen ersten Oberflächenbereich (2a) und der Referenzarm (11) als reflektierende Referenzfläche einen anderen, zweiten Oberflächenbereich (2b) des Werkstücks (2) aufweist, unddass zwischen dem Werkstück (2) und dem werkstückseitigen Ende der Messfaser (14) und/oder der Referenzfaser (15) eine Ablenk- oder Abbildungsoptik (16) zum Bewegen des Mess- und/oder des Referenzstrahls (10, 12) gemeinsam oder getrennt über die beiden Oberflächenbereiche (2a, 2b) oder zum Formen des Mess- und/oder des Referenzstrahls (10, 12) zu einem bestimmten Beleuchtungsmuster angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Abstands zwischen einer reflektierenden Werkstückoberfläche eines Werkstücks und einer reflektierenden Referenzfläche bei der Laserbearbeitung des Werkstücks gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Eine solche Messvorrichtung ist beispielsweise durch US 2006/ 0 126 991 A1 , WO 2010/ 044 322 A1 oder EP 1 744 119 A1 bekannt geworden.
  • Interferometer werden zur Abstandsmessung bei Laserbearbeitungsprozessen genutzt. Hierzu wird die Strahlung eines der beiden Interferometerarme (= Messarm) nahezu koaxial zum Bearbeitungslaser auf das Werkstück gerichtet, welches als Interferometerspiegel dient. Vorzugsweise wird der Messstrahl vor der Fokussierung z.B. über einen Strahlteiler im Laserbearbeitungskopf dem Bearbeitungsstrahl räumlich überlagert und von der Bearbeitungsoptik auf die Messstelle fokussiert. Der andere Interferometerarm (Referenzarm) ist im Messgerät (mit Strahlquelle, Strahlteiler, Detektor und Auswerteeinheit) platziert. Typischerweise haben beide Interferometerarme annähernd gleiche optische Weglängen. Entscheidend für eine interferometrische Abstandsmessung ist die Kenntnis der Änderung der optischen Wege. In der Realität kann der optische Weg im Messarm nicht nur durch den zu messenden Abstand verändern werden, sondern auch durch (unbeabsichtigte) Änderungen im Strahlengang der Interferometerarme. Zum Beispiel kommt es bei fasergeführten Interferometern durch eine Aufheizung des Messfaserendes über der erfassten Schweißstelle zu einem Temperaturunterschied zur Referenzfaser und somit zu einer temperaturbedingten Änderung des Interferenzsignals, die zu Messfehlern bei der Abstandsmessung führt. Weiterhin sind oft Relativmessungen erforderlich, um den Abstand zwischen zwei Punkten (oder Flächen) des Werkstücks, wie z.B. die Einschweiß- oder Kapillartiefe eines Loches relativ zur Bauteiloberfläche, zu bestimmen.
  • Aus US 2006/ 0 126 991 A1 ist ein Interferometer mit einem Fasersensor bekannt. Der Fasersensor umfasst eine Sonde mit einer optischen Faser, die einen inneren Kern, einen äußeren Mantel, ein langperiodisches Fasergitter in ausgewähltem Abstand von einem distalen Faserende und eine reflektierende Endoberfläche des distalen Faserendes über dem Mantel aufweist. Eine Lichtquelle ist mit der optischen Faser gekoppelt, um dem Kern Licht zuzuführen. Am Fasergitter wird das Licht sowohl in den Kern als auch in den Mantel eingekoppelt und in Richtung des distalen Faserendes geführt. Das aus dem Kern austretende Licht wird an der Oberfläche einer Probe als Probenreflexionswelle zurück in den Kern reflektiert. Das Licht im Mantel wird am distalen Faserende als Mantelreflexionswelle reflektiert und am Fasergitter teilweise zurück in den Kern gekoppelt. Ein Analysator bestimmt einen Abstand zwischen dem distalen Faserende und der Oberfläche der Probe basierend auf einer Phasenverschiebung zwischen Mantel- und Probenreflexionswellen.
  • Aus WO 2010/ 044 322 A1 ist eine optische tomographische Messvorrichtung mit einer optischen Quelle zum Erzeugen von kohärentem Licht, mit einem Koppler zum Teilen des Lichts von der optischen Quelle und zum Verursachen einer Interferenz zwischen einem Rücklicht von einem zu messenden Objekt und einem Rücklicht von einem Referenzspiegel, mit einem optischen Pfad zum Übertragen eines durch den Koppler geteilten Lichts zu dem zu messenden Objekt, mit einem optischen Pfad zum Übertragen des anderen durch den Koppler geteilten Lichts in Richtung des Referenzspiegels und mit einem optischen Detektor zum Erfassen eines durch den Koppler erzeugten Interferenzlichts.
  • Aus der EP 1 744 119 A1 ist ein optischer Kohärenztomograph mit einem Prisma zum 90°-Umlenken eines Messstrahls auf eine Messoberfläche bekannt.
  • Weiterhin ist aus EP 2 236 978 A1 eine optische Messvorrichtung zum Messen der Form eines Objekts bekannt. Die Messvorrichtung umfasst eine optische Sonde zum Leiten von Licht zu einer Oberfläche des Objekts und zum Empfangen von diffus reflektiertem Licht von der Oberfläche des Objekts, eine Abstandsmesseinheit zum Messen eines Abstands der Sonde zur Oberfläche und eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten der Form des Objekts aus der gemessenen Entfernung. Die optische Sonde umfasst eine optische Einmodenfaser zum Führen des Lichts zur Oberfläche und zum Empfangen des diffus reflektierten Lichts von der Oberfläche. Die Abstandsmesseinheit umfasst ein Interferometer zum Messen der optischen Weglänge zwischen der Sonde und der Oberfläche des Objekts.
  • Optische Interferometervorrichtungen sind auch aus US 7 518 731 B2 , US 2004 / 0 246 490 A1 , US 7 023 563 B und US 4 380 394 A bekannt.
  • Es ist demgegenüber die Aufgabe der Erfindung, bei einer Messvorrichtung der eingangs genannten Art temperaturbedingte Messfehler auszuschließen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß sind Mess- und Referenzfaser miteinander thermisch gekoppelt, so dass es zu keinen nennenswerten Temperaturunterschieden kommt, sondern Temperaturschwankungen im Übertragungsweg systembedingt kompensiert werden. Mess- und Referenzstrahl werden über die jeweiligen Fasern dicht nebeneinander, aber getrennt geführt, so dass die Strahlengänge leicht versetzt zu einander sind. Als Folge ist das Interferenzsignal der beiden Strahlen nur abhängig vom relativen Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und der Referenzfläche, da sich optische Weglängenschwankungen in Mess- und Referenzarmen wegen der parallelen Ausführung weitestgehend kompensieren. Dadurch können der Referenzstrahl auf die Bauteiloberfläche (Referenzfläche) und der Messstrahl auf einen Messpunkt oder eine Messfläche gelenkt werden. Zwischen dem Werkstück und dem werkstückseitigen Ende der Messfaser und/oder der Referenzfaser ist eine Ablenkoptik angeordnet, die den Mess- und/oder Referenzstrahl gemeinsam oder getrennt über die Mess- bzw. Referenzfläche bewegt, um so eine 1- oder 2-dimensionale Messung umzusetzen. Dadurch kann z.B. die Topographie der Werkstückoberfläche erfasst oder eine räumliche Mittelung durchgeführt werden. Ebenso kann vorteilhaft zwischen dem Werkstück und dem werkstückseitigen Ende der Messfaser und/oder der Referenzfaser eine Abbildungsoptik angeordnet sein, die den Mess- und/oder Referenzstrahl mit einem bestimmten Beleuchtungsmuster (z.B. ein Punkt, eine Linie oder ein Kreis) auf der Werkstückoberfläche abbildet. Die Messvorrichtung ermöglicht Relativmessungen zwischen zwei Punkten (oder Flächen) des Werkstücks, um z.B. die Einschweiß- oder Kapillartiefe eines Loches relativ zur Bauteiloberfläche zu bestimmen. Erfindungsgemäß werden vom Interferometer gemessene Abstände relativ zur Werkstückoberfläche gemessen und sind unabhängig von optischen Weglängenschwankungen entlang des Mess- und Referenzfaser.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Messfaser und die Referenzfaser zwei separate Fasern, die auf ihrer gesamten Länge oder einer Teillänge, insbesondere bei unterschiedlich langen Fasern auf der gesamten Länge der kürzeren Faser, aneinander anliegen. Die beiden Fasern können beispielsweise in einem gemeinsamen Lichtleitkabel oder Schutzschlauch in thermischem Kontakt geführt sein. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die Messfaser und die Referenzfaser durch den Kern und das Innencladding einer Doppelcladfaser gebildet.
  • Besonders bevorzugt ist die Referenzfläche durch einen in den Referenzarm einschwenkbaren Spiegel gebildet, so dass zwischen zwei Betriebsarten - temperaturkompensierte Abstandsmessung des Werkstücks und temperaturkompensierte Abstandsmessung zwischen zwei Oberflächenbereichen des Werkstücks - umgeschaltet werden kann.
  • Vorteilhaft sind die Messfaser und die Referenzfaser an ihren werkstückseitigen Enden voneinander um maximal einige Millimeter beabstandet, so dass die Mess- und Referenzstrahlen auf unterschiedliche Oberflächenbereiche des Werkstücks gerichtet werden. Der Referenzstrahl kann auf die Bauteiloberfläche und der Messstrahl auf die zu messende Fläche treffen. Wegen der beabstandeten Faserenden liegen die beiden Fasern nur auf einer Teillänge aneinander an.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Strahlteiler durch eine zwischen den beiden Oberflächenbereichen vorhandene Stufe des Werkstücks gebildet, die das Interferometerlicht geometrisch in den Messstrahl und in den Referenzstrahl teilt. Vorteilhaft kann zwischen Interferometerlichtquelle und Werkstück eine Transportfaser für das zum Werkstück geführte Interferometerlicht und für die reflektierten Mess- und Referenzstrahlen angeordnet sein.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Strahlteiler ein separater physikalischer oder geometrischer Strahlteiler, der zwischen Interferometerlichtquelle und Werkstück angeordnet ist. Vorteilhaft kann eine Transportfaser dem Strahlteiler vor- oder nachgeordnet sein.
  • Besonders bevorzugt ist die Messvorrichtung in einem Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsmaschine angeordnet, um den Abstand des Bearbeitungskopfes zum Werkstück zu messen. Der Messstrahl und ggf. auch der Referenzstrahl können über einen Strahlteiler des Bearbeitungskopfes dem Bearbeitungsstrahl räumlich überlagert und von der Bearbeitungsoptik auf die Messstelle fokussiert werden.
  • Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zum Messen des Abstands zwischen zwei Oberflächenbereichen eines Werkstücks mittels eines Interferometers bei der Laserbearbeitung des Werkstücks mit den Merkmalen von Anspruch 11.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
    • 1 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung mit thermisch gekoppelten Mess- und Referenzfasern für eine Abstandsmessung des Werkstücks;
    • 2 eine weitere erfindungsgemäße Messvorrichtung mit thermisch gekoppelten Mess- und Referenzfasern für eine Abstandsmessung zwischen zwei Oberflächenbereichen des Werkstücks;
    • 3a, 3b erfindungsgemäße Messvorrichtungen für eine Abstandsmessung zwischen zwei Oberflächenbereichen des Werkstücks mit Mess- und Referenzstrahlen, die in Freistrahlpropagation (3a) und in einer gemeinsamen Transportfaser (3b) geführt sind; und
    • 4a, 4b erfindungsgemäße Messvorrichtungen für eine Abstandsmessung zwischen zwei Oberflächenbereichen des Werkstücks mit einer Transportaser, die einem Strahlteiler vorgeordnet (4a) oder nachgeordnet (4b) ist.
  • In der folgenden Figurenbeschreibung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
  • Der in 1 gezeigte Bearbeitungskopf 1 einer Laserbearbeitungsmaschine (nicht gezeigt) dient zum Bearbeiten eines Werkstücks 2 mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (nicht gezeigt) und weist eine Messvorrichtung 3 zur Messung des Abstands A zwischen einer reflektierenden Werkstückoberfläche 2a des Werkstücks 2 und dem Bearbeitungskopf 1, genauer gesagt einer Referenzfläche 4 des Bearbeitungskopf 1, auf.
  • Die Messvorrichtung 3 umfasst ein Interferometer 5 mit einem Strahlteiler 6, der Interferometerlicht 7 einer Interferometerlichtquelle 8 auf einen Messarm 9 als Messstrahl 10 und auf einen Referenzarm 11 als Referenzstrahl 12 aufteilt, und einen Detektor 13, der den an der Werkstückoberfläche 2a reflektierten Messstrahl 10 und den an der Referenzfläche 4 reflektierten Referenzstrahl 12 detektiert. Der Messarm 9 weist eine Messfaser 14 und der Referenzarm 11 eine Referenzfaser 15 auf, die beide gleich lang sind und auf ihrer gesamten Länge parallel nebeneinander verlaufen und in thermischem Kontakt miteinander stehen. Die Referenzfläche 4 ist durch das dem Werkstück 2 zugewandte verspiegelte Faserende der Referenzfaser 15 gebildet. Alternativ kann die Referenzfläche auch durch einen separaten Spiegel im Referenzarm 11 gebildet sein. Anders als in 1 gezeigt, können die Mess- und Referenzfasern 14, 15 auch unterschiedlich lang sein, wobei in diesem Fall die beiden Fasern 14, 15 auf der gesamten Länge der kürzeren Faser, aber nur auf einer Teillänge der längeren Faser parallel nebeneinander verlaufen und in thermischem Kontakt miteinander stehen.
  • Im Messarm 9 wird der Messstrahl 10 über die Messfaser 14 geführt, an der Werkstückoberfläche 2a reflektiert und der reflektierte Messstrahl 10 erneut in die Messfaser 14 eingekoppelt und über den Strahlteiler 6 zum Detektor 13 abgelenkt. Im Referenzarm 11 wird der Referenzstrahl 12 über die Referenzfaser 15 geführt, an der Referenzfläche 4 der Referenzfaser 15 reflektiert und der reflektierte Referenzstrahl 12 über den Strahlteiler 6 zum Detektor 13 abgelenkt. Die wieder zusammengeführten reflektierten Mess- und Referenzstrahlen 14, 15 werden vom Detektor 13 detektiert, und anhand der Interferenz kann der Abstand A zwischen Werkstückoberfläche 2a und Referenzfläche 4 bestimmt werden. Wegen der thermischen Kopplung der beiden Fasern 14, 15 kommt es zu keinen nennenswerten Temperaturunterschieden und somit zu keinen temperaturbedingten Messfehlern bei der absoluten Abstandsmessung.
  • Die beiden Fasern 14, 15 können beispielsweise als separate Fasern in einem gemeinsamen Lichtleitkabel oder Schutzschlauch in thermischem Kontakt geführt sein. Alternativ kann die Messfaser 14 auch durch den Kern und die Referenzfaser 15 durch das Innencladding einer Doppelcladfaser gebildet sein.
  • Im Unterschied zur 1 weisen bei der in 2 gezeigten Messvorrichtung 3 der Messarm 9 als reflektierende Werkstückoberfläche einen ersten Oberflächenbereich 2a und der Referenzarm 11 als reflektierende Referenzfläche einen zweiten Oberflächenbereich 2b des Werkstücks 2 auf. Die Mess- und Referenzstrahlen 10, 12 werden über die jeweiligen Fasern 14, 15 dicht nebeneinander, aber getrennt zum Werkstück 2 geführt, so dass die Strahlengänge leicht versetzt zu einander sind. Dadurch kann der Referenzstrahl 12 auf den ersten Oberflächenbereich 2a (z.B. die Werkstückoberfläche als Referenzfläche) und der Messstrahl 10 auf einen Messpunkt bzw. Messfläche 2b gelenkt werden. Die wieder zusammengeführten reflektierten Mess- und Referenzstrahlen 14, 15 werden vom Detektor 13 detektiert, und anhand ihrer Interferenz kann der Abstand A zwischen den beiden Werkstückoberfläche 2a, 2b bestimmt werden. Wegen der thermischen Kopplung der beiden Fasern 14, 15 kommt es zu keinen nennenswerten Temperaturunterschieden und zu keinen temperaturbedingten Messfehlern bei der relativen Abstandsmessung.
  • Zwischen dem Werkstück 2 und den werkstückseitigen Enden der Mess- und Referenzfasern 14, 15 ist eine Ablenkoptik oder eine Abbildungsoptik 16 angeordnet. Mittels der Ablenkoptik 16 können der Mess- und/oder der Referenzstrahl 10, 12 gemeinsam oder getrennt über die beiden Oberflächenbereiche 2a, 2b bewegt werden, um eine 1- oder 2-dimensionale Messung vorzunehmen. Dadurch kann z.B. die Topographie der Werkstückoberfläche erfasst oder eine räumliche Mittelung durchgeführt werden. Mittels der Abbildungsoptik 16 können der Mess- und/oder der Referenzstrahl 10, 12 geformt werden, um ein bestimmtes Beleuchtungsmuster (z.B. ein Punkt, eine Linie oder ein Kreis) auf den Oberflächenbereichen 2a, 2b zu erzeugen.
  • Eine Referenzfläche für eine Abstandsmessung zum Werkstück kann, wie in 2 gestrichelt angedeutet, durch einen in den Referenzarm 11 einschwenkbaren Spiegel 4 gebildet sein. So kann zwischen den beiden Betriebsarten - temperaturkompensierte Abstandsmessung zum Werkstück und temperaturkompensierte Abstandsmessung zwischen zwei Oberflächenbereichen - umgeschaltet werden. Der Messbereich des Interferometers 5 wird durch die spektrale Breite der Interferometerlichtquelle 8 und der optischen Weglängendifferenz zwischen Mess- und Referenzarm 9, 11 bestimmt. Um den Messbereich anpassen zu können, kann der Spiegel 4 des Referenzarmes 11 entlang der optischen Achse verschoben und so die Weglänge des Referenzarms 11 angepasst werden.
  • Anders als in 2 gezeigt, können die Mess- und Referenzfasern 14, 15 an ihren werkstückseitigen Enden voneinander um maximal einige Millimeter beabstandet sein, so dass die Mess- und Referenzstrahlen 10, 12 auf entsprechend beabstandete Oberflächenbereiche 2a, 2b des Werkstücks 2 treffen.
  • Die Strahlaufteilung muss nicht zwingend durch ein optisches Element der Messvorrichtung 3 erfolgen, sondern kann sich durch unterschiedliche Orte der Reflexion auf dem Werkstück 2 ergeben. Bei der in 3a gezeigten Messvorrichtung 3 wird das über einen Strahlteiler 17 in Freistrahlpropagation einfallende Interferometerlicht 7 erst an einer zwischen den beiden Oberflächenbereichen 2a, 2b vorhandenen Stufe 18 des Werkstücks 2 geometrisch in den Messstrahl 10 und in den Referenzstrahl 12 geteilt, d.h. das Interferometerlicht 7 wird an dem einen Oberflächenbereich 2a als Messstrahl 10 und an dem anderen Oberflächenbereich 2b als Referenzstrahl 12 reflektiert. Wenn beispielsweise beim Lasertiefschweißen der Lichtfleck des Interferometerlichts 7 auf der Werkstückoberfläche größer als der Durchmesser der Schweißkapillare ist, wird ein Teil des Interferometerlichts 7 von der Werkstückoberfläche in der Umgebung der Schweißkapillare und ein Teil in der Schweißkapillare reflektiert, wodurch sich eine „natürliche“ Aufteilung des Interferometerlichts 7 in Mess- und Referenzstrahlen 10, 12 ergibt. Die wieder zusammengeführten reflektierten Mess- und Referenzstrahlen 10, 12 werden über den Strahlteiler 17 zum Detektor 13 abgelenkt. Anhand der dort detektierten Interferenz kann der Abstand A zwischen den beiden Werkstückoberflächen 2a, 2b bestimmt werden.
  • Im Unterscheid zur 3a wird bei der in 3b gezeigten Messvorrichtung 3 das Interferometerlicht 7 über eine Transportfaser 19 zum Werkstück 2 geführt, und die an den beiden Oberflächenbereichen 2a, 2b reflektierten Mess- und Referenzstrahlen 10, 12 werden über die Transportfaser 19 zurück zum Strahlteiler 17 geführt.
  • Bei der in 4a, 4b gezeigten Messvorrichtung 3 erfolgt die Aufteilung von Interferometerlicht 7 in die Mess- und Referenzstrahlen 10, 12 an einem separaten Strahlteiler 6, der in 4a vor und in 4b hinter einer Übertragungsfaser 19 angeordnet ist. In 4b dient der Strahlteiler 5 auch dazu, die Mess- und Referenzstrahlen 10, 12 auf unterschiedliche Oberflächenbereiche 2a, 2b des Werkstückes 2 zu richten.

Claims (12)

  1. Vorrichtung (3) zur Messung des Abstands (A) zwischen einer reflektierenden Werkstückoberfläche (2a) eines Werkstücks (2) und einer reflektierenden Referenzfläche (2b; 4) bei der Laserbearbeitung des Werkstücks (2), aufweisend ein Interferometer (5) mit einem Strahlteiler (6; 18), der Interferometerlicht (7) auf einen Messarm (9) als Messstrahl (10) und auf einen Referenzarm (11) als Referenzstrahl (12) aufteilt, und mit einem Detektor (13), der den an der Werkstückoberfläche (2a) reflektierten Messstrahl (10) und den an der Referenzfläche (2b; 4) reflektierten Referenzstrahl (12) detektiert, wobei der Messarm (9) und der Referenzarm (11) innerhalb der Kohärenzlänge des Interferometerlichts (7) gleich lang sind, wobei der Messarm (9) eine Messfaser (14) und der Referenzarm (11) eine Referenzfaser (15) aufweisen und dass die Messfaser (14) und die Referenzfaser (15) auf ihrer gesamten Länge oder einer Teillänge, insbesondere bei unterschiedlich langen Fasern (14, 15) auf der gesamten Länge der kürzeren Faser, parallel nebeneinander verlaufen und in thermischem Kontakt miteinander stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Messarm (9) als reflektierende Werkstückoberfläche einen ersten Oberflächenbereich (2a) und der Referenzarm (11) als reflektierende Referenzfläche einen anderen, zweiten Oberflächenbereich (2b) des Werkstücks (2) aufweist, und dass zwischen dem Werkstück (2) und dem werkstückseitigen Ende der Messfaser (14) und/oder der Referenzfaser (15) eine Ablenk- oder Abbildungsoptik (16) zum Bewegen des Mess- und/oder des Referenzstrahls (10, 12) gemeinsam oder getrennt über die beiden Oberflächenbereiche (2a, 2b) oder zum Formen des Mess- und/oder des Referenzstrahls (10, 12) zu einem bestimmten Beleuchtungsmuster angeordnet ist.
  2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfaser (14) und die Referenzfaser (15) zwei separate Fasern sind, die auf ihrer gesamten Länge oder einer Teillänge, insbesondere bei unterschiedlich langen Fasern (14, 15) auf der gesamten Länge der kürzeren Faser, aneinander anliegen.
  3. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfaser (14) und die Referenzfaser (15) durch den Kern und das Innencladding einer Doppelcladfaser gebildet sind.
  4. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Referenzfläche (4) durch einen in den Referenzarm (11) einschwenkbaren Spiegel gebildet ist.
  5. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfaser (14) und die Referenzfaser (15) an ihren werkstückseitigen Enden voneinander beabstandet sind.
  6. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler durch eine zwischen den beiden Oberflächenbereichen (2a, 2b) vorhandene Stufe (18) des Werkstücks (2) gebildet ist, die das Interferometerlicht (7) geometrisch in den Messstrahl (10) und in den Referenzstrahl (12) teilt.
  7. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Interferometerlichtquelle (7) und Werkstück (2) eine Transportfaser (19) für das zum Werkstück (2) geführte Interferometerlicht (7) und für die reflektierten Mess- und Referenzstrahlen (10, 12) angeordnet ist.
  8. Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (6) zwischen der Interferometerlichtquelle (7) und dem Werkstück (2) angeordnet ist.
  9. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Transportfaser (19) dem Strahlteiler (6) vor- oder nachgeordnet ist.
  10. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (3) in einem Bearbeitungskopf (1) einer Laserbearbeitungsmaschine angeordnet ist.
  11. Verfahren zum Messen des Abstands (A) zwischen zwei Oberflächenbereichen (2a, 2b) eines Werkstücks (2) mittels eines Interferometers (5) bei der Laserbearbeitung des Werkstücks (2), wobei ein Messstrahl (10) und ein Referenzstrahl (12) des Interferometers (5) an den beiden Oberflächenbereichen (2a, 2b) reflektiert werden, wobei der Mess- und/oder ders Referenzstrahls (10, 12) gemeinsam oder getrennt über die beiden Oberflächenbereiche (2a, 2b) bewegt werden, um eine 1- oder 2-dimensionale Messung der Werkstückoberfläche vorzunehmen, oder geformt werden, um ein bestimmtes Beleuchtungsmuster auf den Oberflächenbereichen (2a, 2b) zu erzeugen.
  12. Messverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Interferometerlicht (8) an einer zwischen den beiden Oberflächenbereichen (2a, 2b) vorhandenen Stufe (18) des Werkstücks (2) geometrisch in den Messstrahl (10) und in den Referenzstrahl (12) geteilt wird.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017001353B4 (de) 2017-02-13 2022-12-15 Lessmüller Lasertechnik GmbH Vorrichtung und Verfahren zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses zur Materialbearbeitung mittels eines optischen Messstrahls unter Anwendung eines Temperaturausgleichs
DE102019002942B4 (de) * 2019-04-24 2023-08-03 Lessmüller Lasertechnik GmbH Messvorrichtung und Verfahren zur Durchführung optischer Kohärenztomographie mit einem Kohärenztomographen
JP2021067497A (ja) * 2019-10-18 2021-04-30 三菱重工業株式会社 光ファイバー検出装置、及び光ファイバー検出装置を用いた機械ひずみの検出方法
WO2022117207A1 (de) 2020-12-04 2022-06-09 Lessmueller Lasertechnik Gmbh Verfahren, vorrichtung und bearbeitungssystem zum überwachen eines bearbeitungsprozesses eines werkstücks mittels eines hochenergetischen bearbeitungsstrahls

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4380394A (en) 1981-05-26 1983-04-19 Gould Inc. Fiber optic interferometer
US20040246490A1 (en) 2003-06-04 2004-12-09 Feiling Wang Measurements of substances using two different propagation modes of light through a common optical path
US7023563B2 (en) 2003-02-14 2006-04-04 Chian Chiu Li Interferometric optical imaging and storage devices
US20060126991A1 (en) 2004-12-13 2006-06-15 Haiying Huang In-fiber whitelight interferometry using long-period fiber grating
EP1744119A1 (de) 2005-07-15 2007-01-17 Proximion Fiber Systems AB Optische Kohärenztomographie mit einer Wobbelsignalquelle
US7518731B2 (en) 2005-02-01 2009-04-14 Chian Chiu Li Interferometric MOEMS sensor
WO2010044322A1 (ja) 2008-10-17 2010-04-22 コニカミノルタオプト株式会社 光断層測定装置
EP2236978A1 (de) 2009-04-01 2010-10-06 Nederlandse Organisatie voor toegepast -natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Optische Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Form eines Objekts und eine Maschine zum Formen des Objekts

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0875433A (ja) * 1994-09-05 1996-03-22 Tokyo Seimitsu Co Ltd 表面形状測定装置
AU2003214404A1 (en) * 2002-03-14 2003-09-29 Taylor Hobson Limited Surface profiling apparatus
CN100350220C (zh) * 2005-11-25 2007-11-21 浙江大学 基于长周期光纤光栅对传感器的双参量测量方法
FR2950425A1 (fr) * 2009-09-23 2011-03-25 Sabban Youssef Cohen Nanotopographie 3d sans contact, insensible aux vibrations
EP2384692B1 (de) * 2010-05-07 2020-09-09 Rowiak GmbH Anordnung und Verfahren zur Interferometrie
DE102010016862B3 (de) * 2010-05-10 2011-09-22 Precitec Optronik Gmbh Materialbearbeitungsvorrichtung mit in-situ Messen des Bearbeitungsabstands
CN102645178B (zh) * 2011-02-18 2015-01-21 上海微电子装备有限公司 基于双频干涉的面型测量装置及方法
EP2690396A1 (de) * 2012-07-24 2014-01-29 Hexagon Technology Center GmbH Interferometrische Entfernungsmessanordnung und ebensolches Verfahren

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4380394A (en) 1981-05-26 1983-04-19 Gould Inc. Fiber optic interferometer
US7023563B2 (en) 2003-02-14 2006-04-04 Chian Chiu Li Interferometric optical imaging and storage devices
US20040246490A1 (en) 2003-06-04 2004-12-09 Feiling Wang Measurements of substances using two different propagation modes of light through a common optical path
US20060126991A1 (en) 2004-12-13 2006-06-15 Haiying Huang In-fiber whitelight interferometry using long-period fiber grating
US7518731B2 (en) 2005-02-01 2009-04-14 Chian Chiu Li Interferometric MOEMS sensor
EP1744119A1 (de) 2005-07-15 2007-01-17 Proximion Fiber Systems AB Optische Kohärenztomographie mit einer Wobbelsignalquelle
WO2010044322A1 (ja) 2008-10-17 2010-04-22 コニカミノルタオプト株式会社 光断層測定装置
EP2236978A1 (de) 2009-04-01 2010-10-06 Nederlandse Organisatie voor toegepast -natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Optische Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Form eines Objekts und eine Maschine zum Formen des Objekts

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