DE4025577A1 - Contactless optical distance measuring appts. - uses measurement light beam passed to object via working laser beams focussing lens to determine deviation from focus - Google Patents
Contactless optical distance measuring appts. - uses measurement light beam passed to object via working laser beams focussing lens to determine deviation from focusInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum berüh rungslosen Messen des Abstands von einem Objekt, mit einer op tischen Einrichtung, die einen aus einem Lichtstrahl bestehen den Meßstrahl, insbesondere einen Laserstrahl, auf die Meß stelle des Objekts fokussiert, mit einem von der Meßstelle re flektiertes Licht aufnehmenden Detektor zum Ermitteln der Brennpunktsabweichung von der Oberfläche des Objekts insbeson dere mit einer das reflektierte Licht durch eine Blende auf einen lichtempfindlichen Sensor fokussierenden Meßlinse sowie einer Sensorsignale aufnehmenden Auswertungseinheit.The invention relates to a device for touch easy measurement of the distance from an object, with an op tables that consist of a beam of light the measuring beam, in particular a laser beam, on the measuring focus of the object, with a right of the measuring point reflected light detector for determining the Focus deviation from the surface of the object in particular the one with the reflected light through an aperture a light-sensitive sensor focusing measuring lens as well an evaluation unit receiving sensor signals.
Aus der DE 31 34 077 C2 ist eine Vorrichtung zum berüh rungslosen Messen des Abstands von einem Objekt bekannt, bei der eine Linse als optische Einrichtung einen Laserstrahl auf eine Informationen aufweisende CD-Platte fokussiert. Von der Meßstelle der Platte reflektiertes Licht wird durch die vorge nannte Linse und durch eine weitere, als Meßlinse wirkende Linse von einem Detektor aufgenommen, der aus einer seitlichen Verschiebung des Reflexionspunktes des auf ihn reflektierten Lichts ein Signal gewinnt, das ein Maß für die Fokussierabwei chung des Brennpunkts von der Oberfläche des Objekts ist.DE 31 34 077 C2 describes a device for contact known measurement of the distance from an object a lens as an optical device on a laser beam focuses an information CD. Of the Measuring point of the plate is reflected light by the pre called lens and by another, acting as a measuring lens Lens picked up by a detector made from a side Shift of the reflection point of the reflected on it Light wins a signal that is a measure of the focusing deviation focus from the surface of the object.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß eine möglichst genaue Bestimmung des Abstandes zwischen einer Fokus sierungsoptik und einer Arbeitslichtquelle und einer zu bear beitenden Werkstückoberfläche ermöglicht wird.The invention has for its object a device to improve with the features mentioned so that a determining the distance between a focus as accurately as possible optics and a work light source and one to work machining workpiece surface is made possible.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Meßstrahl unter Einbeziehung der Fokussierungsoptik eines Arbeitslasers auf ein Werkstück als Meßobjekt fokussiert ist, und daß der Meßstrahl dem Arbeitsstrahl gleichachsig oder achsparallel angeordnet ist.This object is achieved in that the measuring beam under Inclusion of the focusing optics of a working laser on a Workpiece is focused as a measuring object, and that the measuring beam arranged coaxially or axially parallel to the working beam is.
Es ist von Bedeutung, daß der Meßstrahl unter Einbeziehung der Fokussierungsoptik auf das Werkstück fokussiert ist. Infol gedessen werden der Arbeitsstrahl und der Meßstrahl durch die selbe Optik fokussiert. Eine besondere Abstimmung einer separa ten Optik zur Fokussierung des Meßstrahls in Bezug auf die Fo kussierungsoptik des Arbeitslasers entfällt. Des weiteren ist von Bedeutung, daß der Meßstrahl dem Arbeitsstrahl gleichachsig oder achsparallel angeordnet ist. Meßfehler durch Achswinkel entfallen bzw. es ist nicht erforderlich, zwischen Meßstrahl und Arbeitsstrahl vorhandene Achswinkel bei der Auswertung des Meßergebnisses zu berücksichtigen. Die Gleichachsigkeit zwi schen Meßstrahl und Arbeitsstrahl hat den Vorteil, daß an der Bearbeitungsoptik keine weiteren Maßnahmen zur Ausrichtung des Meßstrahls in Bezug auf das Werkstück getroffen werden müssen. Bei Gleichachsigkeit von Meßstrahl und Arbeitsstrahl spielt darüber hinaus eine etwaige Neigung der Fokussierungsoptik des Arbeitslasers zur Oberfläche des Werkstücks bezüglich des Meß ergebnisses keine Rolle. Bei einem Messen mit dem Arbeitsstrahl parallelem Meßstrahl ist es zwar erforderlich, Maßnahmen zur Ausrichtung des Meßstrahls in Bezug auf das Werkstück zu tref fen, es hat jedoch den Vorteil, daß außerhalb der Bearbeitungs stelle des Arbeitsstrahls gemessen werden kann, was erforder lich ist, wenn die Reflexionseigenschaften der Bearbeitungs stelle ungenügend sind, z. B. infolge der Ausbildung einer Dampfkapillaren an der Bearbeitungsstelle, oder wenn ein Ab stand vor oder nach der Durchführung der Bearbeitung erfaßt werden muß, was asynchron zum Arbeitsstrahl gemacht werden kann.It is important to include the measuring beam the focusing optics is focused on the workpiece. Info the working beam and the measuring beam are measured by the same optics focused. A special coordination of a separa ten optics for focusing the measuring beam in relation to the Fo Kissing optics of the working laser are no longer required. Furthermore is important that the measuring beam coaxial with the working beam or is arranged axially parallel. Measurement error due to axis angle omitted or it is not necessary between the measuring beam and working beam existing axis angle when evaluating the Measurement result. The coaxiality between rule measuring beam and working beam has the advantage that at the Processing optics no further measures to align the Measuring beam must be taken in relation to the workpiece. When the measuring beam and the working beam are coaxial in addition, any inclination of the focusing optics of the Working laser to the surface of the workpiece with respect to the measurement result doesn't matter. When measuring with the working beam parallel measuring beam it is necessary to take measures for Alignment of the measuring beam in relation to the workpiece fen, however, it has the advantage of being outside of editing location of the working beam can be measured, which requires is if the reflection properties of the machining are insufficient, e.g. B. due to the formation of a Steam capillaries at the processing point, or if an Ab was recorded before or after processing must be what is done asynchronously to the working beam can.
Zweckmäßigerweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß der Arbeitslaser gepulst betrieben wird, und daß der Meßstrahl zumindest in den Impulspausen des Arbeitsstrahls vorhanden ist. Die Verwendung des Meßstrahls in den Impulspausen gewährlei stet, daß der Arbeitsstrahl bzw. dessen Reflexionslicht die Messung nicht stört. Sofern eine solche Störung nicht zu be fürchten ist, z. B. weil der Meßstrahl eine andere Wellenlänge hat, oder weil der Meßstrahl andere, der Abstandsmessung die nende, vom Arbeitsstrahl nicht störbare Kriterien aufweist, kann der Meßstrahl auch während der Bearbeitung des Werkstücks zur Abstandsmessung benutzt werden.The device is expediently designed such that the working laser is operated in pulsed mode and that the measuring beam is present at least in the pulse pauses of the working beam. Ensure the use of the measuring beam in the pulse pauses Steady that the working beam or its reflection light the Measurement does not interfere. Unless such a disorder is to be fear is z. B. because the measuring beam has a different wavelength or because the measuring beam has a different distance measurement criteria that cannot be disrupted by the working beam, the measuring beam can also be used while machining the workpiece be used for distance measurement.
Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß der Meßstrahl je Impulspause des Arbeitsstrahls mindestens einen entsprechend synchronisierten Meßimpuls aufweist und/oder daß der lichtempfindliche Sensor in den Impulspausen des Ar beitsstrahls zum Messen ansteuerbar ist. Die Synchronisation zwischen dem Arbeitsstrahl und dem Meßstrahl bzw. deren Impul sen bewirkt, daß die Messung so schnell wie möglich durchge führt wird und die zur Messung erforderliche Zeit zwischen zwei Impulsen des Arbeitsstrahls so gering wie möglich sein kann. Sofern der Meßstrahl dauernd vorhanden ist, also sowohl während der Arbeitsimpulse des Arbeitsstrahls, als auch in den Impul spausen, ist es zweckmäßig, daß der lichtempfindliche Sensor in den Impulspausen des Arbeitsstrahls angesteuert wird, damit nur dann gemessen wird. Durch die Ansteuerung kann auch die Meßzeit und/oder die Anzahl der Meßvorgänge während der Impulspausen des Arbeitsstrahls bestimmt werden.The device is advantageously designed such that the measuring beam per pulse break of the working beam at least has a correspondingly synchronized measuring pulse and / or that the light-sensitive sensor in the pulse pauses of the Ar beitsstrahls can be controlled for measurement. The synchronization between the working beam and the measuring beam or their pulse sen causes the measurement to go through as quickly as possible and the time required for the measurement between two Pulses of the working beam can be as low as possible. If the measuring beam is continuously present, i.e. both during the working impulses of the working beam, as well as in the impulse pause, it is appropriate that the photosensitive sensor in the pulse pauses of the working beam is controlled so that only then measured. The measuring time can also be controlled and / or the number of measurements during the pulse pauses of the working beam can be determined.
Um die Sensorsignale des Detektors auszuwerten und damit den Abstand vom Objekt zu bestimmen, gibt es verschiedene Mög lichkeiten. Beispielsweise kann die Vorrichtung einen von der Auswertungseinheit beaufschlagbaren Blendenverstellantrieb zum Abgleich der Blendenposition auf maximales Sensorsignal aufwei sen. In diesem Fall ist die Verstellung der Blende ein Maß für die Abweichung des Fokus von der Oberfläche des Objekts und da mit ein Maß für die entsprechende Abstandsdifferenz, aus der der Abstand unter Berücksichtigung der Dimensionierung der Meß vorrichtung bestimmt werden kann.To evaluate the sensor signals from the detector and thus There are various ways to determine the distance from the object options. For example, the device can be one of the Evaluation unit can be acted upon by a diaphragm adjustment drive Adjust the aperture position to the maximum sensor signal sen. In this case, the adjustment of the aperture is a measure of the deviation of the focus from the surface of the object and there with a measure of the corresponding distance difference from which the distance taking into account the dimensioning of the measuring device can be determined.
In der Regel treten Abstandsänderungen in beiden Richtun gen senkrecht zum Werkstück auf. In diesem Fall ist es erfor derlich, die Richtung einer Abstandsänderung zu kennen, um den Abstand ausgehend von der Dimensionierung der Meßvorrichtung zutreffend durch Addition oder Subtraktion der gemessenen Ab standsänderung berechnen zu können. Daher ist die Vorrichtung in diesem Fall so ausgebildet, daß sie zur Bestimmung des zu messenden Abstands und/oder der Richtung einer Abstandsänderung zwei mit reflektiertem Licht des Meßstrahls durch je eine Blende beaufschlagte Sensoren aufweist, wobei die Blende des einen Sensors vor und die Blende des anderen Sensors hinter dem Brennpunkt der Meßlinse angeordnet ist, und daß die Differenz der Sensorsignale als Maß für die den zu messenden Abstand und/oder die Richtung der Abstandsänderung verwendet ist.As a rule, changes in distance occur in both directions perpendicular to the workpiece. In this case it is necessary to know the direction of a change in distance to the Distance based on the dimensioning of the measuring device applicable by adding or subtracting the measured Ab to be able to calculate the change in position. Hence the device in this case so that they are used to determine the measuring distance and / or the direction of a change in distance two with reflected light from the measuring beam through one each Aperture has applied sensors, the aperture of the one sensor in front and the aperture of the other sensor behind the Focal point of the measuring lens is arranged, and that the difference the sensor signals as a measure of the distance to be measured and / or the direction of the change in distance is used.
Wenn der Meßstrahl einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist, wird dadurch eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Meßvorrichtung erreicht. Infolge des kreisringförmigen Quer schnitts des Meßstrahls ist der zentrale Bereich lichtfrei. Wenn dann der Kreisring so schmal wie möglich gehalten wird, fällt der Meßstrahl zur Gänze durch die Blende auf den Sensor, oder er wird durch entsprechende Strahlaufweitung entsprechend seiner geringen radialen Dimensionierung schnell vollständig ausgeblendet. Eine zentrale Lichtintensität, die eine vollstän dige Ausblendung durch die Blende verhindern würde, stört beim Meßvorgang nicht. Es ist auch möglich, einen Kreisringquer schnitt aufweisendes Reflexionslicht direkt zur Abstandsbestim mung zu verwenden, indem seine geometrischen Eigenschaften bei spielsweise mit einem sogenannten CCD-Array erfaßt werden. In diesem Fall kann eine Blende entfallen. Eine solche Anordnung kann auch bei einem vollkreisförmigen Meßstrahl verwendet wer den, durch die der Außendurchmesser als Kriterium für die Ab standsbestimmung erfaßt werden muß. Allgemein gilt, daß durch Intensitätsverteilungsmessungen und/oder Messungen der Radial erstreckungen des Strahlflecks Informationen über den Abstand gewonnen werden können.If the measuring beam has an annular cross section has an increase in the sensitivity of the Measuring device reached. As a result of the circular cross section of the measuring beam, the central area is light-free. If the circular ring is kept as narrow as possible, the measuring beam falls entirely through the aperture onto the sensor, or it is made corresponding by corresponding beam expansion its small radial dimensions quickly complete hidden. A central light intensity that a complete would prevent this fading out through the aperture Measurement process not. It is also possible to cross a circular ring cut reflection light directly to the distance determination mung use by adding its geometric properties can be detected with a so-called CCD array, for example. In in this case an aperture can be omitted. Such an arrangement can also be used with a fully circular measuring beam by which the outer diameter as a criterion for the Ab status determination must be recorded. The general rule is that through Intensity distribution measurements and / or measurements of the radial extensions of the beam spot information about the distance can be won.
In Weiterbildung der Erfindung wird die Vorrichtung so ausgestaltet, daß der Meßstrahl in Strahlungsrichtung sich än dernde, Abstände oder Abstandsänderungen des Werkstücks erfas sen lassende Divergenzeigenschaften hat. Unterschiedliche Di vergenzeigenschaften bedeuten, daß die Fokuslage in den Rich tungen des Meßstrahls dementsprechend unterschiedlich ist. Dementsprechend ergeben sich für zwei oder mehr unterschiedli che Brennpunkte des Meßstrahls entsprechende zwei oder mehr Meßergebnisse, aus denen der Abstand zum Objekt berechnet werden kann. Dabei ist es nicht mehr erforderlich, eine me chanische Bewegung einer Blende der Meßvorrichtung durchzu führen, so daß sich die Meßvorrichtung dementsprechend ver einfacht.In a development of the invention, the device is so designed that the measuring beam changes in the radiation direction changes, distances or changes in distance of the workpiece has divergent properties. Different Tues Congenital properties mean that the focus position in the Rich lines of the measuring beam is accordingly different. Accordingly, there are two or more differences che focal points of the measuring beam corresponding to two or more Measurement results from which the distance to the object is calculated can be. It is no longer necessary to have a me mechanical movement of an aperture of the measuring device lead so that the measuring device accordingly ver simple.
Die vorgenannte Meßvorrichtung ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß der Meßstrahl einen vertikal zur Werkstücko berfläche periodisch schwingenden Brennpunkt hat, daß eine vor dem Sensor ortsfest angeordnete Blende vorhanden ist, und daß zur Bestimmung des Abstandes durch die Auswertungseinheit eine Zeitdifferenz zwischen einem Sensorkennwert und der Brennpunkt lage vorgesehen ist. Die Brennpunktänderungen ergeben der peri odischen Schwingung entsprechend schwingende Signale des Sen sors, von denen beispielsweise der Maximalwert als Sensorkenn wert in Bezug auf die Brennpunktlage genommen werden kann, um dementsprechend den Abstand zu bestimmen. Voraussetzung ist bei dieser Meßvorrichtung eine Einrichtung zur periodischen Brenn punktsänderung. Das kann in einfacher Weise mit perdiodisch schwingenden Fokussierelementen erreicht werden, aber auch durch feststehende, unterschiedlich vorfokussierende Strahlen bahnen, denen der Meßstrahl durch rotierende Elemente zugeführt wird, beispielsweise durch Lochblenden.The aforementioned measuring device is expediently so trained that the measuring beam a vertical to the workpiece surface periodically vibrating focus has a front the sensor has a fixed aperture, and that to determine the distance by the evaluation unit Time difference between a sensor characteristic and the focal point location is provided. The focus changes result in the peri Oscillation corresponding to oscillating signals of the Sen sors, of which, for example, the maximum value as a sensor identifier worth in relation to the focal position can be taken to to determine the distance accordingly. The requirement is at this measuring device a device for periodic burning change of point. That can be done easily with periodic vibrating focusing elements can be achieved, but also due to fixed, differently prefocusing beams orbits to which the measuring beam is fed by rotating elements is, for example by pinhole.
Wenn erreicht werden soll, daß der Meßstrahl ohne jegliche bewegliche Elemente unterschiedliche Divergenzeigenschaften aufweisen soll, wird die Vorrichtung so ausgebildet, daß der Meßstrahl ein Lichtstrahl mit vorbestimmt unterschiedlichen Wellenlängenanteilen und/oder Modulationsfrequenzanteilen ist, und daß die Auswertungseinheit aus den vom Sensor ermittelten Signalen unter deren Zuordnung zu den Wellenlängen oder den Mo dulationsfrequenzen das Abstandssignal ermittelt. Die Wellen längenanteile werden beispielsweise durch mehrere Lichtquellen und/oder durch Einschaltung von Filter in parallele Strahlen gänge erzeugt. Unterschiedliche Modulationsfrequenzanteile des Meßstrahls lassen sich auf elektrischem Wege vorbestimmen, so daß auch auf diesem Wege sich eine Vereinfachung des mechanischen Aufbaus der Meßvorrichtung erreichen läßt.If it is to be achieved that the measuring beam without any moving elements different divergence properties should have, the device is designed so that the Measuring beam a light beam with predetermined different Wavelength components and / or modulation frequency components, and that the evaluation unit from those determined by the sensor Signals under their assignment to the wavelengths or the Mo Dulation frequencies determined the distance signal. The waves Length shares are, for example, by several light sources and / or by switching on filters in parallel beams gears generated. Different modulation frequency components of the Measuring beam can be predetermined electronically, so that this also simplifies the mechanical Structure of the measuring device can be reached.
Die Vorrichtung ist nicht darauf beschränkt, mit nur einem einzigen Meßstrahl arbeiten zu müssen. Vielmehr kann es vor teilhaft sein, wenn die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß dem Meßstrahl weitere Meßstrahlen achsparallel angeordnet sind und deren reflektiertes Licht jeweils für eine separate Abstands messung verwendet ist. Infolge der achsparallelen Anordnung mehrerer Meßstrahlen wird die Oberfläche des Werkzeugs an meh reren Meßpunkten vermessen. Aus den mehreren Abstandsmeßwerten kann zum einen die Form der Oberfläche näherungsweise erfaßt werden, um dementsprechend Steuerungen des Bearbeitungsvorgangs vorzunehmen, beispielsweise eine Unterbrechung des Bearbei tungsvorganges, wenn sich kein definierter Abstandswert mehr ermitteln läßt, weil das Werkstück z. B. durchgeschnitten ist. Die ermittelten Abstandswerte können aber auch für komplizier tere Aufgaben eingesetzt werden, wie eine Steuerung der Aus richtung der Fokussieroptik zu einer Werkstückoberfläche. Bei spielsweise kann die Fokussieroptik und damit der Arbeitsstrahl in einem bestimmten Winkel und in einer bestimmten Richtung ge neigt zum Werkstück gehalten werden oder auch beispielsweise stets senkrecht zu einer gewölbten Fläche des Werkstücks. Vor teilhafterweise werden zur Erzeugung mehrerer achsparalleler Meßstrahlen interferometrische Systeme eingesetzt, wie Strahl teiler oder Beugungsgitter, welche dafür sorgen, daß alle Meß strahlen exakt dieselben Meßeigenschaften haben, also bei spielsweise dieselben Divergenzeigenschaften.The device is not limited to only one to have to work single measuring beam. Rather, it can be a part if the device is designed so that the Measuring beam further measuring beams are arranged axially parallel and their reflected light each for a separate distance measurement is used. Due to the axially parallel arrangement several measuring beams, the surface of the tool is meh measure other measuring points. From the several distance measurements can, on the one hand, approximate the shape of the surface accordingly, controls the machining process accordingly carry out, for example an interruption of the processing tion process when there is no longer a defined distance value can determine because the workpiece z. B. is cut. The determined distance values can also be more complicated Other tasks are used, such as controlling the off direction of the focusing optics to a workpiece surface. At for example, the focusing optics and thus the working beam at a certain angle and in a certain direction tends to be held to the workpiece or for example always perpendicular to a curved surface of the workpiece. Before geous enough to generate several axially parallel Measuring beams used interferometric systems, such as beam divider or diffraction grating, which ensure that all measuring have exactly the same measurement properties, i.e. for example the same divergence properties.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell ter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt: The invention is illustrated by means of in the drawing ter embodiments explained. It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fokussierein richtung eines Lasers mit einer damit zusammen wirkenden Meßvorrichtung in Seitenansicht, Fig. 1 is a schematic representation of a Fokussierein direction of a laser with a cooperating measuring apparatus in side view,
Fig. 2a bis 2c in drei schematischen Detailzeichnungen Dar stellungen zur Erläuterung der Ermittlung eines Ab standswertes unter Verwendung einer nachführbaren Blende, FIGS. 2a-2c in three schematic detailed drawings Dar positions for explaining the determination of a value as of state using a trackable aperture,
Fig. 3a bis c in drei Detaildarstellungen schematische Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels der Meßvorrichtung mit zwei Sensoren, FIGS. 3a-c in three detail views of schematic representations of a further embodiment of the measuring device with two sensors,
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der zeitlichen Relationen zwischen einem Arbeitsstrahl und einem Meßstrahl, Fig. 4 is a schematic diagram for explaining the temporal relations between a working beam and a measuring beam,
Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Meßvorrichtung mit unterschiedlichen Divergenz eigenschaften seines Meßstrahls, Fig. 5 is a schematic view showing a measuring device with different divergence properties of its measuring beam,
Fig. 6 eine im Zusammenhang mit Fig. 5 zu sehende Darstel lung zur Erläuterung eines zeitlichen Zusammenhangs zwischen einem Sensorsignal und einem schwingenden Divergenzwinkel bzw. Brennpunkt, Fig. 6 is a in connection with Fig. 5 to be seen depicting lung illustrating a temporal relationship between a sensor signal and a swinging angle of divergence and the focal point,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Meßvorrichtung mit statischen Elementen für die Abstandsmessung mit Strahlen unterschiedlicher Divergenzeigenschaften, und Fig. 7 is a schematic representation of a measuring device with static elements for distance measurement with beams of different divergence properties, and
Fig. 8 die Einbindung einer als Tiefenmeßsystem ausgebilde ten Vorrichtung in eine Prozeßregelung bei der Bearbeitung eines Werkstücks durch Abtragen mit Laserstrahlung. Fig. 8 shows the integration of a having formed as a depth measuring th device in a process control in the machining of a workpiece by ablation with laser radiation.
Gemäß Fig. 1 wird das Objekt 10, nämlich ein Werkstück, mit einem Arbeitsstrahl 19 eines nicht dargestellten Lasers be strahlt. Der Arbeitsstrahl 19 wird durch einen partiellen Re flektor 22 vertikal zur Oberfläche des Objekts 10 ausgerichtet und durch die Fokussierungsoptik 18, nämlich eine Bearbeitungs linse 1 so fokussiert, daß sie an der Oberfläche des Werkstücks in üblicher Weise punktförmig konzentriert ist, um eine hohe Intensität zu erreichen. Die Ausrichtungsachse 23 ist vertikal angeordnet. Referring to FIG. 1, the object 10, namely, a workpiece with a working beam 19 of a laser, not shown, be irradiated. The working beam 19 is aligned by a partial reflector 22 vertically to the surface of the object 10 and focused by the focusing optics 18 , namely a processing lens 1 so that it is concentrated in a point manner on the surface of the workpiece in a conventional manner to a high intensity to reach. The alignment axis 23 is arranged vertically.
Die Meßvorrichtung besteht aus einer nicht näher darge stellten optischen Einrichtung, beispielsweise einem nicht dar gestellten Meßlaser, dessen Meßstrahl 11 mit einem teiltrans mittierenden Spiegel 24 entsprechend der Ausrichtungsachse 23 vertikal auf die Oberfläche des Objekts 10 ausgerichtet ist. Der Meßstrahl 11 wird mit Hilfe der Bearbeitungslinse 1 eben falls so fokussiert, daß er auf der Oberfläche des Objekts 10 den gewünschten kleinen Meßlichtfleck bildet. Das Objekt 10 bzw. das Werkstück reflektiert vom Meßstrahl 11 herrührendes Licht 13 durch die Bearbeitungslinse 1, den Reflektor 22 und den Spiegel 24 hindurch auf eine Meßlinse 2, welche reflektier tes Licht 13 des Meßstrahls 11 in ein Loch 14′ einer Blende 14 fokussiert. Hinter dem Loch 14′ ist ein Sensor 15 angeordnet, der gemeinsam mit der Blende 14 und der Meßlinse 2 einen Detek tor 25 bildet. Der Sensor 15 dieses Detektors 25 kann den Meß anforderungen entsprechend ausgebildet sein. Beispielsweise ist es möglich, den Sensor 15 als einzelne Fotodiode auszubilden, wenn es darauf ankommt, das Sensorsignal auf ein Maximum ab zugleichen. Es ist aber auch möglich, Zeilen- oder Flächensen soren ohne die Verwendung einer Blende einzusetzen, wenn es darauf ankommt, aus einer radialen Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts Kennwerte für Abstände oder Abstandsände rungen zu gewinnen.The measuring device consists of an optical device, not shown Darge, for example a measuring laser, not shown, whose measuring beam 11 is aligned vertically with a partially transmitting mirror 24 according to the alignment axis 23 on the surface of the object 10 . The measuring beam 11 is just so focused with the help of the processing lens 1 that it forms the desired small measuring light spot on the surface of the object 10 . The object 10 or the workpiece reflects light 13 originating from the measuring beam 11 through the processing lens 1 , the reflector 22 and the mirror 24 through onto a measuring lens 2 , which reflects light 13 of the measuring beam 11 into a hole 14 'of an aperture 14 . Behind the hole 14 'a sensor 15 is arranged, which together with the aperture 14 and the measuring lens 2 forms a detector 25 . The sensor 15 of this detector 25 can be designed according to the measurement requirements. For example, it is possible to design the sensor 15 as a single photodiode when it is important to match the sensor signal to a maximum. However, it is also possible to use line or area sensors without the use of an aperture if it is important to obtain parameters for distances or changes in distance from a radial intensity distribution of the reflected light.
In Fig. 2a bis 2c wird auf das Prinzip näher eingegangen, nach dem die Abstände oder Abstandsänderungen durch Ermitteln der Brennpunktsabweichung von der Oberfläche des Objekts be stimmt werden. Gemäß der Darstellung der Fig. 2a ist das Objekt 10 entsprechend der Brennweite fL1 von der Hauptebene der Linse 1 angeordnet. Die Linse 1 fokussiert also den z. B. durch einen HeNe-Laser erzeugten Meßstrahl 11 korrekt auf das Objekt 10. Dessen Abstand von der Linse 1 bzw. deren Hauptebene ist exakt A=fL1. Unter dieser Voraussetzung wird das vom Objekt 10 re flektierte Licht 13 durch die Meßlinse 2 so fokussiert, daß der Brennpunkt genau im Loch der Blende 14 liegt. Dementsprechend hat der Sensor ein maximales Sensorsignal, da sämtliches re flektiertes Licht 13 auf den Sensor 15 fällt.In FIGS. 2a to 2c the principle is discussed in more detail, according to which the distances or changes in distance are determined by determining the focal point deviation from the surface of the object. According to the illustration of FIG. 2a, the object 10 is in accordance with the focal length f L1 of the main plane of the lens 1 is disposed. The lens 1 thus focuses the z. B. correctly generated by a HeNe laser measuring beam 11 on the object 10th Its distance from the lens 1 or its main plane is exactly A = f L1 . Under this condition the object 10 from re inflected light 13 is focused by the measuring lens 2 so that the focal point is situated exactly in the hole of the diaphragm fourteenth Accordingly, the sensor has a maximum sensor signal, since all the reflected light 13 falls on the sensor 15 .
Gemäß der Darstellung in Fig. 2b ist das Objekt 10 näher an der Hauptebene der Linse 1 angeordnet, als in Fig. 2a. Die Meß stelle 12 des Objekts 10 reflektiert Licht 13 infolgedessen derart divergent, daß sich ein im Vergleich zur Fig. 2a aufwei tender Strahl dieses reflektierten Lichts 13 ergibt. Die Meß linse 2 fokussiert dieses Licht 13 infolgedessen näher an den Sensor 15, und zwar mit einem Unterschiedsbetrag ΔaB. Dieser Betrag ΔaB ist ein Maß für diejenige Abstandsdifferenz Δao, um die das Objekt 10 der Hauptebene der Laser 1 näher ist. Dement sprechend ist der Abstand A=fL1-Δao∼fL2-ΔaB. Die meß technische Ermittlung des Differenzabstands ΔaB erfolgt durch Abgleich des Sensorsignals des Sensors 15 auf ein Maximum, wozu die Blende 14 so verstellt wird, daß sie relativ zum Brennpunkt des Lichts 13 dieselbe Lage hat, wie in Fig. 2a.According to the illustration in FIG. 2b, the object 10 is arranged closer to the main plane of the lens 1 than in FIG. 2a. The measuring point 12 of the object 10 reflects light 13 as a result so divergent that a compared to Fig. 2a aufwei tender beam of this reflected light 13 results. The measuring lens 2 focuses this light 13 consequently closer to the sensor 15 , with a difference Δa B. This amount Δa B is a measure of the distance difference Δa o by which the object 10 is closer to the main plane of the laser 1 . Accordingly, the distance A = f L1 -Δa o ∼f L2 -Δa B. The measurement of the differential distance Δa B is carried out by comparing the sensor signal of the sensor 15 to a maximum, for which purpose the diaphragm 14 is adjusted so that it has the same position relative to the focal point of the light 13 as in FIG. 2a.
Ähnliches gilt für den Fall, daß das Werkstück 10 von der Hauptebene der Linse 1 einen größeren Abstand aufweist, als in der Darstellung der Fig. 2a. Infolge des größeren Abstandes des Objekts 10 von der Hauptebene der Linse 1 ergibt sich eine Re flexion des Lichts 13 mit gegenüber der Fig. 2a geringerer Di vergenz, so daß die Meßlinse 2 eine Fokussierung mit ver gleichsweise dieser naheliegendem Brennpunkt vornimmt, wodurch das Sensorsignal des Sensors 15 ein Maximum aufweist, wenn die Blende 14 in der aus der Fig. 2c ersichtlichen Lage ist, in der sie um den Betrag ΔaB von der 0-Lage gemäß Fig. 2a abweicht. Es gilt: A=fL1+Δao∼fL2+ΔaB.The same applies to the case that the workpiece 10 is at a greater distance from the main plane of the lens 1 than in the illustration in FIG. 2a. As a result of the greater distance of the object 10 from the principal plane of the lens 1, whereby the sensor signal results in a Re flexion of the light 13 with respect to the Fig. 2a lesser Di convergence so that the measuring lens 2 makes a focusing with ver same manner close to the latter lying focal point of the Sensor 15 has a maximum when the aperture 14 is in the position shown in FIG. 2c, in which it deviates by the amount Δa B from the 0 position according to FIG. 2a. The following applies: A = f L1 + Δa o ∼f L2 + Δa B.
Die rechnerische Auswertung kann in jedem Fall durch eine hier nicht dargestellte Auswertungseinheit erfolgen, die die durch einen nicht dargestellten Blendenverstellantrieb beim Ab gleich des Sensorsignals des Sensors 15 auf ein Maximum er folgte Blendenverstellung ΔaB der Blende 14 unter Beachtung der Richtung der Abstandsänderung berechnet. Der Blendenverstellan trieb ist beispielsweise ein an sich bekannter Tauchspulenan trieb, der eine massearme Blende 14 so schnell verstellen kann, daß ausreichende Taktraten beim Messen erreichbar sind, z. B. in der Größenordnung von 1 kHz.The computational evaluation can in any case be carried out by an evaluation unit, not shown here, which calculates the aperture adjustment Δa B of the aperture 14 , which is followed by a aperture adjustment drive, not shown, from the sensor signal of the sensor 15 to a maximum, taking into account the direction of the change in distance. The Blendenverstellan drive is, for example, a known plunger spool, which can adjust a low-mass aperture 14 so quickly that sufficient clock rates can be achieved during measurement, for. B. in the order of 1 kHz.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung, bei der zur Bestimmung des Abstands A und/oder einer Abstandsänderung eine mechanische Blendenverstellung nicht erforderlich ist. Diese Meßvorrichtung entspricht im wesentlichen derjenigen der Fig. 2 und ist ledig lich im Bereich des Detektors 25 anders ausgebildet. Es sind also außer dem Werkstück bzw. Objekt 10 eine den Meßstrahl 11 fokussierende Linse 1 im Abstand von fL1 zum Werkstück vorhan den, wie ein teiltransmittierender Spiegel 24, der reflektier tes Licht 13 zu der Meßlinse 2 gelangen läßt, welche dieses Licht fokussiert. Der fokussierte Strahl 13′ wird zwei Sensoren 15, 15′ zugeführt, indem ein teiltransmittierender Spiegel 26 od. dgl. als Strahlteiler eingesetzt wird. Den Sensoren 15, 15′ sind Blenden 14, 14′ zugeordnet, wobei die Blende 14 zwischen dem Brennpunkt fL2 und dem Sensor 15 angeordnet ist, während die Blende 14′ zwischen dem Brennpunkt fL2 und der Meßlinse 2 ange ordnet ist. Die Blenden 14, 14′ sind jeweils mit einem Abstand Δs angeordnet. Da beide Blenden 14, 14′ dieselbe Lochweite ha ben, blenden sie infolge ihrer Anordnung näher am Sensor 15 bzw. weiter vom Sensor 15′ entfernt entsprechend unterschied lich ab. Das wird anhand der Darstellungen der Fig. 3b, c näher erläutert. Gemäß Fig. 3b ist das Objekt 10 um den Betrag Δao weiter als die Brennweite fL1 von der Hauptebene der Linse 1 entfernt. Die Reflexion des Lichts 13 erfolgt also ähnlich der Darstellung in Fig. 2c mit geringerer Divergenz, als in Fig. 3a. Dementsprechend ergibt sich eine nahe an der Linse 2 gelegene Fokussierung, wodurch die Blende 14 mehr Licht vom Sensor 15 abblendet, als die näher an der Linse 2 gelegene Blende 14′. Infolgedessen gilt U15<U15′. Fig. 3 shows a device, a mechanical diaphragm adjustment is not needed in the for determining the distance A and / or a change in distance. This measuring device corresponds essentially to that of FIG. 2 and is single Lich formed differently in the area of the detector 25 . So there are, in addition to the workpiece or object 10, a lens 1 focusing the measuring beam 11 at a distance of f L1 from the workpiece, such as a partially transmitting mirror 24 , which allows reflected light 13 to reach the measuring lens 2 , which focuses this light. The focused beam 13 'is fed to two sensors 15 , 15 ' by using a partially transmitting mirror 26 or the like as a beam splitter. The sensors 15 , 15 'are apertures 14 , 14 ' assigned, the aperture 14 being arranged between the focal point f L2 and the sensor 15 , while the aperture 14 'between the focal point f L2 and the measuring lens 2 is arranged. The apertures 14 , 14 'are each arranged at a distance Δs. Since both diaphragms 14 , 14 'ben the same hole width, they blind due to their arrangement closer to the sensor 15 or further from the sensor 15 ' away accordingly different Lich. This is explained in more detail with reference to the representations of FIGS . 3b, c. According to FIG. 3b, the object 10 is further away from the main plane of the lens 1 by the amount Δa o than the focal length f L1 . The reflection of the light 13 thus takes place in a manner similar to that shown in FIG. 2c with less divergence than in FIG. 3a. Accordingly, there is a close focus on the lens 2 , whereby the aperture 14 shields more light from the sensor 15 than the closer to the lens 2 aperture 14 '. As a result, U 15 <U 15 ' .
Im Fall der Fig. 3c ist es umgekehrt. Das Objekt 10 liegt um den Differenzabstand Δao näher an der Hauptebene der Linse 1, so daß das reflektierte Licht 13 von der Meßlinse 2 mit ver gleichsweise weit entfernt liegendem Brennpunkt gebündelt wird. Daher deckt nunmehr die Blende 14′ mehr Licht ab, als die Blende 14, so daß für die Sensorsignale 15, 15′ gilt: U15<U15′. Die Sensorsignale U15, U15′ bilden infolge der ungeänderten geo metrischen Anordnung der Bauteile der Meßvorrichtung Maße für den Abstand des Objekts 10, wobei durch Differenzbildung der Sensorsignale auch die Richtung der Abstandsänderung Δao be stimmt werden kann, also ob das Objekt näher oder weiter ent fernt zur Hauptebene der Linse 1 liegt, als es der durch fL1 be stimmten Brennpunktlage entspricht. In the case of Fig. 3c, it is the other way round. The object 10 is closer to the main plane of the lens 1 by the difference distance Δa o , so that the reflected light 13 is focused by the measuring lens 2 with a focal point located comparatively far away. Therefore, the aperture 14 'now covers more light than the aperture 14 , so that for the sensor signals 15 , 15 ' applies: U 15 <U 15 ' . The sensor signals U 15 , U 15 ' form due to the unchanged geo-metric arrangement of the components of the measuring device dimensions for the distance of the object 10 , the direction of the change in distance Δa o be determined by difference formation of the sensor signals, that is whether the object closer or further away from the main plane of the lens 1 , than it corresponds to the focal position determined by f L1 .
In Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf der Laserpulse eines Arbeitslasers und der zeitliche Verlauf der Laserpulse eines Meßlasers dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der Arbeitslaser Laserstrahlimpulse 28 mit der Zeitdauer ta erzeugt, wobei aus 27 ersichtlicht ist, daß die Zeitdauer ta willkürlich bestimm bar ist. Zwischen den Arbeitsimpulsen 28 ergeben sich Impuls pausen 20. In Fig. 4 ist unter A dargestellt, daß kurze La serimpulse als Meßimpulse 21 verwendet werden können. Mehrere Meßimpulse können für mehrere Messungen zwischen zwei Ar beitsimpulsen eingesetzt werden oder für mehrere iterative Meß vorgänge zur Ermittlung eines einzigen Abstandswertes. Das setzt eine entsprechende Synchronisation voraus, also ein Ein schalten der Meßimpulse 21 in Abhängigkeit von einem vorausge henden Arbeitsimpuls 28 und einem nachfolgenden Arbeitsimpuls 28′. Eine entsprechende Synchronisation muß erfolgen, wenn statt eines Kurzlaserimpulses 21 gemäß der Darstellung der Fig. 4 unter B ein langer Laserpuls des Meßlasers verwendet wird. In Fig. 4 soll die Linie 29 unter der Darstellung C andeu ten, daß es auch möglich ist, einen Meßlaser im Dauerstrich zu betreiben, bzw. einen gepulsten Meßlaser ohne Synchronisation zum Arbeitslaser. Dann ist es für den Fall der Störmöglichkeit des Meßergebnisses durch reflektiertes Licht des Arbeitslasers sinnvoll, wenn der Sensor 15 bzw. 15′ nur in den Impulspausen 20 des Arbeitsstrahls 19 angesteuert wird, um unerwünschte Ein flußnahme auf das Meßergebnis auszuschalten.In FIG. 4, the timing of the laser pulses of a working laser and the timing of the laser pulses is shown of a measurement laser. It can be seen that the working laser generates laser beam pulses 28 with the time period ta, it being apparent from FIG. 27 that the time period ta can be determined arbitrarily. Between the work pulses 28 there are pulse breaks 20 . In Fig. 4 it is shown under A that short La serimpulse can be used as measuring pulses 21 . Several measuring pulses can be used for several measurements between two working pulses or for several iterative measuring processes to determine a single distance value. This requires a corresponding synchronization, that is, a switch on the measuring pulses 21 depending on a preceding work pulse 28 and a subsequent work pulse 28 '. A corresponding synchronization must take place if, instead of a short laser pulse 21 as shown in FIG. 4 under B, a long laser pulse of the measuring laser is used. In Fig. 4, line 29 under the representation C indicates that it is also possible to operate a measuring laser in a continuous wave, or a pulsed measuring laser without synchronization to the working laser. Then it is useful in the event of the possibility of interference of the measurement result by reflected light from the working laser if the sensor 15 or 15 'is only activated in the pulse pauses 20 of the working beam 19 in order to eliminate unwanted influence on the measurement result.
In Fig. 5 wird erläutert, daß eine Messung eines Abstands oder einer Abstandsänderung des Werkstücks auch mit einem De tektor 25 durchgeführt werden kann, der auf reflektiertes Licht 13 eines Meßstrahls 11 reagiert, welcher in Strahlungsrichtung sich ändernde Divergenzeigenschaften hat. Zum Vergleich kann wieder die Fig. 1 herangezogen werden. Die dort wie auch in Fig. 5 dargestellten Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Meßstrahl 11 wird durch den teildurchlässigen Spiegel 24 in Richtung der Achse 23 auf das hier nicht darge stellte Werkstück gestrahlt.In Fig. 5 it is explained that a measurement of a distance or a change in distance of the workpiece can also be carried out with a detector 25 which reacts to reflected light 13 of a measuring beam 11 which has divergence properties which change in the radiation direction. For comparison, Fig. 1 can be used again. The components shown there as well as in FIG. 5 are provided with the same reference numerals. The measuring beam 11 is radiated through the semitransparent mirror 24 in the direction of the axis 23 onto the workpiece not shown here.
Der Meßstrahl 11 besitzt unterschiedliche Divergenzwinkel. Divergenzwinkel 0 bedeutet strahlparallelen Verlauf des Meß strahls 11 bis zur Linse 1. Das ist mit ausgezogenen Strichen dargestellt und demgemäß fokussiert die Linse 1 den Meßstrahl mit der Brennweite fL1. Wenn der Divergenzwinkel positiv ist, der Meßstrahl 11 sich also in seinem Verlauf aufweitet, fokus siert die Linse 1 diesen Meßstrahl entsprechend der gestrichel ten Darstellung in einen Brennpunkt h2, der von der Hauptebene der Linse 1 weiter entfernt ist, als fL1. Entsprechend fokus siert die Linse 1 bei negativem Divergenzwinkel, für den der Strahlverlauf mit einer -/+-Linie dargestellt ist, in einen Brennpunkt h1, der näher an der Hauptebene der Fokussierlinse 1 liegt, als es dem Brennpunkt fL1 entspricht. Dementsprechend än dert sich die Reflexion des Lichts 13 bei ungeänderter Anord nung des Objekts 10. Mit Hilfe des Sensors 15 werden also je nach Divergenzwinkel unterschiedliche Sensorsignale erzeugt. Aus diesen kann der Abstand A des Objekts 10 nach einer Eichung der Meßvorrichtung bestimmt werden, weil die Änderung des Di vergenzwinkels bekannt ist. Dementsprechend kann nicht nur der Abstand A gemessen werden, sondern es können auch Abstandsände rungen und deren Richtungen festgestellt werden. Das gilt grundsätzlich, unabhängig davon, wodurch die Divergenz des Meß strahls 11 erzeugt wird.The measuring beam 11 has different divergence angles. Divergence angle 0 means beam-parallel course of the measuring beam 11 to lens 1 . This is shown with solid lines and accordingly the lens 1 focuses the measuring beam with the focal length f L1 . If the divergence angle is positive, the measuring beam 11 thus widens in its course, the lens 1 focuses this measuring beam according to the dashed line representation in a focal point h 2 , which is farther from the main plane of the lens 1 than f L1 . Accordingly, the lens 1 focuses at a negative divergence angle, for which the beam path is represented by a - / + line, into a focal point h 1 which is closer to the main plane of the focusing lens 1 than it corresponds to the focal point f L1 . Accordingly, the reflection of the light 13 changes when the arrangement 10 of the object 10 remains unchanged. With the help of the sensor 15 , different sensor signals are generated depending on the divergence angle. From these, the distance A of the object 10 can be determined after a calibration of the measuring device, because the change in the di vergenzwinkels is known. Accordingly, not only the distance A can be measured, but also changes in distance and their directions can be determined. This applies in principle, regardless of what the divergence of the measuring beam 11 is generated.
In Fig. 5 ist rechts unten noch dargestellt, daß der Diver genzwinkel schwingen kann. Die Schwingungsamplitude B bewegt sich also um fL1 zwischen den hier angenommenen Grenzwerten h1, h2, die gemäß der Darstellung B(t) zu den angegebenen Zeiten t0, t1, t2 erreicht werden. Diese Schwingung des Brennpunkts bzw. des Divergenzwinkels ist in Fig. 6 oben vergrößert dargestellt worden.In Fig. 5 it is shown at the bottom right that the diver can swing angle. The vibration amplitude B thus moves by f L1 between the limit values h 1 , h 2 assumed here, which according to the representation B (t) are reached at the times t 0 , t 1 , t 2 indicated. This oscillation of the focal point or of the divergence angle has been shown enlarged in FIG. 6 above.
Darunter befindet sich eine Darstellung der zeitlichen Ab hängigkeit des Sensorsignals des Sensors 15 von der Zeit t für den Fall, daß das Werkstück die Höhenlage h1 als Abstand von der Hauptebene der Fokussierlinse 1 hat. In diesem Fall ist das Sensorsignal maximal, wenn der Meßstrahl 11 die Fokuslage h1 hat. Bei anderen Fokuslagen verkleinert sich das Sensorsignal, weil das reflektierte Licht 13 radial weiter streut, so daß der Sensor 15 nicht mit der in diesem Fall größtmöglichen Licht menge beleuchtet wird. Das Maximum 15 s des Sensorssignals ist also ein Kennwert, der auf die Brennpunktlage gemäß Fig. 6, oberste Darstellung, in Bezug genommen werden kann. Fig. 6 zeigt hierfür die Zeitdifferenz Δt1 zwischen dem Maximum 15 s des Sen sorsignals und einem Maximum Dm(t).Below is a representation of the temporal dependence of the sensor signal from the sensor 15 on the time t in the event that the workpiece has the height h 1 as a distance from the main plane of the focusing lens 1 . In this case, the sensor signal is at a maximum when the measuring beam 11 has the focus position h 1 . At other focal positions, the sensor signal decreases because the reflected light 13 scatters radially further, so that the sensor 15 is not illuminated with the largest possible amount of light in this case. The maximum 15 s of the sensor signal is therefore a characteristic value that can be referred to the focal position according to FIG. 6, top illustration. Fig. 6, the time difference At between the maximum 1 shows this 15 s of Sen sorsignals and a maximum D m (t).
In Fig. 6 unten ist der Verlauf des Sensorsignals in Abhän gigkeit von der Zeit t für den Fall dargestellt, daß das Objekt 10 einen Abstand h2 von der Hauptebene der Fokussierlinse 1 hat. Das Maximum 15 s des Sensorsignals ist in Bezug auf den Verlauf des Divergenzwinkels phasenverschoben, so daß sich auch eine größere Zeitdifferenz ergibt, nämlich Δt2. Diese Zeitdif ferenz ist also ein Maß für den Abstand A des Werkstücks von der Hauptebene der Fokussierlinse 1.In Fig. 6 below the course of the sensor signal in dependence on the time t is shown for the case that the object 10 has a distance h 2 from the main plane of the focusing lens 1 . The maximum 15 s of the sensor signal is phase-shifted with respect to the course of the divergence angle, so that there is also a larger time difference, namely Δt 2 . This time difference is therefore a measure of the distance A of the workpiece from the main plane of the focusing lens 1 .
Die Strahldivergenz kann gemäß Fig. 7 auch mit anderen Mit teln kombiniert werden, beispielsweise durch Lichtstrahlung un terschiedlicher Farbe mehrerer Laser und/oder durch mit unter schiedlichen Frequenzen moduliertem Licht mehrerer Laser. Fig. 7 zeigt zu diesem Zweck Laserstrahlung A mit Divergenzwinkel 0, Laserstrahlung B mit Divergenzwinkel <0 und Laserstrahlung C mit Divergenzwinkel <0. Der aus diesen Strahlungsanteilen ge bildete Meßstrahl 11 wird mit dem Spiegel 24 gemäß der Achse 23 durch die Fokussierlinse 1 so fokussiert, daß sich für die Strahlenanteile A, B, C die dargestellten Brennpunkte ergeben. Dementsprechend können, wie zu Fig. 5 bezüglich der unterschied lichen Divergenzwinkel dargelegt wurde, die Strahlenanteile entsprechend den unterschiedlichen Meßstrahlanteilen mit unterschiedlichen Brennpunkten bzw. Divergenzen zu dem gemäß Fig. 5 ausgebildeten Detektor 25 gelangen. Dieser liefert entsprechend den Anteilen mit unterschiedlicher Divergenz am reflektierten Licht 13 un terschiedliche Sensorsignale, die von der Auswertungseinheit 17 zur Bestimmung des Abstands A des nicht dargestellten Objekts benutzt werden können.The beam divergence can also be combined with other means according to FIG. 7, for example by light radiation of different color of several lasers and / or by light modulated with different frequencies of several lasers. For this purpose, FIG. 7 shows laser radiation A with a divergence angle of 0, laser radiation B with a divergence angle of <0 and laser radiation C with a divergence angle of <0. The measuring beam 11 formed from these radiation components is focused with the mirror 24 according to the axis 23 through the focusing lens 1 so that the focal points shown result for the beam components A, B, C. Accordingly, as was shown in FIG. 5 with regard to the different divergence angles, the beam components corresponding to the different measuring beam components with different focal points or divergences can reach the detector 25 designed according to FIG. 5. This provides according to the proportions with different divergence of the reflected light 13 un different sensor signals that can be used by the evaluation unit 17 to determine the distance A of the object, not shown.
Die in Fig. 8 dargestellte Einbindung einer Abstandsmessung in ein Verfahren zum Abtragen von Werkstoff mit einem Laser strahl und erfolgt so, daß die Meßvorrichtung als Tiefenmeßsystem 29 mit dem Abstand A die Ist-Tiefe liefert, die dem Prozeßreg ler 30 zugeführt wird. Der Prozeßregler 30 bildet bzw. berech net unter Verwendung einer von einer Maschinensteuerung 33 zur Verfügung gestellten Soll-Tiefe 31 eine Stellgröße, mit der eine Bearbeitungsanlage 32 beeinflußt wird, also beispielsweise ein Prozeßparameter eines Lasers. Dadurch wird erreicht, daß vom Werkstück bzw. Objekt 10 weiterhin Werkstoff im gewünschten Sinne mit Laserstrahlung abgetragen wird, oder daß die Abtra gung unterbrochen wird, wenn die Ist-Tiefe A gleich der Soll- Tiefe 31 ist.The integration of a distance measurement shown in Fig. 8 in a method for removing material with a laser beam and is carried out so that the measuring device as a depth measuring system 29 with the distance A provides the actual depth, which is supplied to the process controller 30 . The process controller 30 forms or calculates a manipulated variable using a target depth 31 provided by a machine controller 33 , with which a processing system 32 is influenced, that is, for example, a process parameter of a laser. This ensures that the workpiece or object 10 continues to remove material in the desired sense with laser radiation, or that the removal is interrupted when the actual depth A is equal to the target depth 31 .
Mit den erfindungsgemäßen Meßvorrichtungen ist es möglich, Autofokussysteme für alle Laserbearbeitungsverfahren zu reali sieren. Auch die Regelung des Düsenabstandes beim Laserstrahl schneiden und beim -abtragen. Die Anwendungen sind nicht auf eindimensionale Aufgaben beschränkt, sondern es können auch die Lagen von Flächen im Raum erfaßt werden, wie die zu bearbei tende und die bearbeitete Werkstückoberfläche.With the measuring devices according to the invention it is possible to Auto focus systems for all laser processing methods to reali sieren. Also the regulation of the nozzle distance with the laser beam cut and remove. The applications are not on one-dimensional tasks limited, but it can also Layers of areas in the room can be recorded, such as those to be processed end and the machined workpiece surface.
Claims (11)
- - mit einer optischen Einrichtung, die einen aus einem Lichtstrahl bestehenden Meßstrahl (11), insbesondere einen Laserstrahl, auf die Meßstelle (12) des Objekts (10) fo kussiert,
- - mit einem von der Meßstelle (12) reflektiertes Licht (13) aufnehmenden Detektor (25) zum Ermitteln der Brenn punktsabweichung von der Oberfläche des Objekts (10),
- - insbesondere mit einer das reflektierte Licht (13) durch eine Blende (14) auf einen lichtempfindlichen Sensor (15) fokussierenden Meßlinse (2) sowie einer Sensorsignale auf nehmenden Auswertungseinheit (17),
- - With an optical device which kisses a measuring beam ( 11 ) consisting of a light beam, in particular a laser beam, onto the measuring point ( 12 ) of the object ( 10 ) fo,
- - With a from the measuring point ( 12 ) reflected light ( 13 ) receiving detector ( 25 ) for determining the focal point deviation from the surface of the object ( 10 ),
- - in particular with a measuring lens ( 2 ) focusing the reflected light ( 13 ) through a diaphragm ( 14 ) onto a light-sensitive sensor ( 15 ) and with a sensor signal on the evaluating unit ( 17 ),
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