DE4025577C2

DE4025577C2 - Device for the contactless measurement of the distance from an object

Info

Publication number: DE4025577C2
Application number: DE4025577A
Authority: DE
Inventors: Dierk Petring; Falk Ruehl; Hans-Georg Treusch; Wolfgang Noeldechen; Peter Abels; Peter Laessinger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1990-08-11
Filing date: 1990-08-11
Publication date: 1999-09-09
Anticipated expiration: 2010-08-12
Also published as: DE4025577A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Be arbeiten von Werkstücken mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a device for loading work on workpieces with the characteristics of the generic term of claim 1.

Aus der DE 36 26 944 A1 ist eine Vorrichtung mit den vorgenannten Merkmalen bekannt. Bei dieser bekannten Vorrich tung wird außer dem Laserarbeitsstrahl ein im Querschnitt ringförmiger Beleuchtungs-Laserstrahl verwendet, der den Be reich um die Bearbeitungsstelle herum beleuchtet. Die Bear beitungsstelle und der beleuchtete Bereich werden von einer Fernsehkamera beobachtet und wenn sich eine außermittige, seitliche Verschiebung der beobachteten Kerbe ergibt, werden Steuerungssignale zum Nachführen bzw. Fokussieren des Laser strahls erzeugt. Damit wird der Auftreffort des fokussierten Laserstrahls auf dem Werkstück kontrolliert, und zwar hin sichtlich seiner Lage in der Horizontalen, als auch in der Tiefe gesehen. DE 36 26 944 A1 describes a device with the known features known. In this well-known Vorrich device becomes a cross-section in addition to the laser working beam annular illumination laser beam used, the Be richly lit around the processing point. The Bear processing station and the illuminated area are one TV camera and if there is an off-center, lateral shift of the observed notch results Control signals for tracking or focusing the laser beam generated. This makes the point of impact of the focused Checked laser beam on the workpiece, namely visibly its position in the horizontal, as well as in the Seen depth.

Aus der US 3 912 922 ist eine Spurleseeinrichtung be kannt, bei der der abtastende Lichtstrahl möglichst genau auf der Schreibspur fokussiert werden soll. Die Vorrichtung sieht dazu vor, entweder die Lage des abzutastenden Werkstücks zu verändern, oder die Lage der Fokussierungsoptik zu beeinflus sen. Hierbei wird ein Detektor eingesetzt, bei dem das re flektierte Licht durch eine Blende auf einen lichtempfindli chen Sensor gelangt. Es sind zwei solcher Sensoren vorhanden, deren Signale der Steuerung der Lage des Schreibspurträgers oder der Lage der Fokussierungsoptik dienen. Eine Ermittlung von Brennpunktsabweichungen unter Heranziehung einer fokus sierenden Meßlinse findet nicht statt.A track reading device is known from US Pat. No. 3,912,922 knows, where the scanning light beam as precisely as possible the writing track should be focused. The device sees to either position the workpiece to be scanned change, or to influence the position of the focusing optics sen. Here, a detector is used in which the right reflected light through an aperture on a light-sensitive Chen sensor arrives. There are two such sensors, whose signals control the position of the writing medium or serve the location of the focusing optics. An investigation of focus deviations using a focus Measuring lens does not take place.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß eine möglichst genaue Bestimmung des Abstands zwischen der Fokussierungsoptik einer Arbeitslichtquelle und dem zu bearbeitenen Werkstück ermöglicht wird, um dementspre chend den Bearbeitungsvorgang steuern zu können.The invention is based on the object a device with the features mentioned above improve that the most accurate determination of the distance between the focusing optics of a work light source and the workpiece to be machined is made possible accordingly to be able to control the machining process.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.This task is done with the characteristics of the indicator of claim 1 solved.

Es ist zunächst von Bedeutung, daß der Meßstrahl unter Einbeziehung der Fokussierungsoptik auf das Werkstück fokus siert ist. Infolgedessen werden der Arbeitsstrahl und der Meßstrahl durch dieselbe Optik fokussiert. Eine besondere Ab stimmung einer separaten Optik zur Fokussierung des Meß strahls in Bezug auf die Fokussierungsoptik 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 berück sichtigen. Die Gleichachsigkeit zwischen Meßstrahl und Ar beitsstrahl hat den Vorteil, daß an der Bearbeitungsoptik keine weiteren Maßnahmen zur Ausrichtung des Meßstrahls in Bezug auf das Werkstück getroffen werden müssen. Bei Gleich achsigkeit von Meßstrahl und Arbeitsstrahl spielt darüber hi naus eine etwaige Neigung der Fokussierungsoptik des Arbeits lasers zur Oberfläche des Werkstücks bezüglich des Meßergeb nisses 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 treffen, es hat jedoch den Vorteil, daß außerhalb der Bear beitungsstelle des Arbeitsstrahls gemessen werden kann, was erforderlich ist, wenn die Reflexionseigenschaften der Bear beitungsstelle ungenügend sind, z. B. infolge der Ausbildung einer Dampfkapillaren an der Bearbeitungsstelle, oder wenn ein Abstand vor oder nach der Durchführung der Bearbeitung erfaßt werden muß, was asynchron zum Arbeitsstrahl gemacht werden kann.It is important that the measuring beam is below Inclusion of the focusing optics on the workpiece focus is. As a result, the working beam and the Measuring beam focused through the same optics. A special ab tuning of a separate optics to focus the measurement beam in relation to the focusing optics of the working laser not applicable. It is also important that the measuring beam arranged coaxially or axially parallel to the working beam is. Measuring errors due to axis angle are eliminated or it is not required, existing between measuring beam and working beam Axis angle when evaluating the measurement result sight. The coaxiality between the measuring beam and Ar beitsstrahl has the advantage that the processing optics no further measures to align the measuring beam in Reference to the workpiece must be made. With equal Axis of measuring beam and working beam plays hi out of any inclination of the focusing optics of the work laser to the surface of the workpiece with respect to the measurement result nisses no role. 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 but it has the advantage that outside the Bear processing point of the working beam can be measured what is required if the reflective properties of the Bear processing station are insufficient, e.g. B. as a result of training a steam capillary at the processing point, or if a distance before or after processing What must be recorded asynchronously to the working beam can be.

Um die Sensorsignale des Detektors auszuwerten und damit den Abstand vom Werkstück zu bestimmen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise kann die Vorrichtung so ausge bildet sein, daß sie zur Bestimmung des Abstands der Fokus sierungsoptik von der Meßstelle des Werkstücks eine das re flektierte Licht durch eine Blende auf einen lichtempfind lichen Sensor fokussierende Meßlinse und einen von der Aus wertungseinheit beaufschlagbaren Blendenverstellantrieb zum Abgleich der Blendenposition auf maximales Sensorsignal auf weist. In diesem Fall ist die Verstellung der Blende ein Maß für die Abweichung des Fokus von der Oberfläche des Werk stücks und damit ein Maß für die entsprechende Abstands differenz, aus der der Abstand unter Berücksichtigung der Di mensionierung der Meßvorrichtung bestimmt werden kann.To evaluate the sensor signals from the detector and thus There are various ways of determining the distance from the workpiece Possibilities. For example, the device can be so forms that they are to determine the distance of focus optics from the measuring point of the workpiece reflected light through an aperture on a light sensitive Lichen sensor focusing measuring lens and one from the outside evaluation unit can be acted upon by the diaphragm adjustment drive Adjust the aperture position to the maximum sensor signal points. In this case, the adjustment of the aperture is a measure for the deviation of the focus from the surface of the work piece and thus a measure of the corresponding distance difference from which the distance taking into account the Di dimensioning of the measuring device can be determined.

In der Regel treten Abstandsänderungen in beiden Rich tungen senkrecht zum Werkstück auf. In diesem Fall ist es er forderlich, die Richtung einer Abstandsänderung zu kennen, um den Abstand ausgehend von der Dimensionierung der Meßvorrich tung zutreffend durch Addition oder Subtraktion der gemesse nen Abstandsänderung berechnen zu können. Daher ist die Vor richtung in diesem Fall so ausgebildet, daß sie zur Bestim mung des Abstands der Fokussierungsoptik von der Meßstelle des Werkstücks zwei jeweils von einem Strahlteiler mit re flektiertem Licht des Meßstrahls durch je eine Blende beauf schlagte Sensoren aufweist, wobei die Blende des einen Sen sors vor und die Blende des anderen Sensors hinter dem Brenn punkt (Brennweite f_L2) einer Meßlinse angeordnet ist, und wo bei die Differenz der Sensorsignale durch die Auswertungsein heit als Maß für den zu messenden Abstand und/oder die Rich tung der Abstandsänderung verwendbar 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 in order to be able to correctly calculate the distance based on the dimensioning of the measuring device by adding or subtracting the measured change in distance. Therefore, the device in this case is designed such that it has two sensors each impacted by a beam splitter with re-reflected light of the measuring beam to determine the distance of the focusing optics from the measuring point of the workpiece, the diaphragm of one Sen sensors before and the aperture of the other sensor behind the focal point (focal length f _L2 ) of a measuring lens is arranged, and where the difference in sensor signals by the evaluation unit can be used as a measure of the distance to be measured and / or the direction of the change in distance is.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Vorrichtung so ausgestaltet, daß der Meßstrahl zur Bestimmung des Abstands der Fokussierungsoptik von der Meßstelle des Werkstücks in Strahlungsrichtung sich ändernde, Abstände oder Abstandsände rungen des Werkstücks erfassen lassende Diverenzeigenschaften hat. Unterschiedliche Divergenzeigenschaften bedeuten, daß die Fokuslage in den Richtungen des Meßstrahls dementspre chend unterschiedlich ist. Dementsprechend ergeben sich für zwei oder mehr unterschiedliche Brennpunkte des Meßstrahls entsprechende zwei oder mehr Meßergebnisse, aus denen der Ab stand zum Werkstück berechnet werden kann. Dabei ist es nicht mehr erforderlich, eine mechanische Bewegung einer Blende der Meßvorrichtung durchzuführen, so daß sich die Meßvorrichtung dementsprechend vereinfacht.In a development of the invention, the device designed that the measuring beam for determining the distance the focusing optics from the measuring point of the workpiece in Radiation direction changing, distances or distance changes of the workpiece allows divergent properties to be recorded Has. Different divergence properties mean that accordingly the focus position in the directions of the measuring beam is different. Accordingly arise for two or more different focal points of the measuring beam corresponding two or more measurement results, from which the Ab status of the workpiece can be calculated. It is not more required a mechanical movement of an aperture Perform measuring device so that the measuring device accordingly simplified.

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 Brennpunktlage vorgesehen ist. Die Brennpunktänderungen erge ben der periodischen Schwingung entsprechend schwingende Sig nale des Sensors von denen beispielsweise der Maximalwert als Sensorkennwert in Bezug auf die Brennpunktlage genommen wer den kann, um dementsprechend den Abstand zu bestimmen. Voraussetzung ist bei dieser Meßvorrichtung eine Einrichtung zur periodischen Brenn punktsänderung. Das kann in einfacher Weise mit periodisch 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 periodically oscillating focal point has a there is a fixed aperture in front of the sensor, and that to determine the distance by the evaluation unit a time difference between a sensor characteristic and the Focal position is provided. The focus changes ben the periodic oscillation sig signals of the sensor, of which, for example, the maximum value as Sensor characteristic value in relation to the focal position that can to to determine the distance accordingly. The requirement is at this measuring device a device for periodic burning change of point. That can easily be done periodically 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 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 components 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 also in this way a simplification of the mechanical Structure of the measuring device can be reached.

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 Measurement does not interfere. Unless such a disorder is to be fear is, e.g. 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 measurement time can also be controlled and / or the number of measurements during the pulse pauses of the working beam can be determined.

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. Then if the annulus 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.

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 Werkstücks 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 workpiece 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 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 rays have exactly the same measuring 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 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 device designed as a depth measurement system in a process control when machining a workpiece by ablation with laser radiation.

Gemäß Fig. 1 wird das Werkstück 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 Werkstücks 10 ausgerich tet und durch die Fokussierungsoptik 18, nämlich eine Bearbei tungslinse 1 so fokussiert, daß sie an der Oberfläche des Werk stücks in üblicher Weise punktförmig konzentriert ist, um eine hohe Intensität zu erreichen. Die Ausrichtungsachse 23 ist ver tikal angeordnet.Referring to FIG. 1, the workpiece 10 which is a workpiece, with a working beam 19 of a laser, not shown, be irradiated. The working beam 19 is aligned by a partial re reflector 22 vertically to the surface of the workpiece 10 and focused by the focusing optics 18 , namely a processing lens 1 so that it is point-focused in the usual manner on the surface of the workpiece to a high To achieve intensity. 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 Werkstücks 10 ausgerichtet ist. Der Meßstrahl 11 wird mit Hilfe der Bearbeitungslinse 1 eben falls so fokussiert, daß er auf der Oberfläche des Werkstücks 10 den gewünschten kleinen Meßlichtfleck bildet. Das Werkstück 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 workpiece 10 . The measuring beam 11 is just with the help of the processing lens 1 if so focused that it forms the desired small measuring light spot on the surface of the workpiece 10 . The workpiece 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 therethrough onto a measuring lens 2 , which focuses reflected 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 forms a detector 25 together with the diaphragm 14 and the measuring lens 2 . 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 Werkstücks be stimmt werden. Gemäß der Darstellung der Fig. 2a ist das Werk stück 10 entsprechend der Brennweite f_L1 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 Werk stück 10. Dessen Abstand von der Linse 1 bzw. deren Hauptebene ist exakt A = f_L1. Unter dieser Voraussetzung wird das vom Werk stück 10 reflektierte Licht 13 durch die Meßlinse 2 so fokus siert, daß der Brennpunkt genau im Loch der Blende 14 liegt. Dementsprechend hat der Sensor ein maximales Sensorsignal, da sämtliches reflektiertes 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 workpiece. According to the illustration of FIG. 2a is the work piece 10 corresponding to the focal length f _L1 spaced from the main plane of the lens 1. The lens 1 thus focuses the z. B. correctly generated by a HeNe laser measuring beam 11 on the workpiece 10th Its distance from the lens 1 or its main plane is exactly A = f _L1 . Under this condition, the reflected light from the workpiece 10 through 13, the measuring lens 2 so focus Siert that the focal point is situated exactly in the hole of the diaphragm fourteenth Accordingly, the sensor has a maximum sensor signal, since all reflected light 13 falls on the sensor 15 .

Gemäß der Darstellung in Fig. 2b ist das Werkstück 10 näher an der Hauptebene der Linse 1 angeordnet, als in Fig. 2a. Die Meßstelle 12 des Werkstücks 10 reflektiert Licht 13 infolgedes sen derart divergent, daß sich ein im Vergleich zur Fig. 2a auf weitender Strahl dieses reflektierten Lichts 13 ergibt. Die Meßlinse 2 fokussiert dieses Licht 13 infolgedessen näher an den Sensor 15, und zwar mit einem Unterschiedsbetrag Δa_B. Die ser Betrag Δa_B ist ein Maß für diejenige Abstandsdifferenz Δ_a0, um die das Werkstück 10 der Hauptebene der Laser 1 näher ist. Dementsprechend ist der Abstand A = f_L1 - Δa₀ ~ f_L2 - Δa_B. Die meßtechnische Ermittlung des Differenzabstands Δa_B erfolgt durch Abgleich des Sensorsignals des Sensors 15 auf ein Maxi mum, 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. 2 b, the workpiece 10 is arranged closer to the main plane of the lens 1 than in FIG. 2 a. The measuring point 12 of the workpiece 10 reflects light 13 as a result of such a divergent effect that a beam of this reflected light 13 that widens compared to FIG. 2a results. The measuring lens 2 consequently focuses this light 13 closer to the sensor 15 with a difference Δa _B. This amount Δa _B is a measure of the difference in distance Δ _a0 by which the workpiece 10 is closer to the main plane of the laser 1 . Accordingly, the distance A = f _L1 - Δa ₀ ~ 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 aperture 14 is adjusted so that it is relative to Focus of light 13 has the same position 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 Werkstücks 10 von der Hauptebene der Linse 1 ergibt sich eine Reflexion 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 Δa_B von der 0-Lage gemäß Fig. 2a abweicht. Es gilt: A = f_L1 + Δa₀ ~ f_L2 + Δa_B.The same applies to the case in which the workpiece 10 is at a greater distance from the main plane of the lens 1 than in the illustration in FIG. 2a. Due to the greater distance of the workpiece 10 from the main plane of the lens 1 , there is a reflection of the light 13 with a smaller di vergence than in FIG. 2a, so that the measuring lens 2 performs a comparison with this obvious focal point, whereby the sensor signal of the sensor 15 has a maximum when the diaphragm 14 is in the position shown in FIG. 2c, in which it deviates from the 0 position according to FIG. 2a by the amount Δa _B. The following applies: A = f _L1 + Δa ₀ ~ 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 Δa_B 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 drive that 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. Werkstück 10 eine den Meßstrahl 11 fokussierende Linse 1 im Abstand von f_L1 zum Werkstück vor handen, wie ein teiltransmittierender Spiegel 24, der reflek tiertes 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 f_L2 und dem Sensor 15 angeordnet ist, während die Blende 14' zwischen dem Brennpunkt f_L2 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 Werkstück 10 um den Betrag Δa₀ weiter als die Brennweite f_L1 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 < U_15'. FIG. 3 shows a device in which a mechanical diaphragm adjustment is not required to determine 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 10 a measuring beam 11 focusing lens 1 at a distance from f _L1 to the workpiece before, 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 assigned diaphragms 14 , 14 ', the diaphragm 14 being arranged between the focal point f _L2 and the sensor 15 , while the diaphragm 14 'is arranged between the focal point f _L2 and the measuring lens 2 . The diaphragms 14 , 14 'are each arranged at a distance Δs. Since both diaphragms 14 , 14 'have the same hole width, they dazzle due to their arrangement closer to the sensor 15 or further away from the sensor 15 ' accordingly differently. This is explained in more detail on the basis of the representations of FIGS . 3b, c. According to FIG. 3b, the workpiece 10 is further away from the main plane of the lens 1 by the amount Δa ₀ 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, the focus is close to the lens 2 , as a result of which the diaphragm 14 shields more light from the sensor 15 than the diaphragm 14 'located closer to the lens 2 . As a result, U ₁₅ <U _{15 '.}

Im Fall der Fig. 3c ist es umgekehrt. Das Werkstück 10 liegt um den Differenzabstand Δa₀ näher an der Hauptebene der Linse 1, so daß das reflektierte Licht 13 von der Meßlinse 2 mit vergleichsweise weit entfernt liegendem Brennpunkt gebün delt wird. Daher deckt nunmehr die Blende 14' mehr Licht ab, als die Blende 14, so daß für die Sensorsignale 15, 15 ' gilt: U₁₅ < U_15'. Die Sensorsignale U₁₅, U_15' bilden infolge der ungeän derten geometrischen Anordnung der Bauteile der Meßvorrichtung Maße für den Abstand des Werkstücks 10, wobei durch Differenz bildung der Sensorsignale auch die Richtung der Abstandsände rung Δa₀ bestimmt werden kann, also ob das Werkstück näher oder weiter entfernt zur Hauptebene der Linse 1 liegt, als es der durch f_L1 bestimmten Brennpunktslage entspricht.In the case of Fig. 3c, the reverse is the case. The workpiece 10 is closer to the main plane of the lens 1 by the difference distance Δa ₀ , so that the reflected light 13 from the measuring lens 2 is bundled with a focal point located comparatively far away. Therefore, the aperture 14 'now covers more light than the aperture 14 , so that the following applies to the sensor signals 15 , 15 ': U ₁₅ <U _{15 '} . The sensor signals U ₁₅ , U _{15 '} form due to the unspecified geometric arrangement of the components of the measuring device, dimensions for the distance of the workpiece 10 , whereby the direction of the distance change Δa ₀ can be determined by difference formation of the sensor signals, that is, whether the workpiece is 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 Laserim pulse als Meßimpulse 21 verwendet werden können. Mehrere Meßim pulse können für mehrere Messungen zwischen zwei Arbeitspulsen eingesetzt werden, oder für mehrere iterative Meßvorgänge zur Ermittlung eines einzigen Abstandswertes. Das setzt eine ent sprechende Synchronisation voraus, also ein Einschalten der Me ßimpulse 21 in Abhängigkeit von einem vorausgehenden Arbeitsim puls 28 und einem nachfolgenden Arbeitsimpuls 28'. Eine ent sprechende Synchronisation muß erfolgen, wenn statt eines Kurz laserimpulses 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 andeuten, daß es auch mög lich 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 Arbeits strahls 19 angesteuert wird, um unerwünschte Einflußnahme 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 Laserim pulse can be used as measuring pulses 21 . Several measuring pulses can be used for several measurements between two work pulses, or for several iterative measuring processes to determine a single distance value. This requires a corresponding synchronization, that is, switching on the measurement pulses 21 in dependence on a previous 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, the line 29 under the representation C should indicate that it is also possible to operate a measuring laser in continuous wave or a pulsed measuring laser without synchronization with 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 undesirable 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 f_L1. 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 f_L1. 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 f_L1 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 Werkstücks 10 nach einer Ei chung der Meßvorrichtung bestimmt werden, weil die Änderung des Divergenzwinkels bekannt ist. Dementsprechend kann nicht nur der Abstand A gemessen werden, sondern es können auch Ab standsänderungen und deren Richtungen festgestellt werden. Das gilt grundsätzlich, unabhängig davon, wodurch die Divergenz des Meßstrahls 11 erzeugt wird.The measuring beam 11 has different divergence angles. Divergence angle 0 means beam-parallel course of the measuring beam 11 to the 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 h2 which is further away 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 h1 which is closer to the main plane of the focusing lens 1 than 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 workpiece 10 can be determined after an egg measurement of the measuring device because the change in the divergence angle 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 causes the divergence of the measuring beam 11 .

In Fig. 5 ist rechts unten noch dargestellt, daß der Diver genzwinkel schwingen kann. Die Schwingungsamplitude B bewegt sich also um f_L1 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 D_m(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 is reduced 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 which 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 Werk stück 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 workpiece 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 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 Werk stücks 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. Fig. 7 shows for this purpose, laser radiation A with divergence angle of 0, the laser radiation B with divergence angle <0 and laser radiation C and the divergence angle <0. The ge from these radiation components formed measuring beam 11, the axis 23 is focused by the mirror 24 in accordance with by the focusing lens 1 so that the focal points shown result for the radiation components A, B, C. Accordingly, as has been explained in relation to FIG. 5 with regard to the different divergence angles, which, in accordance with the different measuring beam components with different focal points or divergences, arrive at 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, which can be used by the evaluation unit 17 to determine the distance A of the workpiece, not shown.

Die in Fig. 8 dargestellte Einbindung einer Abstandsmessung in ein Verfahren zum Abtragen von Werkstoff mit einem Laser strahl 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 is carried out so that the measuring device as 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 control 33 , with which a processing system 32 is influenced, 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

1. Device for machining workpieces ( 10 )

1. with a laser working beam ( 19 ) and an optics ( 18 ) which focuses the laser working beam ( 19 ) at a defined distance from the optics ( 18 )
2. with a measuring beam ( 11 ), which is aimed at the surface of the workpiece ( 10 ) including the optics ( 18 ), the beam paths of the laser beam ( 19 ) and the measuring beam ( 11 ) with respect to the optics ( 18 ) are arranged coaxially
3. with a detector ( 25 ) for detecting the light reflected from the workpiece surface into the optics ( 18 ), from whose signals the position of the surface of the workpiece ( 10 ) is determined with an evaluation unit ( 17 ) and
4. with a device for the defined tracking of the focus of the working laser beam ( 19 ) with respect to the upper surface of the workpiece ( 10 ), characterized in that during removal of the workpiece ( 10 ) from the measured values of the detector ( 25 ), the distances of the focusing optics ( 18 ) determined by the measuring point on the workpiece ( 10 ) as actual depth values (A) and
5. be fed to a process controller ( 30 ) which continuously compares these distances (A) with the values for the target depth ( 31 ), which are made available by a machine control ( 33 ) and from which the respective manipulated variable for Processing system ( 32 ) calculates.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that it for determining the distances (A) of the focusing optics from the measuring point on the workpiece ( 10 ) has a reflected light ( 13 ) through an aperture ( 14 ) on a light-sensitive sensor ( 15th ) focusing measuring lens ( 2 ) and one of the evaluation unit ( 17 ) be openable diaphragm adjustment drive for adjusting the diaphragm position to the maximum sensor signal.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that it for determining the distances (A) of the focusing optics from the measuring point on the workpiece ( 10 ) two each by a beam splitter ( 26 ) with reflected light ( 13 ) of the measuring beam ( 11 ) sensors ( 15 , 15 ') acted upon by a respective aperture ( 14 , 14 '), the aperture ( 14 ) of one sensor ( 15 ) in front and the aperture ( 14 ') of the other sensor ( 15 ') behind the Focal point (focal length f _L2 ) of a measuring lens ( 2 ) is arranged, and the difference between the sensor signals (U ₁₅ ; U _{15 '} ) by the evaluation unit as a measure of the distances to be measured (A) and / or the direction of the distance change ( Δa) can be used.

4. The device according to claim 1, characterized in that the measuring beam ( 11 ) for determining the distances (A) of the focusing optics from the measuring point on the workpiece ( 10 ) in the radiation direction changing, distances or changes in distance of the workpiece ( 10 ) can be detected Has divergent properties.

5. The device according to claim 4, characterized in that the measuring beam ( 11 ) has a periodically oscillating focal point (f _s ) periodically to the workpiece surface, that a fixed in front of the sensor ( 15 ) aperture ( 14 ) is present, and that for Determination of the distances (A) by the evaluation unit ( 17 ) a time difference (Δt) between a sensor characteristic value and the focal point position is provided.

6. The device according to claim 4, characterized in that the measuring beam ( 11 ) is a light beam with predetermined different wavelength components and / or modula tion frequency components, and that the evaluation unit ( 17 ) from the signals determined by the sensor ( 15 ) with their assignment to the wavelengths or the modulation frequencies determined the distance signals.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the working laser is operated in a pulsed manner, and that the measuring beam ( 11 ) is present at least in the pulse pauses ( 20 ) in the working beam ( 19 ).

8. The device according to claim 7, characterized in that the measuring beam ( 11 ) per pulse interval ( 20 ) of the working beam ( 19 ) has at least one correspondingly synchronized measuring pulse ( 21 ) and / or that the light-sensitive sensor ( 15 ) in the Pulse pauses ( 20 ) of the working beam ( 19 ) can be controlled for measurement.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the measuring beam ( 11 ) has a circular ring-shaped cross section.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the measuring beam ( 11 ) further measuring beams are arranged axially parallel and the reflected light is used for separate distance measurements.