EP4087701A1 - Method and device for the controlled machining of a workpiece by means of confocal distance measurement - Google Patents

Method and device for the controlled machining of a workpiece by means of confocal distance measurement

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Publication number
EP4087701A1
EP4087701A1 EP20845223.5A EP20845223A EP4087701A1 EP 4087701 A1 EP4087701 A1 EP 4087701A1 EP 20845223 A EP20845223 A EP 20845223A EP 4087701 A1 EP4087701 A1 EP 4087701A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
measuring
workpiece
laser
distance
Prior art date
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Pending
Application number
EP20845223.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christoph Dietz
Philipp ROHRMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Precitec Optronik GmbH
Original Assignee
Precitec Optronik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Precitec Optronik GmbH filed Critical Precitec Optronik GmbH
Publication of EP4087701A1 publication Critical patent/EP4087701A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046Automatically focusing the laser beam
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/50Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

Definitions

  • the present disclosure relates to a method and a device for laser machining a workpiece.
  • the present disclosure relates to a method for laser machining of a workpiece while controlling the positioning of the workpiece to be machined for precise laser machining of the workpiece.
  • a method for the controlled machining of a workpiece includes focusing a Laser beam or processing light beam for generating a laser focus point at a target point of the workpiece to be processed by means of laser target optics.
  • a solid-state laser emitting in the near-infrared spectral range such as a YAG laser or a fiber laser, and a gas laser such as a CO2 laser, for example, can be used to generate the laser beam.
  • the laser target optics can in particular be designed as focusing and alignment optics which enable targeted alignment and focusing of the laser beam.
  • the laser target optics can in particular be designed as a laser beam scanner, specifically as a galvo scanner, it being possible for the laser beam to be aligned with electrically controllable mirrors.
  • the method includes acquiring distance measurement data by means of an optical distance measuring device or an optical sensor to determine a distance between the target point of the workpiece to be processed and the laser target optics, or a fixed reference point or reference plane of the laser target optics.
  • the method further comprises machining the target point of the workpiece to be machined with the focused laser beam.
  • the processing can in particular laser welding,
  • the distance measuring device is designed as an optical-confocal distance measuring device with a focal length variable optics or focal length variable measuring light optics, the method being a temporal one Varying the focal length of the focal length variable measuring light optics for the acquisition of distance measurement data with different focal length values of the focal length variable measuring light optics includes.
  • the focal length of the focal length variable measuring light optics can be varied between a minimum focal length and a maximum focal length in such a way that a desired measuring range is defined.
  • the measuring range can be defined or established in such a way that also at
  • Laser processing devices with a large focal length or with a small numerical aperture, the distance between the laser target optics and the target point of the workpiece to be processed can be precisely determined with the optical-confocal sensor.
  • the workpiece can be machined in a controlled and precise manner on the basis of the determined distance measurement data.
  • the measuring optics with variable focal length also enable distance measurements to be carried out with optical elements that have no or only slight optical dispersion, so that the optical elements provided for the laser beam guidance, which in particular have little or no optical dispersion, are also used for the beam guidance of the measuring light can be.
  • the method can also include a positioning of the workpiece to be machined with respect to the laser focus point based on the acquired distance measurement data.
  • the positioning of the workpiece to be machined can change the spatial Position and / or the spatial orientation of the workpiece or of the entire laser processing device. Alternatively or additionally, the positioning can include refocusing the laser beam.
  • the workpiece to be machined can be repositioned or the laser can be readjusted so that precise machining of the workpiece to be machined is made possible.
  • the laser target optics of the laser processing device can form part of the measuring light optics of the distance measuring device.
  • the measuring light can be coupled to the beam path of the laser light beam in such a way that the measuring light beam runs at least in sections coaxially to the laser light beam.
  • the laser target optics of the laser processing device for the measuring light optics of the distance measuring device, the number of optical components required for carrying out the method can be reduced and the optical structure can thus be simplified.
  • a distance sensor can thus be easily integrated into an already existing laser processing system.
  • At least some of the method steps can be carried out or repeated at several target locations on the workpiece to be machined.
  • acquiring distance measurement data includes acquiring an intensity of a measurement light reflected back from the workpiece, the distance being determined on the basis of a time profile of the intensity of the measurement light reflected back from the workpiece.
  • the points in time of the acquisition of the intensity at certain focal lengths of the focal length variable measuring optics and thus to positions of the measuring light focus point can be assigned, from which conclusions can be drawn about the distance between the laser target optics and the target point. This is because the maximum intensity occurs when the focal plane of the measuring light coincides with the surface of the workpiece or the measuring object to be processed.
  • the measuring light spot generated on the surface of the workpiece to be processed is imaged due to the confocal light guidance of the distance measuring device at an aperture or light coupling point arranged on the photodetector side, which also functions as a light exit aperture for the measurement light source, so that a maximum intensity is detected with the photodetector .
  • a broadband infrared light in particular near infrared light
  • a near-infrared LED Light Emitting Diode
  • a peak wavelength between 900 nm and 1000 nm, in particular 940 nm and 960 nm, and with a spectral half-width between 40 nm and 60 nm, in particular between 45 nm and 55 nm
  • Such an LED measuring light has sufficient broadband to avoid or reduce disruptive interference or speckle effects.
  • such an LED measuring light is narrow-banded enough to suppress or keep to a minimum undesired dispersion effects such as chromatic focus shift or focus shift.
  • the optical components of the laser processing device for example mirrors and / or lenses of the laser target optics, which are designed for the near-infrared spectral range, can be used for the distance measurement with a near-infrared measuring light.
  • the method can furthermore comprise acquiring or detecting laser light.
  • the laser light is detected, which is reflected from the workpiece and guided via the laser target optics and the measuring light optics via the aperture to the detector of the distance measuring device.
  • the laser focus point is mapped onto the aperture.
  • the focal length of the measuring optics with variable focal length is varied in a controlled manner, and it is detected when the intensity of the laser light transmitted by the diaphragm is at its maximum, ie when the laser focus point is sharply imaged on the diaphragm.
  • the laser in a first step, can be focused on the workpiece and that focal length of the measuring optics with variable focal length can be determined at which an intensity maximum of the laser light transmitted by the diaphragm occurs. If the focus point of the laser is no longer on the workpiece, but above or below, the position of the image point in the diaphragm plane also changes. So this occurs Intensity maximum at a different focal length of the variable focal length measurement optics. This effect can be used to detect a change in the laser focus position.
  • the method can include simultaneous detection of both the measurement light and the laser light. Both the laser focus point and the measuring light spot are imaged on the diaphragm and the portions of the measuring light and the laser light transmitted by the diaphragm are directed to the detector of the distance measuring device.
  • the focal length at which the measuring light spot is sharply imaged on the diaphragm can differ from the focal length at which the laser focus point is imaged sharply on the diaphragm.
  • the method can include a positioning of the workpiece to be processed with respect to the laser focus point based on the determined difference between those two focal lengths at which either the measuring light spot or the laser focus point are sharply imaged on the diaphragm.
  • the temporal variation of the focal length of the focal length variable measuring optics can be a tuning, in particular a cyclical tuning, the focal length of the focal length variable measuring optics for the acquisition of the distance measurement data at different focal lengths of the Include variable focal length measurement optics.
  • tuning the focal length a focal length range of the measuring optics with variable focal length is covered between a minimum focal length and a maximum focal length, so that the focal point of the measuring optics scans the entire measuring range of the optical sensor.
  • the evaluation of the recorded distance measurement data can be synchronized with the temporal variation of the focal length, so that a clear and reliable assignment of the recorded measurement data to the distances to be determined is facilitated.
  • one, in particular a single, distance value or distance to the surface of the measuring piece to be processed can be determined in one cycle or in one measuring cycle on the basis of the variation of the focus distance of the measuring light.
  • the measurement beam focus is on the surface of the measurement object or the workpiece to be processed at two different times within a cycle, so that the reflection from the measurement light spot on the surface of the workpiece to be processed is sharply imaged onto the fiber end or the light coupling point causes an intensity maximum in the light detected by the photodetector.
  • a relationship between cycle times and positions of the focal point of the measurement light which is known or can be determined by calibration measurements, can be based on the times at which
  • the distance between the workpiece to be processed can be determined.
  • the method can also include performing a calibration measurement to determine a relationship between the cycle time and the interval.
  • the relationship between cycle time and distance determined by the calibration measurement can improve the reliability and accuracy of the evaluation of the distance measurement data, so that the distance to be determined can be calculated unambiguously and reliably from the time of the intensity maximum in a cycle.
  • the calibration measurement can include the acquisition of reflections from a meniscus lens connected downstream of the focal length variable optics, in particular at different cycle times.
  • the meniscus lens has a concave surface and a convex surface.
  • the meniscus lens can in particular be arranged such that when tuning the focal length variable optics, the light reflected back from the concave surface and the light reflected back from the convex surface alternately at one
  • Light coupling point is bundled, which in each case causes a measurable intensity peak of the light fed into the optical fiber.
  • the temporal positions of these peaks within a tuning cycle correspond to well-defined focal lengths of the variable focal length optics, so that the variable focal length optic or the distance measuring device can be precisely calibrated on the basis of the temporal positions of these intensity peaks or calibration peaks.
  • the calibration measurement includes a measurement of a two-dimensional grid of lateral positions of the scanner or the laser target optics. Distance measurement data recorded on the two-dimensional grid can then be used to calibrate the distance measuring device.
  • the method can also include a calibration measurement to determine the distance at which the laser light is focused on the workpiece in the best possible way.
  • the processing laser can generate process light in the visible as well as in the infrared range when processing the workpiece.
  • process light can arise in those spectral ranges that are outside the spectral distribution of the laser light.
  • the occurrence of process light is linked to the intensity of the laser light at the irradiated point on the workpiece. If the laser is operated with a low power, process light only occurs when the workpiece is exactly in the focal plane of the laser light.
  • the distance between the laser focus point and the workpiece is varied. This can be done, for example, by positioning the workpiece or by focusing the laser beam by means of focusing optics.
  • process light The presence or absence of process light is registered by a detector.
  • the laser is not operated with a constant power, but instead the power of the laser is varied.
  • the power of the laser can be successively increased starting from a low value and the critical power at which process light occurs for the first time can be determined.
  • This step can be repeated for different distances between the workpiece and the laser focus point.
  • the distance at which the laser light is focused as well as possible on the workpiece is characterized by the fact that the critical power assumes the smallest value.
  • the acquisition of the distance measurement data can take place at several points or measuring points at the target point.
  • the arrangement of a measuring point at the target point means in this context that the measuring point can be arranged in, on or around the target point.
  • the susceptibility of the measurements to errors can be reduced by averaging.
  • the influence of speckles on the measurement results can also be reduced. This is because the local intensity fluctuations of the light reflected back from the workpiece to be processed, which can be traced back to the speckles, can be determined by measuring at several measuring points.
  • the acquisition of the distance measurement data at a plurality of measurement points can take place sequentially or one after the other, in particular within one measurement cycle. During a measuring cycle, distance measurement data can thus be collected from different measuring points, so that an averaged distance can be determined quickly and with little computational effort.
  • the distance measurement data is acquired at several points along a scan path at the target point.
  • the scan path can in particular be selected in such a way that the distance measurement data recorded along the scan path can be used to infer the target point distance.
  • the scan path can have the shape of a circle surrounding the target point of the workpiece to be machined.
  • the measuring circle can have a path radius comparable to that of the laser spot.
  • the scan path can have the shape of a spiral centered on the target point of the workpiece to be machined.
  • the center point of the spiral can coincide with the target point. Due to the spiral-shaped scan path, the distance measurement data can be recorded from a particularly large surface, so that the averaging effect is increased and the susceptibility of the measurement to malfunctions can be reduced.
  • the acquisition of the distance measurement data takes place at a plurality of measuring points essentially simultaneously, in particular within one measurement cycle, the distance being determined on the basis of physically averaged distance measurement data.
  • the physical averaging of the distance measurement data means in particular that the distance is not determined separately for each measuring point in order, for example, to form an average distance value from the determined distances.
  • the physical averaging means that all of the distance measurement data recorded at the multiple measuring points of the target point, in particular intensity measurement data of the measurement light reflected back from the workpiece to be processed, are included in the determination of the distance to the target point, so that a single distance value is determined for all of the measurement points .
  • the entirety of the distance measurement data recorded at the different measurement points of a target point can be evaluated together, in particular in a single evaluation step, so that the distance value can be determined in a quick and simple manner.
  • the measuring light can be divided into several partial measuring lights for the simultaneous acquisition of the distance measurement data at several measuring points by means of at least one perforated mask with several holes, in particular designed as a confocal diaphragm.
  • the at least one perforated mask can thus be used for the acquisition of the distance measurement data at several measuring points required partial measuring lights can be generated in a simple manner.
  • the partial measuring lights can be recorded with a common photodetector.
  • the use of the common photodetector for all partial measurement lights simplifies the acquisition of the distance measurement data from the multiple measurement points. Simultaneously with the detection of the partial measuring lights with the common photodetector, the distance measuring data or light intensities are physically averaged. Because the common photo detector does not differentiate between the lights reflected back from the different measuring points. The averaging of the distance measurement data is therefore carried out automatically without having to perform a calculation step.
  • a device for the controlled machining of a workpiece is proposed.
  • the device comprises a laser light source for generating a laser light beam for processing or laser processing the workpiece to be processed.
  • a solid-state laser emitting in the near-infrared spectral range such as a YAG laser or a fiber laser
  • a gas laser for example a CO2 laser
  • the device further comprises laser aiming optics for focusing the laser light beam to one
  • the laser aiming optics can in particular be designed as focusing and alignment optics that enable targeted alignment and focusing of the laser beam enables.
  • the laser target optics can in particular be designed as a laser beam scanner, specifically as a galvo scanner, wherein the alignment of the laser beam can take place by means of electrically controlled mirrors.
  • the device also comprises a distance measuring device for determining a distance between the target point of the workpiece to be machined and the laser target optics based on distance measurement data acquired by the distance measuring device and a positioning device for positioning the workpiece to be machined with respect to the laser light focus point and / or refocusing the laser based on the acquired distance measuring data .
  • the device further comprises an evaluation control unit which is designed to evaluate the acquired distance measurement data and to control the positioning device based on the acquired distance measurement data.
  • the distance measuring device is designed as an optical-confocal distance measuring device with a measuring light source for generating a measuring light and with a focal length variable measuring light optics in such a way that the focal length of the focal length variable measuring light optics can be varied over time in order to acquire the distance measuring data at different focal length values of the focal length variable measuring light optics.
  • an enlargement of an effective measuring range of the distance measuring device can be achieved, so that at Laser processing devices with a large focal length or with a small numerical aperture, the distance between the laser target optics and the target point of the workpiece to be processed can be precisely determined with the optical-confocal sensor.
  • the measuring optics with variable focal length also make it possible to carry out distance measurements with optical elements with no or little optical dispersion, so that the optical elements required for the laser beam guidance, which in particular have little or no optical dispersion, are also used for the beam guidance of the measuring light can be.
  • the measuring light optics of the distance measuring device can comprise at least a part of the laser targeting optics.
  • the number of optical components required can be reduced or the structure of the device can be significantly simplified. In this way, a distance sensor can also be easily integrated into an existing laser processing system.
  • the distance measuring device can comprise a photodetector for detecting an intensity of a measuring light reflected back from the workpiece to be machined and can be designed such that the distance can be determined based on a time profile of the detected intensity of the measuring light reflected back from the workpiece.
  • the times of the acquisition of the intensity can be assigned to certain focal lengths of the focal length variable measuring optics and thus to certain distances, from which conclusions can be drawn about the distance between the laser target optics and the target point.
  • a broadband infrared light source in particular a light source emitting in the near infrared spectral range, can be used as the measuring light source.
  • a near-infrared LED with a peak wavelength of approx. 950 nm and a spectral half-width of approx. 50 nm can be used to generate the measurement light.
  • Such an LED measuring light has sufficient broadband to avoid or reduce disruptive interference or speckle effects.
  • such an LED measuring light is narrow enough to suppress or minimize undesired dispersion effects such as chromatic focus shifts.
  • the measuring optics with variable focal length can be designed as tunable, in particular cyclically tunable, measuring optics.
  • a focal length range of the variable focal length measuring optics is covered between a minimum focal length and a maximum focal length, so that the focal point of the measuring optics covers the entire measuring range of the optical sensor, for example +/- 7 mm.
  • the evaluation can be synchronized with the temporal variation of the focal length in such a way that a clear and reliable assignment of the recorded measurement data is made possible for the distances to be determined.
  • the focal length variable optics can in particular be arranged in a diverging part of an imaging system of the distance measuring device. As a diverging part, a part of the imaging system becomes the
  • the measuring optics with variable focal length can in particular be positioned in such a way that the free aperture of the variable focal length optics can be optimally used.
  • the measuring optics with variable focal length can comprise a variable focal length lens.
  • a focal length variable lens in particular with an electrically controllable focal length variable lens, the focal length of the measuring optics can be varied in a simple manner.
  • the free aperture of the variable focal length lens can have a diameter in the range between 1 and 10 mm, in particular between 2 and 6 mm.
  • the focal length variable lens can in particular be arranged in the vicinity of a light coupling point or in the vicinity of a fiber end from which the measuring light emerges in a divergent manner.
  • the device comprises at least one shadow mask with a plurality of holes for dividing the measuring light into a plurality of partial measuring lights. With the partial measuring lights, the distance measuring data can be recorded at several measuring points at the same time.
  • the device comprises an optical fiber with a light coupling point for coupling the measurement light in and out, the at least one perforated mask being arranged at the light coupling point.
  • This arrangement of the shadow mask is suitable for the devices with a fiber coupler, the light coupling point being designed both for coupling out the light generated by the measuring light source and for coupling in the measuring light reflected back from the workpiece to be processed.
  • the acquisition of the distance measurement data at different measuring points can in this case be done in a simple manner with a single perforated mask.
  • the perforated mask can be placed directly on the light coupling point or on the end of the optical fiber.
  • the arrangement of the perforated mask at the light coupling point enables efficient use of the perforated mask in that essentially all of the measurement light emerging from the light coupling point is captured by the perforated mask.
  • the light coupling point or the end of the optical fiber and the perforated mask can be dimensioned such that the perforated mask is essentially completely illuminated.
  • the area of the shadow mask can thus be used particularly efficiently.
  • the device has a first light fiber with a light exit end and a second light fiber with a light entry end, a first perforated mask being arranged at the light exit end and a second perforated mask being arranged at the light entry end.
  • This arrangement of the shadow masks is suitable for the devices with a beam splitter, which is used to couple the from the Measuring light source generated measuring light in the imaging system of the distance measuring device and designed for coupling out the measuring light reflected back from the workpiece to be machined.
  • the two perforated masks can be positioned in such a way that the holes of the two perforated masks are aligned confocally to one another in pairs. Due to the paired confocal alignment of the holes of the two shadow masks, the partial measuring light beams generated by the holes of the first shadow mask are bundled in the corresponding holes of the second shadow mask, so that the light losses caused by the shadow masks can be minimized.
  • optical fiber bundles can be used to generate a large number of the partial measuring lights for recording the distance measuring data at different measuring points.
  • the fiber optic bundles already supply a large number of the partial measuring lights so that the shadow masks are no longer required.
  • the optical fiber bundles for dividing the measuring light into partial measuring lights can be used both in the device with the fiber coupler and in the device with the beam splitter. The use of the optical fiber bundles thus simplifies the construction and handling of the device.
  • the device has a camera which is designed such that the processing point of the workpiece to be processed can be visually checked with the aid of the camera before, during and / or after processing.
  • the device has a detector which is designed such that the presence of process light can be detected, the process light lying outside the spectral distribution of the laser light.
  • Fig. 1 shows schematically a device for the controlled machining of a workpiece according to an embodiment
  • Fig. 2 shows a shadow mask according to an embodiment
  • Fig. 3 shows a shadow mask according to another embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a meniscus lens according to an embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of the meniscus lens of FIG. 4,
  • FIG. 6 shows schematically a possible beam path in a section of the distance measuring device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 7 schematically shows another possible beam path in the section according to FIG. 6,
  • FIG. 8 schematically shows a further possible beam path in the section according to FIG. 6,
  • Fig. 10 shows schematically a device for the controlled machining of a workpiece according to another embodiment
  • FIG. 11 shows a flow diagram of a method for the controlled machining of a workpiece according to an exemplary embodiment
  • FIG. 12 shows schematically a device for the controlled machining of a workpiece according to a further exemplary embodiment.
  • the device 1 shows schematically a device for the controlled machining of a workpiece according to an exemplary embodiment.
  • the device 1 comprises a laser light source 2 for generating a laser light beam 3 for processing the workpiece 4 to be processed.
  • the device 1 comprises a laser target optics 5 for aiming or for the targeted focusing of the laser light beam 3 to a focal point F at a target point 6 of the workpiece to be processed Workpiece 4.
  • the device 1 comprises a distance measuring device 7 for determining a distance between the target point 6 of the workpiece 4 to be processed and the laser target optics 5.
  • the distance measuring device 7 is designed as an optical-confocal distance measuring device and comprises a Measuring light source 8 for generating a measuring light and a photodetector 9 for detecting a measuring light reflected back from the workpiece 4.
  • the distance measuring device 7 has a distance measuring range H of +/- 7 mm around a zero plane 0.
  • the measuring light source 8 is connected to a first optical fiber 10 at a first connection point 11 of a fiber coupler 12 in the form of a Y-coupler.
  • the photodetector 9 is connected to a second optical fiber 13 at a second connection point 14 of the fiber coupler 12.
  • a third optical fiber 16 is connected with a first end, the second end of the third optical fiber 16 being designed as a light coupling point 17 for coupling the measurement light in and out.
  • the first optical fiber 10, the second optical fiber 13 and the third optical fiber 16 are designed as multi-mode fibers which are capable of transmitting broadband light in the near-infrared spectral range.
  • the light coupling point 17 is followed by a collimation lens 18, a focal length variable lens 19 being arranged between the light coupling point 17 and the collimation lens 18.
  • the light coupling point 17 is designed in such a way that the measuring light emerges from the light coupling point 17 in a divergent manner, so that a diverging measuring light beam results in the area between the light coupling point 17 and the collimation lens 18.
  • the variable focal length lens 19 is an electrically controllable variable focal length lens EL-03-10 from Optotune.
  • a first deflection plate 30 Arranged in the beam path of the laser light beam 3 is a first deflection plate 30 for coupling in and for coupling out the measuring light into the beam path of the laser light beam 3 or into the laser target optics 5.
  • the deflection plate 30 can be designed in such a way that the measuring light can propagate in the beam path of the laser light beam coaxially to the laser light beam 3, in particular along an optical axis A common to the measuring light and the laser light beam
  • the device 1 also has a second deflection plate 31 which is positioned in the beam path of the laser light beam between the first deflection plate 30 and the laser target optics 5.
  • a camera 32 is optically coupled to the laser target optics 5 via a second collimation lens 33 and the second deflection plate 31 in such a way that the processing point of the workpiece to be processed can be visually checked with the aid of the camera 32.
  • the deflection plates 30 and 31 are designed as plates which are transparent or partially transparent to the laser light, so that the beam path of the laser light beam is not or only slightly disturbed by the deflection plates 30 and 31.
  • the light for the camera 32 is branched off with the deflector 31 between the laser 2 and the deflector 30.
  • the distance measurement by the deflection plate 31 for the branching off of the camera light is not impaired.
  • the laser light beam 3 is coupled through the deflection plate 30 or deflection plate 31 and thus transmissively into the laser target optics 5.
  • the laser light beam 3 is coupled into the laser target optics 5 in a reflective manner or by means of a laser beam mirror.
  • the laser beam can be coupled reflective into the optical system of the device 1 laterally or perpendicular to the common optical axis A.
  • the laser 2 would be arranged instead of the camera 32 and the collimation lens 33, and a laser beam mirror would be arranged instead of the deflection plate 31.
  • a laser beam mirror which is at least partially permeable to the measurement light can be used as the laser beam mirror.
  • Other configurations of the light beam path are also possible in which the principles described here can be implemented.
  • the measuring light is coupled coaxially or along the common optical axis A into the beam path of the laser beam.
  • the focusing lens 50 is connected downstream of the mirror pair 51, so that the laser beam 3 is first aligned by the mirror pair 51 before the aligned laser beam 3 can be focused on the target point by the focusing lens 50.
  • the device 1 according to the exemplary embodiment in FIG. 1 also has an evaluation control unit 40.
  • the evaluation control unit 40 comprises an evaluation unit 41 for evaluating the detected distance measurement data, a lens control unit 42 for controlling the focal length of the Variable focal length lens 19 and one
  • Positioning control unit 43 for positioning the workpiece to be machined with respect to the laser focus point.
  • the evaluation unit 41 is connected to an output of the photodetector 9 via a signal line 44.
  • the lens control unit 42 is connected to a control connection of the variable focal length lens 19 via a lens control line 45.
  • the positioning unit 43 is connected via a positioning control line 46 to a positioner 47 for positioning the workpiece 4 to be machined.
  • a YAG laser is used as the laser light source, which generates optical radiation in the wavelength range between 1030 nm and 1070 nm.
  • solid-state lasers in particular those emitting in the near-infrared spectral range, or gas lasers, for example CO2 lasers, can also be used as the laser light source.
  • gas lasers for example CO2 lasers
  • the lasers emitting in the near-infrared spectral range are well suited for material processing. This is because these lasers are able to provide the power in the kW range and the high power densities of the optical radiation required for material processing.
  • the device 1 further comprises a laser power control, which is designed to control the power of the laser 2, and a laser focusing control with controllable focusing optics, which are arranged in the beam path of the laser and are designed to control the laser focusing.
  • the laser power control and laser focusing control are not shown in FIG. 1 to simplify the illustration.
  • a broadband near-infrared LED with a peak wavelength of approx. 950 nm and a spectral half-width of approx.
  • Such an LED measuring light has sufficient broadband to avoid or reduce disruptive interference or speckle effects.
  • such an LED measuring light is narrow enough to suppress or minimize undesired dispersion effects such as chromatic focus shift.
  • the laser target optics 5 or the scanner comprises a focusing lens 50 and a controllable pair of mirrors 51 for aligning the focused radiation to the target point 6 of the workpiece 4 to be processed and, if necessary, for moving the focused laser beam over a processing field of the workpiece 4 to be machined.
  • the pair of mirrors 51 can in particular be designed as a pair of galvo mirrors which can be controlled electrically in a simple manner.
  • the focusing lens 50 has a focal length of approximately 180 mm.
  • the diameter of the laser beam 3 before it enters the laser target optics 5 is approximately 10 mm.
  • the laser target optics 5 is dimensioned in such a way that the laser beam 3 can process a processing area of approximately 80 mm ⁇ 80 mm.
  • the laser aiming optics 5 are designed as telecentric laser aiming optics.
  • the telecentric design of the laser target optics enables the workpiece to be machined to be machined with the laser beam at different distances from the device.
  • the positioner 47 can in particular be designed for positioning and / or orientation of the workpiece 4 to be machined with respect to the laser beam focus point and can in particular comprise one or more actuators with one or more control signals from the
  • Positioning control unit 46 for positioning or orienting the workpiece 4 to be machined can be controlled.
  • the possibility of orienting the workpiece is symbolically represented in FIG. 1 by means of coordinate axes.
  • the device 1 has a perforated mask 60 or diaphragm which is arranged in the beam path of the distance measuring device 7.
  • the perforated mask 60 has several holes 61, which can be clearly seen below in FIGS. 2 and 3.
  • the perforated mask 60 is positioned between the light coupling point 17 and the variable focal length lens 19 in such a way that the measuring light is divided by the perforated mask 60 into several parts for the simultaneous acquisition of the distance measurement data at several points on the surface of the workpiece 4 to be machined. In the one shown in Fig.
  • the perforated mask is placed directly on the fiber end functioning as the light coupling point 17, so that the fiber end also serves as a holder for the perforated mask 60.
  • the optical fiber at the end of which the shadow mask is placed, has a diameter that is sufficient to illuminate the shadow mask 60 essentially completely and to capture the light reflected back through essentially all of the holes 61 of the shadow mask 60.
  • a fiber bundle is used which, similar to the fiber 16 in FIG. 1, is coupled with a fiber coupler.
  • the device 1 for the controlled machining of a workpiece has a meniscus lens 80 which is positioned between the focal length variable lens 19 and the collimation lens 18.
  • the meniscus lens 80 has a substantially spherical concave surface 81 and a substantially spherical convex surface 82.
  • the concave surface 81 or the concave side of the meniscus lens 80 faces the focal length adjustable lens 19 and the convex surface 82 or the convex side of the meniscus lens 80 faces the collimation lens 18.
  • the meniscus lens 80 has a circular hole 83 in the center.
  • part of the light generated in the measuring light source 8 is guided through the first optical fiber 10, via the fiber coupler 12 and via the third optical fiber 16 to the light coupling point 17.
  • the measuring light emerges diverging from the light coupling point 17, after which the measuring light passes through the variable focal length lens 19 and the collimation lens 18 and is coupled into the beam path of the laser light beam 3 by the deflection plate 30.
  • the measuring light coupled into the beam path of the laser light beam 3 can then pass through the laser target optics 5 pass through to the workpiece 4 to be processed.
  • the photodetector 9 supplies a measurement signal via the signal line 44 to the evaluation unit 41 for evaluation.
  • the evaluation unit 41 is designed to evaluate a time profile of the intensity of the light detected by the photodetector 9.
  • the evaluation unit 41 is also designed to derive distances between the target point of the workpiece to be processed and the laser target optics from the time profile of the intensity.
  • the variable focal length lens 19 can in particular be controlled cyclically in such a way that the refractive power of the variable focal length lens is tuned by, for example, +/- 13 diopters, the focal point of the measuring light being shifted by approx. +/- 7 mm along the optical axis.
  • the measuring beam focus is on the surface of the measuring object or the workpiece to be processed, so that the reflection from the measuring light spot on the surface of the workpiece to be processed is sharply imaged onto the fiber end or light coupling point 17, which is an intensity maximum caused by the light detected by the photodetector.
  • a relationship between cycle times and positions of the focal point of the measurement light which is known or can be determined by calibration measurements, can be used to determine the distance of the workpiece to be processed based on the times at which intensity maxima of the light detected by the photodetector are observed.
  • the calibration measurement to determine the relationship between the cycle time point and the distance between the surface of the workpiece to be machined can be carried out in advance or before the laser machining.
  • the calibration measurement can take place via a two-dimensional grid of lateral positions of the scanner or the laser target optics.
  • the distance of the surface or the distance between the laser target optics 5 and the target point 6 of the workpiece to be processed can then be determined from the point in time of the intensity maximum in one cycle.
  • the cyclical variation or modulation of the focal length of the variable focal length lens 19 is symbolically represented in FIG. 1 by a jagged curve in the lens control unit 42.
  • the relationship between the cycles of the focal length variation of the focal length variable lens 19 and the occurrence of the intensity maxima is illustrated schematically in Fig. 1 by dashed lines which extend between the sawtooth curve of the lens control unit 42 and an intensity curve shown in the evaluation unit 41 with the time coordinate t.
  • the measurement light divided by the perforated mask 60 enables the distance measurement data to be recorded at several at the same time Points on the surface of the workpiece 4 to be machined.
  • the measurement light reflected back by the workpiece also passes through the holes 61 of the perforated mask 60 via the coupling point 17 into the fiber 16, so that it can be detected with the photodetector 9.
  • the light intensity detected by the photodetector 9 corresponds to the total intensity of the light collected via all the holes 61 of the perforated mask 60 and reflected back from all the measuring points, so that a physical averaging of the intensity differences between the light reflected back from different points takes place due to the optical arrangement.
  • the physical averaging of the different holes 61 of the perforated mask 60 detected light intensities can considerably simplify the evaluation of the measurement data, since the distance determination does not have to be carried out individually for each point. Rather, the distance can already be determined on the basis of the physically averaged distance measurement data, in particular intensity data, for all of the locations generated by the perforated mask 60.
  • the light reflected back from the surfaces 81 and 82 of the meniscus lens 80 can reach the fiber 16 via the light coupling point 17 and be detected by the photodetector 9.
  • the meniscus lens is dimensioned in such a way that the peaks occur at the beginning or at the end of a repeated time cycle during the tuning of the focal length variable lens 19.
  • the position of each of the two peaks always corresponds to a constant value of the focal length of the variable focal length lens 19 and therefore constantly to the same distance.
  • the tunable lens has a significant influence, so that the association between the control value and the focal length of the variable focal length lens 19 can change in the event of temperature fluctuations.
  • the variable focal length lens 19 or the relationship between the time course and distance can be precisely calibrated on the basis of these peaks. This is because, in contrast to the variable focal length lens 19, the meniscus lens 80 has a negligible temperature dependency.
  • the beams of the measuring light pass through the circular hole 83 in the center of the meniscus lens 80 undisturbed through the meniscus lens, so that only the edge beams can be reflected back by the meniscus lens 80.
  • the intensity of the reflections can be adjusted so that the intensity of the light reflected back from the meniscus lens 80 is high enough to serve as a calibration signal, but also not so high that the measurement signal or the intensity signal of the measurement light reflected back from the object to be processed is overshadowed by the reflections of the meniscus lens.
  • the hole 83 is dimensioned so that the majority of the measurement light passes through the hole 83 of the meniscus lens 80 without being reflected.
  • the meniscus lens 80 is followed by a diaphragm which is configured to allow the inner beam part of the measuring light to pass through and which cut off the outer beam part of the measuring light.
  • a diaphragm which is configured to allow the inner beam part of the measuring light to pass through and which cut off the outer beam part of the measuring light.
  • the meniscus lens 80 does not have a hole, the meniscus lens 80 having a coating on at least one of the two surfaces 81, 82.
  • the thickness or the reflectivity of the coating can be selected so that the measurement signal is not overshadowed by the reflection components of the meniscus lens.
  • the meniscus lens 80 has an anti-reflection coating, the reflection portion of which in the wavelength range of the measuring light is less than 4%.
  • the meniscus lens 80 has both the circular hole 83 and the coating, wherein the dimensions of the circular hole 83 and the thickness of the coating can be selected so that a sufficiently strong calibration signal is achieved, without overshadowing the measurement signal or impairing it too much.
  • Fig. 2 shows a shadow mask according to an embodiment.
  • the perforated mask 60 in FIG. 2 is designed in the form of an essentially rectangular screen and has a plurality of circular holes 61.
  • the circular holes 61 are distributed essentially uniformly over the entire surface of the screen in a hexagonal grid.
  • the distribution of the holes 61 in a hexagonal grid enables a high density of the holes, so that the measurement light can be divided through the perforated mask into many parts for recording the distance measurement data at many measurement points.
  • the distance between adjacent holes is maximum when a hexagonal grid is selected, so that crosstalk between the holes is minimal.
  • FIG. 3 shows a shadow mask according to another exemplary embodiment.
  • the perforated mask 60 of FIG. 3 is designed in a manner similar to the perforated mask 60 of FIG. 2 in the form of an essentially rectangular screen and has a plurality of holes 61.
  • the holes 61 of the perforated mask of FIG. 3 are rectangular and are distributed in a checkerboard pattern essentially uniformly over the entire surface of the screen.
  • the degree of filling of the shadow masks 60 shown in FIGS. 2 and 3 is preferably between 30% and 70%, in particular about 50%, so that about 50% of the light incident on the shadow masks passes through the shadow masks.
  • the perforated mask can also be designed to be essentially circular.
  • a circular shadow mask is particularly well suited for being precisely placed on the end of an optical fiber with a circular cross section.
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a meniscus lens according to an exemplary embodiment.
  • the meniscus lens 80 has an essentially spherical concave surface 81 and an essentially spherical convex surface 82. In the one shown
  • the meniscus lens 80 has a circular hole 83 in the center.
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of the meniscus lens from FIG. 4.
  • the circular hole 83 of the meniscus lens 80 can be seen particularly well.
  • the meniscus lens 80 can be designed differently.
  • Dimensioning of the circular hole 83 and / or the thickness or the reflectivity of the coating can be selected so that the back reflections on the surfaces 81, 82 of the Meniscus lens result in 80 calibration peaks of sufficient intensity without overshadowing the measurement signal or impairing the distance measurement.
  • FIG. 6 schematically shows a possible beam path in a section of the distance measuring device according to an exemplary embodiment.
  • the section shown in FIG. 6 comprises the focal length variable lens 19, the meniscus lens 19 and the coupling point 17 of the optical fiber 13 according to FIG. 1.
  • the long arrows pointing away from the coupling point 17 represent the measuring light beam emerging from the light coupling point 17, which is radiated through the variable focal length lens 19 and also partly through the meniscus lens 80.
  • the arrows directed from the meniscus lens 80 back to the light coupling point 17 illustrate the rays reflected from the concave surface 81 or from the convex surface 82. Due to the essentially spherical curvature of the surfaces 81 and 82, the rays reflected back are bundled to the respective focal point.
  • FIG. 6 schematically shows another possible beam path in the section according to FIG. 6.
  • the beam path in FIG. 7 essentially corresponds to the beam path shown in FIG. 6.
  • the focal length variable lens 19 has a different value of the focal length, so that neither of the two beams reflected back is bundled at the light coupling point 17.
  • FIG. 8 schematically shows a further possible beam path in the section according to FIG. 6.
  • the beam path shown in Fig. 8 corresponds to a focal length of the variable focal length lens 19 when the light reflected back from the convex surface 82 of the meniscus lens 80 is bundled at the light exit surface of the light coupling point 17, while the focus point of the light reflected back from the concave surface 81 of the meniscus lens 80 below which lies from the light entry surface or light coupling point 17.
  • the possible beam configurations of the measuring light shown in FIGS. 6, 7 and 8 illustrate the mode of operation of the meniscus lens 80. If, for example, the variable focal length lens 19 is cyclically tuned, the focal length will periodically run through all values between a minimum focal length and a maximum focal length, and the The beam configuration shown in FIGS. 6, 7 and 8 occur periodically.
  • the beam configuration shown in FIGS. 6 and 8, on the other hand, can only occur with very specific values of the focal length of the variable focal length lens 19.
  • a larger proportion of the light reflected back from the meniscus lens 80 is coupled into the light coupling point in the beam configurations shown in FIGS
  • An increase in the coupled-in amount of light can be detected by a corresponding increase in the light intensity detected by the photodetector.
  • the corresponding intensity peaks can be detected with a photodetector, for example with the photodetector 9 in the arrangement according to FIG. 1, and used as calibration peaks for calibrating the distance measuring device 7.
  • conclusions can be drawn about the corresponding focal length of the variable focal length lens 19 or the corresponding measuring distance of the distance measuring device 7.
  • FIGS. 6, 7 and 8 does not have a perforated mask 60.
  • the above remarks on FIGS. 6, 7 and 8 regarding the mode of operation of the meniscus lens 60 also apply accordingly if a perforated mask 60 is used to split the measurement light into several parts and to record the distance measurement data from different points, for example between the coupling point 17 and the Focal length variable lens 19 could be arranged.
  • 9 shows a time profile of the intensity of a light reflected back from a meniscus lens.
  • FIG. 9 shows a time dependence of the measured light intensity in the arrangement shown in FIGS. 6, 7 and 8, the intensity of the portion of the light reflected back from the meniscus lens 80 and the workpiece 4 to be machined being measured during a tuning cycle that is coupled into the optical fiber 16 becomes.
  • a tuning cycle here corresponds to a curve from a minimum to a maximum control value or vice versa.
  • the time t and the intensity I are shown in arbitrary units in FIG.
  • the time dependency of the intensity I (t) has distinct intensity peaks or calibration peaks.
  • the curve I (t) has a left sharp peak (a), a right sharp peak (c) and a somewhat broader central peak (m).
  • the left sharp peak (a) corresponds to the beam configuration shown in FIG.
  • the beam configuration shown in FIG. 7 occurs between the two peaks (a) and (c) when the light coupling point 17 lies between the two focal points of the light reflected back from the concave surface 81 and from the convex surface 82 of the meniscus lens 80.
  • the peak (m) occurs, which of the to be processed Workpiece 4 is reflected light and allows the determination of the distance of the workpiece 4 (measurement peak).
  • the right peak (c) corresponds to the beam configuration shown in FIG. 8 when the reflection from the convex surface 82 of the meniscus lens at the light coupling point 17 reaches the light fiber 16 in a bundled manner.
  • the sharp peaks (a) and (c) at the beginning and at the end of the cycle shown each have a well-defined time position so that they can serve as the basis for a precise calibration of the distance measuring device. Using the characteristic course of the intensity curve, peaks (a) and (c) can easily be identified and assigned to the respective beam configuration.
  • FIG. 10 schematically shows a device for the controlled machining of a workpiece according to another exemplary embodiment.
  • the device 1 of FIG. 10 essentially corresponds to the device 1 shown in FIG. 1, whereby instead of a fiber coupler it comprises a beam splitter 90 which is used to couple the measuring light via a light exit end 91 of a first optical fiber 10 and to decouple the one to be processed Workpiece 4 is formed back-reflected measuring light.
  • the measuring light coupled out by the beam splitter 90 can be coupled into a light entry end 92 of a second fiber 13 in order to be detected by the photodetector.
  • the light exit end 91 of the first optical fiber 10 and the light entry end 92 of the second optical fiber 13 are set up confocally to one another.
  • the beam splitter 90 is as Beam splitter cube formed. The beam splitter cubes are robust and have low scattering losses.
  • the device 1 with the beam splitter 90 has at least one perforated mask.
  • the device 1 has two essentially identically designed perforated masks 60, one perforated mask 60 being connected downstream of the light exit end 91 of the first fiber 10 and the second perforated mask 60 being connected upstream of the light entry end 92 of the second light fiber 13.
  • the perforated masks 60 are arranged directly on the fiber ends of the first and second optical fibers 10, 13.
  • the perforated masks 60 can be designed in a manner similar to the perforated masks shown in FIGS. 1, 2 and 3 and described above.
  • the shadow masks 60 are arranged and aligned in such a way that the holes 61 (not shown) of the two shadow masks 60 are confocally aligned with one another.
  • FIG. 11 shows a flow diagram of a method for the controlled machining of a workpiece according to an exemplary embodiment.
  • the method 100 for the controlled machining of a workpiece comprises several steps, which can also be carried out in different sequences and possibly also repeatedly.
  • the method can be carried out, for example, by means of a device according to FIG. 1 or 2.
  • a step 110 a laser light beam for generating a laser focus point is focused on a target point of the workpiece to be machined.
  • the focusing of the laser light beam can in particular take place with the laser target optics in order to focus the laser beam in a targeted manner at the target point of the workpiece to be processed.
  • the focusing of the laser light beam in step 110 can in particular take place at a low laser power, so that in step 110 no or only slight material processing of the workpiece 4 to be processed takes place.
  • the laser light beam can also be focused by means of an auxiliary laser, for example a HeNe laser, the beam of which is coupled into the beam path of the laser light beam collinear to the laser beam, for example with a deflection plate.
  • auxiliary laser for example a HeNe laser
  • a galvo scanner with two swiveling galvo mirrors can be used as laser target optics or scanner.
  • optical distance measurement data are acquired by means of an optical distance measurement device for determining a distance between the target point of the workpiece to be processed and the laser target optics or a reference point or a reference plane of the laser target optics.
  • the distance measuring device can be designed as an optical-confocal distance measuring device with a measuring light source for generating a measuring light, in particular a broadband measuring light in the near-infrared spectral range, and with a focal length variable measuring light optics, in particular a focal length variable lens, the method varying the focal length of the focal length variable over time Measurement light optics for capturing distance measurement data at different focal length values of the focal length variable measurement light optics.
  • the acquisition of distance measurement data can include, in particular, the acquisition of an intensity of a measurement light reflected back from the workpiece to be machined, so that the distance is determined on the basis of the intensity, in particular on the basis of a time profile of the intensity of a measurement light reflected back from the workpiece.
  • the workpiece to be machined is positioned with respect to the laser focus point based on the acquired distance measurement data.
  • the laser is refocused as an alternative or in addition to the positioning of the workpiece to be processed.
  • a step 140 the target point of the workpiece to be machined is machined with the focused laser beam.
  • varying the focal length of the focal length variable measuring optics over time includes tuning, in particular cyclical tuning, of the focal length of the focal length variable measuring optics to acquire the distance measurement data at different focal lengths of the focal length variable measuring optics.
  • the focal length variation of the focal length variable measuring optics can in particular take place with the aid of a focal length variable optical element, in particular a focal length variable lens.
  • a measuring cycle can typically last 25 ms.
  • the power of the variable focal length lens can, for example, be in the range of +/- 13 diopters be tuned, wherein the focus point of the measuring light can be shifted axially or along the optical axis of the measuring light optics by approximately +/- 7 mm.
  • the distance between the workpiece to be machined can be determined on the basis of the intensity maxima.
  • a calibration measurement is carried out, in particular in advance of the laser processing.
  • FIG. 12 shows schematically a device for the controlled machining of a workpiece according to a further exemplary embodiment.
  • the device 1 in FIG. 12 essentially corresponds to the device shown in FIG. 10, it additionally having a photodetector 161 with which the process light can be detected, which is produced by processing the workpiece with the laser 2.
  • the device 1 according to FIG. 12 comprises an optical filter 162 with a wavelength-dependent reflectivity, which is designed such that process light is reflected in a specific spectral range, with laser light not being reflected.
  • the optical filter 162 is designed in such a way that the measurement light is essentially completely transmitted so that the measurement is not impaired by the filter.
  • the process light generated by the laser 2 when machining the workpiece reaches the optical filter 162 via the laser target optics 5 and the measuring light optics, is reflected by this and directed to the beam splitter 90, reflected by this in turn and directed to the photodetector 161. Due to the reflection properties of the optical filter 162, laser light that is reflected or scattered by the workpiece 4 and reaches the optical filter 162 via the laser targeting optics 5 is not conducted to the photodetector 161.
  • the process light is detected. If the light source 8 for the measuring light is switched off, this ensures that the photodetector 161 detects neither measuring light nor laser light and is incorrectly interpreted as process light.
  • the photodetector 161 only checks the presence or absence of process light, but does not provide any location information about the location of the origin of the process light. For this reason, the process light need not be focused on the photodetector 161. This in turn facilitates the structural implementation, since the photodetector 161 does not have to be adjusted because its exact position is not critical.
  • the perforated mask 60 can be provided with a partially reflective layer so that the perforated mask 60 acts as a reflection filter that only reflects the process light, but not the laser light and the measurement light. In this embodiment an additional component in the form of the filter 162 is thus saved.
  • the detection of the process light takes place via the photodetector 9.
  • the optical filter 162 is designed in such a way that both process light and the measurement light are transmitted, but the laser light is not transmitted.
  • the photodetector 9 can thus be used to detect process light.

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Abstract

The invention describes a method and a device for the controlled machining of a workpiece. According to the described method, a laser light beam is focused at a target point of the workpiece to be machined in order to produce a laser focal point. Furthermore, according to the method, distance measurement data are acquired by means of an optical distance-measuring device in order to determine a distance between the target point of the workpiece to be machined and the laser target optical unit. The method comprises positioning the workpiece to be machined in relation to the laser focal point on the basis of the acquired distance measurement data. The distance-measuring device is designed as an optically confocal distance-measuring device having a measurement light source for producing a measurement light and having a variable-focal-length measurement light optical unit. The method comprises varying the focal length of the variable-focal-length measurement light optical unit over time in order to acquire distance measurement data at different focal length values of the variable-focal-length measurement light optical unit, the laser light reflected by the workpiece and/or the process light produced during machining of the workpiece being detectible.

Description

Beschreibung description
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR KONTROLLIERTEN BEARBEITUNG EINESMETHOD AND DEVICE FOR THE CONTROLLED PROCESSING OF A
WERKSTÜCKS MITTELS KONFOKALER ABSTANDSMESSUNG WORKPIECE USING CONFOCAL DISTANCE MEASUREMENT
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks. The present disclosure relates to a method and a device for laser machining a workpiece.
Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zu einer Laserbearbeitung eines Werkstücks unter Kontrolle der Positionierung des zu bearbeitenden Werkstücks zur präzisen Laserbearbeitung des Werkstücks. In particular, the present disclosure relates to a method for laser machining of a workpiece while controlling the positioning of the workpiece to be machined for precise laser machining of the workpiece.
Es sind Verfahren bekannt, in welchen Werkstücke mit einem Laserstrahl bzw. Laserlichtstrahl bearbeitet werden. Auch Vorrichtungen zur Durchführung solcher Verfahren sind bekannt. Für eine präzise Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl ist eine genaue Positionierung des Werkstücks bzw. eine genaue Justage von entsprechendenMethods are known in which workpieces are machined with a laser beam or laser light beam. Devices for carrying out such methods are also known. For a precise machining of a workpiece with a laser beam, an exact positioning of the workpiece or an exact adjustment of the corresponding
Laserbearbeitungsvorrichtungen erforderlich, was bei den bekannten Verfahren und mit den bekannten Vorrichtungen nur eingeschränkt möglich ist. Laser processing devices required, which is only possible to a limited extent with the known methods and with the known devices.
Eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist es, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung für eine kontrollierteAn object of embodiments of the present disclosure is to provide an improved method and an improved device for a controlled
Laserbearbeitung von Werkstücken bereitzustellen, welche sich durch eine hohe Bearbeitungspräzision und durch eine einfache Bauweise der Vorrichtung auszeichnet. Provide laser processing of workpieces, which is characterized by a high processing precision and a simple design of the device.
Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Fokussieren eines Laserstrahls bzw. Bearbeitungslichtstrahls zur Erzeugung eines Laserfokussierungspunktes an einer Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks mittels einer Laserzieloptik. Zur Erzeugung des Laserstrahls kann insbesondere ein in dem nahinfraroten Spektralbereich emittierender Festkörperlaser, wie ein YAG-Laser oder ein Faserlaser, sowie ein Gaslaser, wie zum Beispiel ein CO2-Laser, verwendet werden. To achieve the object, a method for the controlled machining of a workpiece is provided according to a first aspect. The method includes focusing a Laser beam or processing light beam for generating a laser focus point at a target point of the workpiece to be processed by means of laser target optics. A solid-state laser emitting in the near-infrared spectral range, such as a YAG laser or a fiber laser, and a gas laser such as a CO2 laser, for example, can be used to generate the laser beam.
Die Laserzieloptik kann insbesondere als eine Fokussier- und Ausrichtungsoptik ausgebildet sein, die ein gezieltes Ausrichten und das Fokussieren des Laserstrahls ermöglicht.The laser target optics can in particular be designed as focusing and alignment optics which enable targeted alignment and focusing of the laser beam.
Die Laserzieloptik kann insbesondere als ein Laser-Strahl- Scanner, speziell als ein Galvoscanner ausgebildet sein, wobei die Ausrichtung des Laserstrahls mit elektrisch ansteuerbaren Spiegeln erfolgen kann. The laser target optics can in particular be designed as a laser beam scanner, specifically as a galvo scanner, it being possible for the laser beam to be aligned with electrically controllable mirrors.
Das Verfahren umfasst ein Erfassen von Abstandsmessdaten mittels einer optischen Abstandsmessvorrichtung bzw. eines optischen Sensors zur Ermittlung eines Abstandes zwischen der Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks und der Laserzieloptik, bzw. einem festen Bezugspunkt oder Bezugsebene der Laserzieloptik. The method includes acquiring distance measurement data by means of an optical distance measuring device or an optical sensor to determine a distance between the target point of the workpiece to be processed and the laser target optics, or a fixed reference point or reference plane of the laser target optics.
Das Verfahren umfasst ferner ein Bearbeiten der Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks mit dem fokussierten Laserstrahl. Das Bearbeiten kann insbesondere Laserschweißen,The method further comprises machining the target point of the workpiece to be machined with the focused laser beam. The processing can in particular laser welding,
Laserschneiden und/oder eine andere Laserbearbeitung umfassen. Include laser cutting and / or other laser processing.
Gemäß dem Verfahren ist die Abstandsmessvorrichtung als eine optisch-konfokale Abstandsmessvorrichtung mit einer brennweitenvariablen Optik bzw. brennweitenvariablen Messlichtoptik ausgebildet, wobei das Verfahren ein zeitliches Variieren der Brennweite der brennweitenvariablen Messlichtoptik zur Erfassung von Abstandsmessdaten bei unterschiedlichen Brennweitenwerten der brennweitenvariablen Messlichtoptik umfasst. According to the method, the distance measuring device is designed as an optical-confocal distance measuring device with a focal length variable optics or focal length variable measuring light optics, the method being a temporal one Varying the focal length of the focal length variable measuring light optics for the acquisition of distance measurement data with different focal length values of the focal length variable measuring light optics includes.
Durch das zeitliche Variieren der Brennweite der brennweitenvariablen Messlichtoptik kann die Brennweite der brennweitenvariablen Messlichtoptik zwischen einer Minimalbrennweite und einer Maximalbrennweite derart variiert werden, dass ein erwünschter Messbereich definiert wird. Insbesondere kann der Messbereich derart definiert bzw. festgelegt werden, dass auch beiBy varying the focal length of the focal length variable measuring light optics over time, the focal length of the focal length variable measuring light optics can be varied between a minimum focal length and a maximum focal length in such a way that a desired measuring range is defined. In particular, the measuring range can be defined or established in such a way that also at
Laserbearbeitungsvorrichtungen mit einer großen Brennweite bzw. mit einer kleinen nummerischen Apertur der Abstand zwischen der Laserzieloptik und der Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks mit dem optisch-konfokalen Sensor präzise ermittelbar ist. Anhand der ermittelten Abstandsmessdaten kann das Werkstück auf eine kontrollierte und präzise Weise bearbeitet werden. Laser processing devices with a large focal length or with a small numerical aperture, the distance between the laser target optics and the target point of the workpiece to be processed can be precisely determined with the optical-confocal sensor. The workpiece can be machined in a controlled and precise manner on the basis of the determined distance measurement data.
Die brennweitenvariable Messoptik ermöglicht zudem die Durchführung von Abstandsmessungen mit Optik-Elementen, die keine bzw. nur geringfügige optische Dispersion aufweisen, so dass die für die Laserstrahlführung vorgesehenen optischen Elemente, die insbesondere keine oder geringe optische Dispersion aufweisen, auch für die Strahlführung des Messlichts verwendet werden können. The measuring optics with variable focal length also enable distance measurements to be carried out with optical elements that have no or only slight optical dispersion, so that the optical elements provided for the laser beam guidance, which in particular have little or no optical dispersion, are also used for the beam guidance of the measuring light can be.
Das Verfahren kann auch ein Positionieren des zu bearbeitenden Werkstücks bezüglich des Laserfokuspunktes basierend auf den erfassten Abstandsmessdaten umfassen. Das Positionieren des zu bearbeitenden Werkstücks kann eine Änderung der räumlichen Position und/oder der räumlichen Orientierung des Werkstücks bzw. der gesamten Laserbearbeitungsvorrichtung des umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann das Positionieren ein Nachfokussieren des Laserstrahls umfassen. Somit kann das zu bearbeitende Werkstück erforderlichenfalls nachpositioniert bzw. der Laser nachjustiert werden, so dass eine präzise Bearbeitung des zu bearbeitenden Werkstücks ermöglicht wird. The method can also include a positioning of the workpiece to be machined with respect to the laser focus point based on the acquired distance measurement data. The positioning of the workpiece to be machined can change the spatial Position and / or the spatial orientation of the workpiece or of the entire laser processing device. Alternatively or additionally, the positioning can include refocusing the laser beam. Thus, if necessary, the workpiece to be machined can be repositioned or the laser can be readjusted so that precise machining of the workpiece to be machined is made possible.
Die Laserzieloptik der Laserbearbeitungsvorrichtung kann einen Teil der Messlichtoptik der Abstandsmessvorrichtung bilden. Insbesondere kann das Messlicht derart an den Strahlengang des Laserlichtstrahls angekoppelt werden, dass der Messlichtstrahl wenigstens abschnittsweise koaxial zu dem Laserlichtstrahl verläuft. The laser target optics of the laser processing device can form part of the measuring light optics of the distance measuring device. In particular, the measuring light can be coupled to the beam path of the laser light beam in such a way that the measuring light beam runs at least in sections coaxially to the laser light beam.
Durch die Verwendung der Laserzieloptik der Laserbearbeitungsvorrichtung für die Messlichtoptik der Abstandsmessvorrichtung kann die Anzahl der für die Durchführung des Verfahrens erforderlichen optischen Komponenten reduziert und somit der optische Aufbau vereinfacht werden. Somit kann ein Abstandssensor insbesondere in eine bereits bestehende Laserbearbeitungsanlage auf einfache Weise integriert werden. By using the laser target optics of the laser processing device for the measuring light optics of the distance measuring device, the number of optical components required for carrying out the method can be reduced and the optical structure can thus be simplified. A distance sensor can thus be easily integrated into an already existing laser processing system.
Wenigstens einige der Verfahrensschritte können an mehreren Zielstellen des zu bearbeitenden Werkstücks durchgeführt bzw. wiederholt werden. Durch die Wiederholung derAt least some of the method steps can be carried out or repeated at several target locations on the workpiece to be machined. By repeating the
Verfahrensschritte an mehreren Stellen kann die Positionierung des zu bearbeitenden Werkstücks nachkontrolliert und ggf. korrigiert werden. In einigen Ausführungsformen umfasst das Erfassen von Abstandsmessdaten ein Erfassen einer Intensität eines von dem Werkstück zurückreflektierten Messlichts, wobei der Abstand anhand eines zeitlichen Verlaufs der Intensität des von dem Werkstück zurückreflektierten Messlichts ermittelt wird. The positioning of the workpiece to be machined can be checked and, if necessary, corrected at several points in the process. In some embodiments, acquiring distance measurement data includes acquiring an intensity of a measurement light reflected back from the workpiece, the distance being determined on the basis of a time profile of the intensity of the measurement light reflected back from the workpiece.
Insbesondere bei einer kontrollierten zeitlichen Variation der Brennweite der brennweitenvariablen Messoptik können die Zeitpunkte der Erfassung der Intensität zu bestimmten Brennweiten der brennweitenvariablen Messoptik und somit zu Positionen des Messlichtfokuspunkts zugeordnet werden, woraus auf den Abstand zwischen der Laserzieloptik und der Zielstelle zurückgeschlossen werden kann. Denn das Intensitätsmaximum tritt dann auf, wenn die Fokusebene des Messlichts mit der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks bzw. des Messobjekts zusammenfällt. In einem solchen Fall wird der auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks erzeugte Messlichtfleck aufgrund der konfokalen Lichtführung der Abstandsmessvorrichtung an einer fotodetektorseitig angeordneten Blende bzw. Lichtkoppelstelle, welche auch als Lichtaustrittsblende für die Messlichtquelle fungiert, abgebildet, so dass ein Intensitätsmaximum mit dem Fotodetektor detektiert wird. In particular with a controlled temporal variation of the focal length of the focal length variable measuring optics, the points in time of the acquisition of the intensity at certain focal lengths of the focal length variable measuring optics and thus to positions of the measuring light focus point can be assigned, from which conclusions can be drawn about the distance between the laser target optics and the target point. This is because the maximum intensity occurs when the focal plane of the measuring light coincides with the surface of the workpiece or the measuring object to be processed. In such a case, the measuring light spot generated on the surface of the workpiece to be processed is imaged due to the confocal light guidance of the distance measuring device at an aperture or light coupling point arranged on the photodetector side, which also functions as a light exit aperture for the measurement light source, so that a maximum intensity is detected with the photodetector .
Als Messlicht kann ein breitbandiges Infrarotlicht, insbesondere Nahinfrarotlicht verwendet werden. Insbesondere kann zur Erzeugung des Messlichts eine nahinfrarote LED (Light Emitting Diode) mit einer Peak-Wellenlänge zwischen 900 nm und 1000 nm, insbesondere 940 nm und 960 nm, und mit einer spektralen Halbwertsbreite zwischen 40 nm und 60 nm, insbesondere zwischen 45 nm und 55 nm, eingesetzt werden. Ein solches LED-Messlicht ist ausreichend breitbandig, um störende Interferenzen bzw. Speckleeffekte zu vermeiden bzw. zu reduzieren. Andererseits ist ein solches LED-Messlicht schmalbandig genug, um unerwünschte Dispersionseffekte, wie chromatische Fokusverschiebung bzw. Fokusshift, zu unterdrücken bzw. gering zu halten. A broadband infrared light, in particular near infrared light, can be used as the measuring light. In particular, a near-infrared LED (Light Emitting Diode) with a peak wavelength between 900 nm and 1000 nm, in particular 940 nm and 960 nm, and with a spectral half-width between 40 nm and 60 nm, in particular between 45 nm and 55 nm can be used. Such an LED measuring light has sufficient broadband to avoid or reduce disruptive interference or speckle effects. On the other hand, such an LED measuring light is narrow-banded enough to suppress or keep to a minimum undesired dispersion effects such as chromatic focus shift or focus shift.
Außerdem können für die Abstandsmessung mit einem nahinfraroten Messlicht die optischen Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise Spiegel und/oder Linsen der Laserzieloptik, verwendet werden, die für den nahinfraroten Spektralbereich ausgelegt sind. In addition, the optical components of the laser processing device, for example mirrors and / or lenses of the laser target optics, which are designed for the near-infrared spectral range, can be used for the distance measurement with a near-infrared measuring light.
Das Verfahren kann ferner ein Erfassen bzw. eine Detektion von Laserlicht umfassen. Dabei wird anstatt oder zusätzlich zu dem Messlicht das Laserlicht detektiert, welches von dem Werkstück reflektiert und über die Laserzieloptik und die Messlichtoptik über die Blende auf den Detektor der Abstandsmessvorrichtung geleitet wird. Bei diesem Verfahren wird der Laserfokuspunkt auf die Blende abgebildet. Die Brennweite der brennweitenvariablen Messoptik wird kontrolliert zeitlich variiert, und es wird detektiert, wann die Intensität des von der Blende transmittierten Laserlichts maximal wird, d.h. wann der Laserfokuspunkt scharf auf die Blende abgebildet wird. Bei diesem Verfahren kann beispielsweise in einem ersten Schritt der Laser auf dem Werkstück fokussiert werden, und diejenige Brennweite der brennweitenvariablen Messoptik bestimmt werden, bei der ein Intensitätsmaximum des von der Blende transmittierten Laserlichts auftritt. Wenn der Fokuspunkt des Lasers nun nicht mehr auf dem Werkstück liegt, sondern oberhalb oder unterhalb, ändert sich auch die Position des Bildpunkts in der Blendenebene. Somit tritt das Intensitätsmaximum bei einer anderen Brennweite der brennweitenvariablen Messoptik auf. Dieser Effekt kann verwendet werden, um eine Änderung der Laserfokusposition zu erfassen. The method can furthermore comprise acquiring or detecting laser light. In this case, instead of or in addition to the measuring light, the laser light is detected, which is reflected from the workpiece and guided via the laser target optics and the measuring light optics via the aperture to the detector of the distance measuring device. In this process, the laser focus point is mapped onto the aperture. The focal length of the measuring optics with variable focal length is varied in a controlled manner, and it is detected when the intensity of the laser light transmitted by the diaphragm is at its maximum, ie when the laser focus point is sharply imaged on the diaphragm. In this method, for example, in a first step, the laser can be focused on the workpiece and that focal length of the measuring optics with variable focal length can be determined at which an intensity maximum of the laser light transmitted by the diaphragm occurs. If the focus point of the laser is no longer on the workpiece, but above or below, the position of the image point in the diaphragm plane also changes. So this occurs Intensity maximum at a different focal length of the variable focal length measurement optics. This effect can be used to detect a change in the laser focus position.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren eine simultane Detektion sowohl des Messlichts als auch des Laserlichts umfassen. Dabei werden sowohl der Laserfokuspunkt als auch der Messlichtfleck auf die Blende abgebildet und die von der Blende transmittierten Anteile des Messlichts und des Laserlichts auf den Detektor der Abstandsmessvorrichtung geleitet. In some embodiments, the method can include simultaneous detection of both the measurement light and the laser light. Both the laser focus point and the measuring light spot are imaged on the diaphragm and the portions of the measuring light and the laser light transmitted by the diaphragm are directed to the detector of the distance measuring device.
Abhängig vom Abstand des Laserfokuspunkts von der Werkstückoberfläche sowie des Farbfehlers der optischen Komponenten kann sich dabei diejenige Brennweite, bei der der Messlichtfleck scharf auf die Blende abgebildet wird von derjenigen Brennweite unterscheiden, bei der der Laserfokuspunkt scharf auf die Blende abgebildet wird. Depending on the distance of the laser focus point from the workpiece surface and the color error of the optical components, the focal length at which the measuring light spot is sharply imaged on the diaphragm can differ from the focal length at which the laser focus point is imaged sharply on the diaphragm.
Insbesondere kann das Verfahren eine Positionierung des zu bearbeitenden Werkstücks bezüglich des Laserfokuspunkts basierend auf der ermittelten Differenz derjenigen beiden Brennweiten umfassen, bei denen entweder der Messlichtfleck oder der Laserfokuspunkt scharf auf die Blende abgebildet werden. In particular, the method can include a positioning of the workpiece to be processed with respect to the laser focus point based on the determined difference between those two focal lengths at which either the measuring light spot or the laser focus point are sharply imaged on the diaphragm.
Das zeitliche Variieren der Brennweite der brennweitenvariablen Messoptik kann ein Durchstimmen, insbesondere ein zyklisches Durchstimmen, der Brennweite der brennweitenvariablen Messoptik zur Erfassung der Abstandsmessdaten bei unterschiedlichen Brennweiten der brennweitenvariablen Messoptik umfassen. Beim Durchstimmen der Brennweite wird ein Brennweitenbereich der brennweitenvariablen Messoptik zwischen einer Minimalbrennweite und einer Maximalbrennweite abgedeckt, so dass der Fokuspunkt der Messoptik den gesamten Messbereich des optischen Sensors abscannt. Durch das zyklische Durchstimmen der Brennweite der brennweitenvariablen Messoptik kann die Auswertung der erfassten Abstandsmessdaten mit dem zeitlichen Variieren der Brennweite synchronisiert werden, so dass eine eindeutige und zuverlässige Zuordnung der erfassten Messdaten zu den zu ermittelnden Abständen erleichtert wird. The temporal variation of the focal length of the focal length variable measuring optics can be a tuning, in particular a cyclical tuning, the focal length of the focal length variable measuring optics for the acquisition of the distance measurement data at different focal lengths of the Include variable focal length measurement optics. When tuning the focal length, a focal length range of the measuring optics with variable focal length is covered between a minimum focal length and a maximum focal length, so that the focal point of the measuring optics scans the entire measuring range of the optical sensor. By cyclically tuning the focal length of the focal length-variable measuring optics, the evaluation of the recorded distance measurement data can be synchronized with the temporal variation of the focal length, so that a clear and reliable assignment of the recorded measurement data to the distances to be determined is facilitated.
Insbesondere kann in einem Zyklus bzw. in einem Messtakt anhand der Variation des Fokusabstands des Messlichts ein, insbesondere ein einziger, Abstandswert bzw. Abstand zur Oberfläche des zu bearbeitenden Messstücks bestimmt werden. In particular, one, in particular a single, distance value or distance to the surface of the measuring piece to be processed can be determined in one cycle or in one measuring cycle on the basis of the variation of the focus distance of the measuring light.
In einigen Ausführungsformen liegt der Messstrahlfokus auf der Oberfläche des Messobjekts bzw. des zu bearbeitenden Werkstücks an zwei verschiedenen Zeitpunkten innerhalb eines Zyklus, so dass der Reflex vom Messlichtfleck auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks scharf auf das Faserende bzw. die Lichtkoppelstelle abgebildet wird, was ein Intensitätsmaximum bei dem durch den Fotodetektor erfassten Licht verursacht. Über einen vorbekannten bzw. durch Kalibrierungsmessungen ermittelbaren Zusammenhang zwischen Zykluszeitpunkten und Positionen des Fokuspunktes des Messlichts kann anhand der Zeitpunkte, an denenIn some embodiments, the measurement beam focus is on the surface of the measurement object or the workpiece to be processed at two different times within a cycle, so that the reflection from the measurement light spot on the surface of the workpiece to be processed is sharply imaged onto the fiber end or the light coupling point causes an intensity maximum in the light detected by the photodetector. A relationship between cycle times and positions of the focal point of the measurement light, which is known or can be determined by calibration measurements, can be based on the times at which
Intensitätsmaxima des durch den Fotodetektor erfassten Lichtes beobachtet werden, der Abstand des zu bearbeitenden Werkstücks bestimmt werden. Das Verfahren kann ferner ein Durchführen einer Kalibriermessung zur Ermittlung eines Zusammenhangs zwischen Zykluszeitpunkt und Abstand umfassen. Der durch die Kalibriermessung ermittelte Zusammenhang zwischen Zykluszeitpunkt und Abstand kann die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit der Auswertung der Abstandsmessdaten verbessern, so dass aus dem Zeitpunkt des Intensitätsmaximums in einem Zyklus der zu ermittelnde Abstand eindeutig und zuverlässig berechnet werden kann. Intensity maxima of the light detected by the photodetector are observed, the distance between the workpiece to be processed can be determined. The method can also include performing a calibration measurement to determine a relationship between the cycle time and the interval. The relationship between cycle time and distance determined by the calibration measurement can improve the reliability and accuracy of the evaluation of the distance measurement data, so that the distance to be determined can be calculated unambiguously and reliably from the time of the intensity maximum in a cycle.
Die Kalibriermessung kann ein Erfassen von Reflexen einer der brennweitenvariablen Optik nachgeschalteten Meniskuslinse, insbesondere an unterschiedlichen Zykluszeitpunkten, umfassen. Die Meniskuslinse weist eine konkave Oberfläche und eine konvexe Oberfläche auf. Die Meniskuslinse kann insbesondere derart angeordnet sein, dass beim Durchstimmen der brennweitenvariablen Optik, das von der konkaven Oberfläche zurückreflektierte Licht und das von der konvexen Oberfläche zurückreflektierte Licht abwechselnd an einerThe calibration measurement can include the acquisition of reflections from a meniscus lens connected downstream of the focal length variable optics, in particular at different cycle times. The meniscus lens has a concave surface and a convex surface. The meniscus lens can in particular be arranged such that when tuning the focal length variable optics, the light reflected back from the concave surface and the light reflected back from the convex surface alternately at one
Lichtkoppelstelle gebündelt wird, was jeweils einen messbaren Intensitätspeak des in die Lichtfaser eingespeisten Lichts verursacht. Die zeitlichen Positionen dieser Peaks innerhalb eines Durchstimmzyklus entsprechen wohldefinierten Brennweiten der brennweitenvariablen Optik, so dass anhand der zeitlichen Positionen dieser Intensitätspeaks bzw. Kalibrierpeaks die brennweitenvariable Optik bzw. die Abstandmessvorrichtung präzise kalibriert werden kann. Light coupling point is bundled, which in each case causes a measurable intensity peak of the light fed into the optical fiber. The temporal positions of these peaks within a tuning cycle correspond to well-defined focal lengths of the variable focal length optics, so that the variable focal length optic or the distance measuring device can be precisely calibrated on the basis of the temporal positions of these intensity peaks or calibration peaks.
In einigen Durchführungsformen umfasst die Kalibriermessung eine Messung eines zweidimensionalen Rasters von Lateralpositionen des Scanners bzw. der Laserzieloptik. An dem zweidimensionalen Raster erfasste Abstandsmessdaten können dann zur Kalibrierung der Abstandsmessvorrichtung verwendet werden. In some embodiments, the calibration measurement includes a measurement of a two-dimensional grid of lateral positions of the scanner or the laser target optics. Distance measurement data recorded on the two-dimensional grid can can then be used to calibrate the distance measuring device.
Das Verfahren kann ferner eine Kalibriermessung zur Bestimmung desjenigen Abstands umfassen, bei dem das Laserlicht bestmöglich auf dem Werkstück fokussiert ist. The method can also include a calibration measurement to determine the distance at which the laser light is focused on the workpiece in the best possible way.
Der Bearbeitungslaser kann beim Bearbeiten des Werkstücks Prozesslicht sowohl im sichtbaren als auch im Infrarotbereich erzeugen. Insbesondere kann beim Laserbearbeiten des Werkstücks ein Prozesslicht in solchen spektralen Bereichen entstehen, die außerhalb der spektralen Verteilung des Laserlichts liegen. Das Auftreten von Prozesslicht ist dabei an die Intensität des Laserlichts an der bestrahlten Stelle des Werkstücks gekoppelt. Wenn der Laser mit einer geringen Leistung betrieben wird, kommt es nur dann zum Auftreten von Prozesslicht, wenn das Werkstück genau in der Fokusebene des Laserlichts liegt. The processing laser can generate process light in the visible as well as in the infrared range when processing the workpiece. In particular, during laser machining of the workpiece, process light can arise in those spectral ranges that are outside the spectral distribution of the laser light. The occurrence of process light is linked to the intensity of the laser light at the irradiated point on the workpiece. If the laser is operated with a low power, process light only occurs when the workpiece is exactly in the focal plane of the laser light.
Zum Bestimmen der Fokusebene des Laserlichts wird der Abstand zwischen dem Laserfokuspunkt und dem Werkstück variiert. Dies kann beispielsweise durch eine Positionierung des Werkstücks oder durch ein Fokussieren des Laserstrahls mittels einer Fokussieroptik erfolgen. To determine the focal plane of the laser light, the distance between the laser focus point and the workpiece is varied. This can be done, for example, by positioning the workpiece or by focusing the laser beam by means of focusing optics.
Das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein von Prozesslicht wird über einen Detektor registriert. Die Erfassung bze. Detektion von Prozesslicht lässt auf eine für die Entstehung des Prozesslichts ausreichend gute Fokussierung des Laserstrahllicht auf dem Werkstück zurückschließen. Anhand des detektierten Prozesslichts kann zudem ggf. festgestellt werden, dass das Laserstrahllicht bestmöglich auf dem Werkstück fokussiert ist. Wenn dies der Fall ist, lässt sich mittels Abstandsmessung durch das Messlicht der zugehörige Abstandswert bestimmen. The presence or absence of process light is registered by a detector. The capture bze. Detection of process light allows conclusions to be drawn that the laser beam light is focussed sufficiently well on the workpiece for the formation of the process light. On the basis of the detected process light, it may also be possible to determine that the laser beam light is as best as possible on the Workpiece is in focus. If this is the case, the associated distance value can be determined by measuring the distance through the measuring light.
In einer alternativen Ausführungsform wird der Laser nicht mit einer konstanten Leistung betrieben, sondern stattdessen die Leistung des Lasers variiert. Insbesondere kann dabei die Leistung des Lasers von einem geringen Wert ausgehend sukzessive erhöht werden und diejenige kritische Leistung bestimmt werden, bei der es erstmalig zum Auftreten von Prozesslicht kommt. In an alternative embodiment, the laser is not operated with a constant power, but instead the power of the laser is varied. In particular, the power of the laser can be successively increased starting from a low value and the critical power at which process light occurs for the first time can be determined.
Dieser Schritt kann für verschiedene Abstände zwischen dem Werkstück und dem Laserfokuspunkt wiederholt werden. Derjenige Abstand, bei dem das Laserlicht möglichst gut auf dem Werkstück fokussiert ist, ist dadurch ausgezeichnet, dass die kritische Leistung den kleinsten Wert annimmt. This step can be repeated for different distances between the workpiece and the laser focus point. The distance at which the laser light is focused as well as possible on the workpiece is characterized by the fact that the critical power assumes the smallest value.
Das Erfassen der Abstandsmessdaten kann an mehreren Stellen bzw. Messstellen an der Zielstelle erfolgen. Die Anordnung einer Messstelle an der Zielstelle bedeutet in diesem Kontext, dass die Messstelle in der, an der oder um die Zielstelle herum angeordnet sein kann. Durch die Erfassung der Abstandmessdaten an mehreren Messstellen an der Zielstelle kann die Fehleranfälligkeit der Messungen durch Mittelwertbildung reduziert werden. Durch die Erfassung der Abstandsmessdaten an mehreren Messstellen kann zudem der Einfluss von Speckles auf die Messergebnisse reduziert werden. Denn die auf die Speckles zurückzuführenden lokalen Intensitätsschwankungen des von dem zu bearbeitenden Werkstück zurückreflektierten Lichts lassen sich durch die Messung an mehreren Messstellen herausmitteln. Die Erfassung der Abstandsmessdaten an mehreren Messstellen kann sequenziell bzw. zeitlich hintereinander, insbesondere innerhalb eines Messtakts erfolgen. Während eines Messtaktes können somit Abstandsmessdaten von verschiedenen Messstellen eingesammelt werden, so dass ein gemittelter Abstand schnell und mit wenig Rechenaufwand ermittelt werden kann. The acquisition of the distance measurement data can take place at several points or measuring points at the target point. The arrangement of a measuring point at the target point means in this context that the measuring point can be arranged in, on or around the target point. By recording the distance measurement data at several measuring points at the target point, the susceptibility of the measurements to errors can be reduced by averaging. By recording the distance measurement data at several measuring points, the influence of speckles on the measurement results can also be reduced. This is because the local intensity fluctuations of the light reflected back from the workpiece to be processed, which can be traced back to the speckles, can be determined by measuring at several measuring points. The acquisition of the distance measurement data at a plurality of measurement points can take place sequentially or one after the other, in particular within one measurement cycle. During a measuring cycle, distance measurement data can thus be collected from different measuring points, so that an averaged distance can be determined quickly and with little computational effort.
In einigen Ausführungen erfolgt die Erfassung der Abstandsmessdaten an mehreren Stellen entlang eines Scan-Wegs an der Zielstelle. Der Scan-Weg kann insbesondere so gewählt werden, dass aus den entlang des Scan-Wegs erfassten Abstandsmessdaten auf den Zielstellenabstand zurückgeschlossen werden kann. In some embodiments, the distance measurement data is acquired at several points along a scan path at the target point. The scan path can in particular be selected in such a way that the distance measurement data recorded along the scan path can be used to infer the target point distance.
Der Scan-Weg kann die Form eines die Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks umschließenden Kreises aufweisen. Insbesondere kann der Messkreis einen mit dem Laserspot vergleichbaren Bahnradius aufweisen. Die entlang des Messkreises erfassten Abstandsmessdaten ergeben eine Datenbasis, die eine effiziente Reduzierung des Messfehlers durch die Mittelwertbildung ermöglicht. The scan path can have the shape of a circle surrounding the target point of the workpiece to be machined. In particular, the measuring circle can have a path radius comparable to that of the laser spot. The distance measurement data recorded along the measuring circle result in a database that enables the measurement error to be efficiently reduced by averaging.
Der Scan-Weg kann die Form einer auf die Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks zentrierten Spirale aufweisen. Insbesondere kann der Mittelpunkt der Spirale mit der Zielstelle zusammenfallen. Aufgrund des spiralförmigen Scan- Wegs können die Abstandsmessdaten von einer besonders großen Oberfläche erfasst werden, so dass der Mittelungseffekt verstärkt wird und die Störungsanfälligkeit der Messung verringert werden kann. In einigen Durchführungsformen erfolgt die Erfassung der Abstandsmessdaten an mehreren Messstellen im Wesentlichen gleichzeitig, insbesondere innerhalb einer Messtakte, wobei die Ermittlung des Abstands anhand von physikalisch gemittelten Abstandsmessdaten erfolgt. The scan path can have the shape of a spiral centered on the target point of the workpiece to be machined. In particular, the center point of the spiral can coincide with the target point. Due to the spiral-shaped scan path, the distance measurement data can be recorded from a particularly large surface, so that the averaging effect is increased and the susceptibility of the measurement to malfunctions can be reduced. In some embodiments, the acquisition of the distance measurement data takes place at a plurality of measuring points essentially simultaneously, in particular within one measurement cycle, the distance being determined on the basis of physically averaged distance measurement data.
Die physikalische Mittelung der Abstandsmessdaten bedeutet insbesondere, dass die Abstandsermittlung nicht für jede Messstelle separat erfolgt, um beispielsweise aus den ermittelten Abständen einen mittleren Abstandswert zu bilden. Die physikalische Mittelung bedeutet, dass die Gesamtheit der an den mehreren Messstellen der Zielstelle erfassten Abstandsmessdaten, insbesondere Intensitätsmessdaten des von dem zu bearbeitenden Werkstück zurückreflektierten Messlichts, in die Ermittlung des Abstands der Zielstelle eingehen, so dass für die Gesamtheit der Messstellen ein einziger Abstandswert ermittelt wird. The physical averaging of the distance measurement data means in particular that the distance is not determined separately for each measuring point in order, for example, to form an average distance value from the determined distances. The physical averaging means that all of the distance measurement data recorded at the multiple measuring points of the target point, in particular intensity measurement data of the measurement light reflected back from the workpiece to be processed, are included in the determination of the distance to the target point, so that a single distance value is determined for all of the measurement points .
Aufgrund der physikalischen Mittelung kann die Gesamtheit der an den unterschiedlichen Messstellen einer Zielstelle erfassten Abstandsmessdaten zusammen, insbesondere in einem einzigen Auswerteschritt, ausgewertet werden, so dass der Abstandswert auf eine schnelle und einfache Weise ermittelt werden kann. Due to the physical averaging, the entirety of the distance measurement data recorded at the different measurement points of a target point can be evaluated together, in particular in a single evaluation step, so that the distance value can be determined in a quick and simple manner.
Das Messlicht kann mittels wenigstens einer, insbesondere als konfokale Blende ausgebildete, Lochmaske mit mehreren Löchern in mehrere Teilmesslichter zur gleichzeitigen Erfassung der Abstandsmessdaten an mehreren Messstellen aufgeteilt werden. Mit der wenigstens einen Lochmaske kann somit die für die Erfassung der Abstandsmessdaten an mehreren Messstellen erforderlichen Teilmesslichter auf einfache Weise erzeugt werden. The measuring light can be divided into several partial measuring lights for the simultaneous acquisition of the distance measurement data at several measuring points by means of at least one perforated mask with several holes, in particular designed as a confocal diaphragm. The at least one perforated mask can thus be used for the acquisition of the distance measurement data at several measuring points required partial measuring lights can be generated in a simple manner.
Die Teilmesslichter können mit einem gemeinsamen Fotodetektor erfasst werden. Die Verwendung des gemeinsamen Fotodetektors für alle Teilmesslichter vereinfacht die Erfassung der Abstandsmessdaten von den mehreren Messstellen. Gleichzeitig mit der Erfassung der Teilmesslichter mit dem gemeinsamen Fotodetektor erfolgt eine physikalische Mittelung der Abstandsmessdaten bzw. Lichtintensitäten. Denn der gemeinsame Fotodetektor unterscheidet die von den unterschiedlichen Messstellen zurückreflektierten Lichter nicht. Die Mittelung der Abstandsmessdaten erfolgt somit automatisch, ohne dabei einen Rechenschritt ausführen zu müssen. The partial measuring lights can be recorded with a common photodetector. The use of the common photodetector for all partial measurement lights simplifies the acquisition of the distance measurement data from the multiple measurement points. Simultaneously with the detection of the partial measuring lights with the common photodetector, the distance measuring data or light intensities are physically averaged. Because the common photo detector does not differentiate between the lights reflected back from the different measuring points. The averaging of the distance measurement data is therefore carried out automatically without having to perform a calculation step.
Nach einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks vorgeschlagen. According to a second aspect, a device for the controlled machining of a workpiece is proposed.
Die Vorrichtung umfasst eine Laserlichtquelle zur Erzeugung einer Laserlichtstrahls zur Bearbeitung bzw. Laserbearbeitung des zu bearbeitenden Werkstücks. Zur Erzeugung des Laserstrahls kann insbesondere ein in dem nahinfraroten Spektralbereich emittierender Festkörperlaser, wie ein YAG- Laser oder ein Faserlaser, sowie ein Gaslaser, beispielsweise ein CO2-Laser, verwendet werden. The device comprises a laser light source for generating a laser light beam for processing or laser processing the workpiece to be processed. In particular, a solid-state laser emitting in the near-infrared spectral range, such as a YAG laser or a fiber laser, and a gas laser, for example a CO2 laser, can be used to generate the laser beam.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Laserzieloptik zum Fokussieren des Laserlichtstrahls zu einemThe device further comprises laser aiming optics for focusing the laser light beam to one
Laserlichtfokuspunkt an einer Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks. Die Laserzieloptik kann insbesondere als eine Fokussier- und Ausrichtungsoptik ausgebildet sein, die ein gezieltes Ausrichten und das Fokussieren des Laserstrahls ermöglicht. Die Laserzieloptik kann insbesondere als ein Laser-Strahl-Scanner, speziell als ein Galvoscanner ausgebildet sein, wobei die Ausrichtung des Laserstrahls mittels elektrisch gesteuerter Spiegel erfolgen kann. Laser light focus point at a target point of the workpiece to be machined. The laser aiming optics can in particular be designed as focusing and alignment optics that enable targeted alignment and focusing of the laser beam enables. The laser target optics can in particular be designed as a laser beam scanner, specifically as a galvo scanner, wherein the alignment of the laser beam can take place by means of electrically controlled mirrors.
Die Vorrichtung umfasst auch eine Abstandsmessvorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zwischen der Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks und der Laserzieloptik anhand von durch die Abstandsmessvorrichtung erfassten Abstandsmessdaten und eine Positionierungsvorrichtung zum Positionieren des zu bearbeitenden Werkstücks bezüglich des Laserlichtfokuspunktes und/oder Nachfokussieren des Lasers basierend auf den erfassten Abstandsmessdaten. The device also comprises a distance measuring device for determining a distance between the target point of the workpiece to be machined and the laser target optics based on distance measurement data acquired by the distance measuring device and a positioning device for positioning the workpiece to be machined with respect to the laser light focus point and / or refocusing the laser based on the acquired distance measuring data .
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Auswerte-Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, die erfassten Abstandsmessdaten auszuwerten und die Positionierungsvorrichtung basierend auf den erfassten Abstandsmessdaten anzusteuern. The device further comprises an evaluation control unit which is designed to evaluate the acquired distance measurement data and to control the positioning device based on the acquired distance measurement data.
Die Abstandsmessvorrichtung ist als eine optisch-konfokale Abstandsmessvorrichtung mit einer Messlichtquelle zur Erzeugung einer Messlichts und mit einer brennweitenvariablen Messlichtoptik derart ausgebildet, dass die Brennweite der brennweitenvariablen Messlichtoptik zeitlich variiert werden kann, um die Abstandsmessdaten bei unterschiedlichen Brennweitenwerten der brennweitenvariablen Messlichtoptik zu erfassen. The distance measuring device is designed as an optical-confocal distance measuring device with a measuring light source for generating a measuring light and with a focal length variable measuring light optics in such a way that the focal length of the focal length variable measuring light optics can be varied over time in order to acquire the distance measuring data at different focal length values of the focal length variable measuring light optics.
Durch das zeitliche Variieren der Brennweite der brennweitenvariablen Messlichtoptik kann eine Vergrößerung eines effektiven Messbereichs der Abstandsmessvorrichtung erzielt werden, so dass auch bei Laserbearbeitungsvorrichtungen mit einer großen Brennweite bzw. mit einer kleinen nummerischen Apertur der Abstand zwischen der Laserzieloptik und der Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks mit dem optisch-konfokalen Sensor präzise ermittelt werden kann. By varying the focal length of the measuring light optics with variable focal length over time, an enlargement of an effective measuring range of the distance measuring device can be achieved, so that at Laser processing devices with a large focal length or with a small numerical aperture, the distance between the laser target optics and the target point of the workpiece to be processed can be precisely determined with the optical-confocal sensor.
Die brennweitenvariable Messoptik ermöglicht außerdem, die Durchführung von Abstandsmessungen mit Optik-Elementen ohne bzw. mit geringer optischer Dispersion zu bewerkstelligen, so dass die für die Laserstrahlführung erforderlichen optischen Elemente, die insbesondere keine oder geringe optische Dispersion aufweisen, auch für die Strahlführung des Messlichts verwendet werden können. The measuring optics with variable focal length also make it possible to carry out distance measurements with optical elements with no or little optical dispersion, so that the optical elements required for the laser beam guidance, which in particular have little or no optical dispersion, are also used for the beam guidance of the measuring light can be.
Die Messlichtoptik der Abstandsmessvorrichtung kann wenigstens einen Teil der Laserzieloptik umfassen. The measuring light optics of the distance measuring device can comprise at least a part of the laser targeting optics.
Durch die Verwendung der Laserzieloptik für die Messlichtoptik der Abstandsmessvorrichtung kann die Anzahl von erforderlichen optischen Komponenten reduziert bzw. der Aufbau der Vorrichtung deutlich vereinfacht werden. Somit kann ein Abstandssensor auch in eine bereits bestehende Laserbearbeitungsanlage auf einfache Weise integriert werden. By using the laser target optics for the measuring light optics of the distance measuring device, the number of optical components required can be reduced or the structure of the device can be significantly simplified. In this way, a distance sensor can also be easily integrated into an existing laser processing system.
Die Abstandsmessvorrichtung kann einen Fotodetektor zur Erfassung einer Intensität eines von dem zu bearbeitenden Werkstück zurückreflektierten Messlichts umfassen und derart ausgebildet sein, dass der Abstand anhand eines zeitlichen Verlaufs der erfassten Intensität des von dem Werkstück zurückreflektierten Messlichts ermittelbar ist. Insbesondere bei einer kontrollierten zeitlichen Variation der Brennweite der brennweitenvariablen Messoptik können die Zeitpunkte der Erfassung der Intensität zu bestimmten Brennweiten der brennweitenvariablen Messoptik und somit zu bestimmten Abständen zugeordnet werden, woraus auf den Abstand zwischen der Laserzieloptik und der Zielstelle zurückgeschlossen werden kann. The distance measuring device can comprise a photodetector for detecting an intensity of a measuring light reflected back from the workpiece to be machined and can be designed such that the distance can be determined based on a time profile of the detected intensity of the measuring light reflected back from the workpiece. In particular with a controlled temporal variation of the focal length of the focal length variable measuring optics, the times of the acquisition of the intensity can be assigned to certain focal lengths of the focal length variable measuring optics and thus to certain distances, from which conclusions can be drawn about the distance between the laser target optics and the target point.
Als Messlichtquelle kann eine breitbandige Infrarotlichtlichtquelle, insbesondere eine in dem nahinfraroten Spektralbereich emittierende Lichtquelle verwendet werden. Insbesondere kann zur Erzeugung des Messlichts eine nahinfrarote LED mit einer Peak-Wellenlänge von ca. 950 nm und mit einer spektralen Halbwertsbreite von ca. 50 nm eingesetzt werden. Ein solches LED-Messlicht ist ausreichend breitbandig, um störende Interferenzen bzw. Speckleeffekte zu vermeiden bzw. zu reduzieren. Andererseits ist ein solches LED-Messlicht schmalbandig genug, um unerwünschte Dispersionseffekte, wie chromatische Fokusverschiebungen, zu unterdrücken bzw. gering zu halten. A broadband infrared light source, in particular a light source emitting in the near infrared spectral range, can be used as the measuring light source. In particular, a near-infrared LED with a peak wavelength of approx. 950 nm and a spectral half-width of approx. 50 nm can be used to generate the measurement light. Such an LED measuring light has sufficient broadband to avoid or reduce disruptive interference or speckle effects. On the other hand, such an LED measuring light is narrow enough to suppress or minimize undesired dispersion effects such as chromatic focus shifts.
Die brennweitenvariable Messoptik kann als eine durchstimmbare, insbesondere als eine zyklisch durchstimmbare Messoptik ausgebildet sein. Beim Durchstimmen der Brennweite wird ein Brennweitenbereich der brennweitenvariablen Messoptik zwischen einer Minimalbrennweite und einer Maximalbrennweite abgedeckt, so dass der Fokuspunkt der Messoptik den gesamten Messbereich des optischen Sensors, beispielsweise +/- 7 mm, abdeckt. Durch das zyklische Durchstimmen der Brennweite der brennweitenvariablen Messoptik kann die Auswertung mit dem zeitlichen Variieren der Brennweite derart synchronisiert werden, dass eine eindeutige und zuverlässige Zuordnung der erfassten Messdaten zu den zu ermittelnden Abständen ermöglicht wird. The measuring optics with variable focal length can be designed as tunable, in particular cyclically tunable, measuring optics. When tuning the focal length, a focal length range of the variable focal length measuring optics is covered between a minimum focal length and a maximum focal length, so that the focal point of the measuring optics covers the entire measuring range of the optical sensor, for example +/- 7 mm. As a result of the cyclical tuning of the focal length of the measuring optics with variable focal length, the evaluation can be synchronized with the temporal variation of the focal length in such a way that a clear and reliable assignment of the recorded measurement data is made possible for the distances to be determined.
Die brennweitenvariable Optik kann insbesondere in einem divergierenden Teil eines Abbildungssystems der Abstandsmessvorrichtung angeordnet sein. Als divergierender Teil wird ein Teil des Abbildungssystems derThe focal length variable optics can in particular be arranged in a diverging part of an imaging system of the distance measuring device. As a diverging part, a part of the imaging system becomes the
Abstandsmessvorrichtung bezeichnet, in dem das Messlichtoptik einen divergierenden Messstrahl bildet. In dem divergierenden Teil der Abbildungssystem kann die brennweitenvariable Messoptik insbesondere derart positioniert werden, dass die freie Apertur der brennweitenvariablen Optik optimal ausgenutzt werden kann. Distance measuring device referred to in which the measuring light optics forms a diverging measuring beam. In the diverging part of the imaging system, the measuring optics with variable focal length can in particular be positioned in such a way that the free aperture of the variable focal length optics can be optimally used.
Die brennweitenvariable Messoptik kann eine brennweitenvariable Linse umfassen. Mit einer brennweitenvariablen Linse, insbesondere mit einer elektrisch ansteuerbaren brennweitenvariablen Linse, kann die Brennweite der Messoptik auf einfache Weise variiert werden. Die freie Apertur der brennweitenvariablen Linse kann einen Durchmesser in dem Bereich zwischen 1 und 10 mm, insbesondere zwischen 2 und 6 mm, aufweisen. Die brennweitenvariable Linse kann insbesondere in der Nähe einer Lichtkoppelstelle bzw. in der Nähe eines Faserendes angeordnet sein, aus dem das Messlicht divergierend austritt. The measuring optics with variable focal length can comprise a variable focal length lens. With a focal length variable lens, in particular with an electrically controllable focal length variable lens, the focal length of the measuring optics can be varied in a simple manner. The free aperture of the variable focal length lens can have a diameter in the range between 1 and 10 mm, in particular between 2 and 6 mm. The focal length variable lens can in particular be arranged in the vicinity of a light coupling point or in the vicinity of a fiber end from which the measuring light emerges in a divergent manner.
In einigen Ausführungen umfasst die Vorrichtung die Vorrichtung wenigstens eine Lochmaske mit mehreren Löchern zur Aufteilung des Messlichts in mehrere Teilmesslichter. Mit den Teilmesslichtern können die Abstandsmessdaten an mehreren Messstellen gleichzeitig erfasst werden. In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Lichtfaser mit einer Lichtkoppelstelle zum Ein- und Auskoppeln des Messlichts, wobei die wenigstens eine Lochmaske an der Lichtkoppelstelle angeordnet ist. Diese Anordnung der Lochmaske eignet sich für die Vorrichtungen mit einem Faserkoppler, wobei die Lichtkoppelstelle sowohl zum Auskoppeln des von der Messlichtquelle erzeugten Lichts als auch zum Einkoppeln des von dem zu bearbeitenden Werkstück zurückreflektierten Messlichts ausgebildet ist. Die Erfassung der Abstandsmessdaten an unterschiedlichen Messstellen kann in diesem Fall mit einer einzigen Lochmaske auf einfache Weise erfolgen. In some embodiments, the device comprises at least one shadow mask with a plurality of holes for dividing the measuring light into a plurality of partial measuring lights. With the partial measuring lights, the distance measuring data can be recorded at several measuring points at the same time. In one embodiment, the device comprises an optical fiber with a light coupling point for coupling the measurement light in and out, the at least one perforated mask being arranged at the light coupling point. This arrangement of the shadow mask is suitable for the devices with a fiber coupler, the light coupling point being designed both for coupling out the light generated by the measuring light source and for coupling in the measuring light reflected back from the workpiece to be processed. The acquisition of the distance measurement data at different measuring points can in this case be done in a simple manner with a single perforated mask.
Insbesondere kann die Lochmaske direkt auf die Lichtkoppelstelle bzw. auf das Ende der Lichtfaser gesetzt sein. Die Anordnung der Lochmaske an der Lichtkoppelstelle ermöglicht eine effiziente Nutzung der Lochmaske, indem im Wesentlichen das gesamte aus der Lichtkoppelstelle austretende Messlicht durch die Lochmaske erfasst wird. In particular, the perforated mask can be placed directly on the light coupling point or on the end of the optical fiber. The arrangement of the perforated mask at the light coupling point enables efficient use of the perforated mask in that essentially all of the measurement light emerging from the light coupling point is captured by the perforated mask.
Die Lichtkoppelstelle bzw. das Ende der Lichtfaser und die Lochmaske können derart dimensioniert sein, dass die Lochmaske im Wesentlichen komplett ausgeleuchtet wird. Damit kann die Fläche der Lochmaske besonders effizient genutzt werden. The light coupling point or the end of the optical fiber and the perforated mask can be dimensioned such that the perforated mask is essentially completely illuminated. The area of the shadow mask can thus be used particularly efficiently.
In einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung eine erste Lichtfaser mit einem Lichtaustrittsende und eine zweite Lichtfaser mit einem Lichteintrittsende auf, wobei eine erste Lochmaske an dem Lichtaustrittsende und eine zweite Lochmaske an dem Lichteintrittsende angeordnet ist. Diese Anordnung der Lochmasken eignet sich für die Vorrichtungen mit einem Strahlteiler, welcher zum Einkoppeln des von der Messlichtquelle erzeugten Messlichts in das Abbildungssystem der Abstandsmessvorrichtung und zum Auskoppeln des von dem zu bearbeitenden Werkstück zurückreflektierten Messlichts ausgebildet ist. In some embodiments, the device has a first light fiber with a light exit end and a second light fiber with a light entry end, a first perforated mask being arranged at the light exit end and a second perforated mask being arranged at the light entry end. This arrangement of the shadow masks is suitable for the devices with a beam splitter, which is used to couple the from the Measuring light source generated measuring light in the imaging system of the distance measuring device and designed for coupling out the measuring light reflected back from the workpiece to be machined.
Die beiden Lochmasken können derart positioniert sein, dass die Löcher der beiden Lochmasken paarweise konfokal aufeinander ausgerichtet sind. Aufgrund der paarweisen konfokalen Ausrichtung der Löcher der beiden Lochmasken werden die durch die Löcher der ersten Lochmaske erzeugten Teilmesslichtstrahlen in den entsprechenden Löchern der zweiten Lochmaske gebündelt, so dass die durch die Lochmasken verursachten Lichtverluste minimiert werden können. The two perforated masks can be positioned in such a way that the holes of the two perforated masks are aligned confocally to one another in pairs. Due to the paired confocal alignment of the holes of the two shadow masks, the partial measuring light beams generated by the holes of the first shadow mask are bundled in the corresponding holes of the second shadow mask, so that the light losses caused by the shadow masks can be minimized.
Anstatt einzelner Lichtfasern können Lichtfaserbündel verwenden werden, um eine Vielzahl der Teilmesslichter zur Erfassung der Abstandsmessdaten an unterschiedlichen Messstellen zu erzeugen. Die Lichtfaserbündel liefern dabei bereits eine Vielzahl der Teilmesslichter, so dass die Lochmasken nicht mehr benötigt werden. Die Lichtfaserbündel zur Aufteilung des Messlichts in Teilmesslichter können sowohl in der Vorrichtung mit dem Faserkoppler als auch in der Vorrichtung mit dem Strahlteiler verwenden werden, Durch die Verwendung der Lichtfaserbündel kann somit der Aufbau und die Handhabung der Vorrichtung vereinfacht werden. Instead of individual optical fibers, optical fiber bundles can be used to generate a large number of the partial measuring lights for recording the distance measuring data at different measuring points. The fiber optic bundles already supply a large number of the partial measuring lights so that the shadow masks are no longer required. The optical fiber bundles for dividing the measuring light into partial measuring lights can be used both in the device with the fiber coupler and in the device with the beam splitter. The use of the optical fiber bundles thus simplifies the construction and handling of the device.
In einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung eine Kamera auf, die derart ausgebildet ist, dass mit Hilfe der Kamera die Bearbeitungsstelle des zu bearbeitenden Werkstücks vor, während und/oder nach der Bearbeitung visuell kontrolliert werden kann. In einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung einen Detektor auf, der so ausgebildet ist, dass das Vorhandensein von Prozesslicht detektiert werden kann, wobei das Prozesslicht außerhalb der spektralen Verteilung des Laserlichts liegt. In some embodiments, the device has a camera which is designed such that the processing point of the workpiece to be processed can be visually checked with the aid of the camera before, during and / or after processing. In some embodiments, the device has a detector which is designed such that the presence of process light can be detected, the process light lying outside the spectral distribution of the laser light.
Die Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, worin gleiche Bezugsziffern zur Bezeichnung gleicher oder vergleichbarer Komponenten verwendet werden. The exemplary embodiments are explained in more detail below with reference to the drawings, in which the same reference numbers are used to designate the same or comparable components.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks gemäß einem Ausführungsbeispiel, Fig. 1 shows schematically a device for the controlled machining of a workpiece according to an embodiment,
Fig. 2 zeigt eine Lochmaske gemäß einem Ausführungsbeispiel, Fig. 2 shows a shadow mask according to an embodiment,
Fig. 3 zeigt eine Lochmaske gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, Fig. 3 shows a shadow mask according to another embodiment,
Fig. 4 zeigt eine schematische Seitenansicht auf eine Meniskuslinse gemäß einem Ausführungsbeispiel, 4 shows a schematic side view of a meniscus lens according to an embodiment,
Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Meniskuslinse der Fig. 4, FIG. 5 shows a schematic plan view of the meniscus lens of FIG. 4,
Fig. 6 zeigt schematisch einen möglichen Strahlengang in einem Abschnitt der Abstandsmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, 6 shows schematically a possible beam path in a section of the distance measuring device according to an exemplary embodiment,
Fig. 7 zeigt schematisch einen anderen möglichen Strahlengang in dem Abschnitt gemäß Fig. 6, Fig. 8 zeigt schematisch einen weiteren möglichen Strahlengang in dem Abschnitt gemäß Fig. 6, FIG. 7 schematically shows another possible beam path in the section according to FIG. 6, FIG. 8 schematically shows a further possible beam path in the section according to FIG. 6,
Fig. 9 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Intensität eines von einer Meniskuslinse zurückreflektierten Lichts, 9 shows a time course of the intensity of a light reflected back by a meniscus lens,
Fig. 10 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, Fig. 10 shows schematically a device for the controlled machining of a workpiece according to another embodiment,
Fig. 11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks gemäß einem Ausführungsbeispiel, und 11 shows a flow diagram of a method for the controlled machining of a workpiece according to an exemplary embodiment, and FIGS
Fig. 12 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. 12 shows schematically a device for the controlled machining of a workpiece according to a further exemplary embodiment.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Laserlichtquelle 2 zur Erzeugung eines Laserlichtstrahls 3 für die Bearbeitung des zu bearbeitenden Werkstücks 4. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Laserzieloptik 5 zum Zielen bzw. zum gezielten Fokussieren des Laserlichtstrahls 3 zu einem Fokuspunkt F an eine Zielstelle 6 des zu bearbeitenden Werkstücks 4. 1 shows schematically a device for the controlled machining of a workpiece according to an exemplary embodiment. The device 1 comprises a laser light source 2 for generating a laser light beam 3 for processing the workpiece 4 to be processed. Furthermore, the device 1 comprises a laser target optics 5 for aiming or for the targeted focusing of the laser light beam 3 to a focal point F at a target point 6 of the workpiece to be processed Workpiece 4.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Abstandsmessvorrichtung 7 zur Ermittlung eines Abstandes zwischen der Zielstelle 6 des zu bearbeitenden Werkstücks 4 und der Laserzieloptik 5. Die Abstandsmessvorrichtung 7 ist als eine optisch-konfokale Abstandsmessvorrichtung ausgebildet und umfasst eine Messlichtquelle 8 zur Erzeugung eines Messlichts und einen Fotodetektor 9 zur Erfassung eines von dem Werkstück 4 zurückreflektierten Messlichts. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Abstandsmessvorrichtung 7 einen Abstandsmessbereich H von +/- 7 mm um eine Nullebene 0 auf. The device 1 comprises a distance measuring device 7 for determining a distance between the target point 6 of the workpiece 4 to be processed and the laser target optics 5. The distance measuring device 7 is designed as an optical-confocal distance measuring device and comprises a Measuring light source 8 for generating a measuring light and a photodetector 9 for detecting a measuring light reflected back from the workpiece 4. In this exemplary embodiment, the distance measuring device 7 has a distance measuring range H of +/- 7 mm around a zero plane 0.
Die Messlichtquelle 8 ist mit einer ersten Lichtfaser 10 an einer ersten Anschlussstelle 11 eines in Form eines Y-Kopplers ausgebildeten Faserkopplers 12 verbunden. Der Fotodetektor 9 ist mit einer zweiten Lichtfaser 13 an einer zweiten Anschlussstelle 14 des Faserkopplers 12 verbunden. An einer dritten Anschlussstelle 15 des Faserkopplers 12 ist eine dritte Lichtfaser 16 mit einem ersten Ende angeschlossen, wobei das zweite Ende der dritten Lichtfaser 16 als eine Lichtkoppelstelle 17 zum Ein- und Auskoppeln des Messlichts ausgebildet ist. Die erste Lichtfaser 10, die zweite Lichtfaser 13 und die dritte Lichtfaser 16 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Multi-Mode-Fasern ausgebildet, die in der Lage sind, ein breitbandiges Licht im nahinfraroten Spektralbereich zu übertragen. The measuring light source 8 is connected to a first optical fiber 10 at a first connection point 11 of a fiber coupler 12 in the form of a Y-coupler. The photodetector 9 is connected to a second optical fiber 13 at a second connection point 14 of the fiber coupler 12. At a third connection point 15 of the fiber coupler 12, a third optical fiber 16 is connected with a first end, the second end of the third optical fiber 16 being designed as a light coupling point 17 for coupling the measurement light in and out. In this exemplary embodiment, the first optical fiber 10, the second optical fiber 13 and the third optical fiber 16 are designed as multi-mode fibers which are capable of transmitting broadband light in the near-infrared spectral range.
Der Lichtkoppelstelle 17 ist eine Kollimationslinse 18 nachgeschaltet, wobei zwischen der Lichtkoppelstelle 17 und der Kollimationslinse 18 eine brennweitenvariable Linse 19 angeordnet ist. Die Lichtkoppelstelle 17 ist derart ausgebildet, dass das Messlicht aus der Lichtkoppelstelle 17 divergierend austritt, so dass sich in dem Bereich zwischen der Lichtkoppelstelle 17 und der Kollimationslinse 18 ein divergierender Messlichtstrahl ergibt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die brennweitenvariable Linse 19 eine elektrisch ansteuerbare brennweitenvariable Linse EL-03-10 der Firma Optotune. In dem Strahlengang des Laserlichtstrahls 3 ist eine erste Ablenkplatte 30 zum Einkoppeln und zum Auskoppeln des Messlichts in den Strahlengang des Laserlichtstrahls 3 bzw. in die Laserzieloptik 5 angeordnet. Die Ablenkplatte 30 kann derart ausgebildet sein, dass sich das Messlicht in dem Strahlengang des Laserlichtstrahls koaxial zu dem Laserlichtstrahl 3, insbesondere entlang einer für das Messlicht und für den Laserlichtstrahl gemeinsamen optischen Achse A, fortpflanzen kann. The light coupling point 17 is followed by a collimation lens 18, a focal length variable lens 19 being arranged between the light coupling point 17 and the collimation lens 18. The light coupling point 17 is designed in such a way that the measuring light emerges from the light coupling point 17 in a divergent manner, so that a diverging measuring light beam results in the area between the light coupling point 17 and the collimation lens 18. In this exemplary embodiment, the variable focal length lens 19 is an electrically controllable variable focal length lens EL-03-10 from Optotune. Arranged in the beam path of the laser light beam 3 is a first deflection plate 30 for coupling in and for coupling out the measuring light into the beam path of the laser light beam 3 or into the laser target optics 5. The deflection plate 30 can be designed in such a way that the measuring light can propagate in the beam path of the laser light beam coaxially to the laser light beam 3, in particular along an optical axis A common to the measuring light and the laser light beam.
Die Vorrichtung 1 weist ferner eine zweite Ablenkplatte 31 auf, die in dem Strahlengang des Laserlichtstrahls zwischen der ersten Ablenkplatte 30 und der Laserzieloptik 5 positioniert ist. Eine Kamera 32 ist über eine zweite Kollimationslinse 33 und die zweite Ablenkplatte 31 optisch mit der Laserzieloptik 5 derart gekoppelt, dass mit Hilfe der Kamera 32 die Bearbeitungsstelle des zu bearbeitenden Werkstücks visuell kontrolliert werden kann. Die Ablenkplatten 30 und 31 sind als für das Laserlicht durchlässige bzw. teildurchlässige Platten ausgebildet, so dass der Strahlengang des Laserlichtstrahls durch die Ablenkplatten 30 und 31 nicht oder nur geringfügig gestört wird. The device 1 also has a second deflection plate 31 which is positioned in the beam path of the laser light beam between the first deflection plate 30 and the laser target optics 5. A camera 32 is optically coupled to the laser target optics 5 via a second collimation lens 33 and the second deflection plate 31 in such a way that the processing point of the workpiece to be processed can be visually checked with the aid of the camera 32. The deflection plates 30 and 31 are designed as plates which are transparent or partially transparent to the laser light, so that the beam path of the laser light beam is not or only slightly disturbed by the deflection plates 30 and 31.
In einigen Ausführungsformen wird das Licht für die Kamera 32 mit der Ablenkplatte 31 zwischen dem Laser 2 und der Ablenkplatte 30 abgezweigt. Durch eine Abzweigung des Kameralichts zwischen dem Laser und der Ablenkplatte 30 wird die Abstandsmessung durch die Ablenkplatte 31 für die Abzweigung des Kameralichts nicht beeinträchtigt. In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird der Laserlichtstrahl 3 durch die Ablenkplatte 30 bzw. Ablenkplatte 31 und somit transmissiv in die Laserzieloptik 5 eingekoppelt. In alternativen Ausführungsformen wird der Laserlichtstrahl 3 reflektiv bzw. mittels eines Laserstrahlspiegels in die Laserzieloptik 5 eingekoppelt. In some embodiments, the light for the camera 32 is branched off with the deflector 31 between the laser 2 and the deflector 30. By branching off the camera light between the laser and the deflection plate 30, the distance measurement by the deflection plate 31 for the branching off of the camera light is not impaired. In the arrangement shown in FIG. 1, the laser light beam 3 is coupled through the deflection plate 30 or deflection plate 31 and thus transmissively into the laser target optics 5. In alternative embodiments, the laser light beam 3 is coupled into the laser target optics 5 in a reflective manner or by means of a laser beam mirror.
Insbesondere kann der Laserstrahl seitlich bzw. senkrecht zu der gemeinsamen optischen Achse A in das optische System der Vorrichtung 1 reflektiv eingekoppelt werden. In einer solchen Anordnung wäre beispielsweise anstelle der Kamera 32 und der Kollimationslinse 33 der Laser 2 und anstelle der Ablenkplatte 31 ein Laserstrahlspiegel angeordnet. Als Laserstrahlspiegel kann ein für das Messlicht wenigstens teilweise durchlässiger Laserstrahlspiegel eingesetzt werden. Auch andere Konfigurationen des Lichtstrahlengangs sind möglich, in denen die hier beschriebenen Prinzipien verwirklicht werden können. In einer nichteinschränkenden Ausführungsform wird das Messlicht koaxial bzw. entlang der gemeinsamen optischen Achse A in den Strahlengang des Laserstrahls eingekoppelt. In particular, the laser beam can be coupled reflective into the optical system of the device 1 laterally or perpendicular to the common optical axis A. In such an arrangement, for example, the laser 2 would be arranged instead of the camera 32 and the collimation lens 33, and a laser beam mirror would be arranged instead of the deflection plate 31. A laser beam mirror which is at least partially permeable to the measurement light can be used as the laser beam mirror. Other configurations of the light beam path are also possible in which the principles described here can be implemented. In a non-limiting embodiment, the measuring light is coupled coaxially or along the common optical axis A into the beam path of the laser beam.
In einigen Ausführungsformen der Laserzieloptik 5 ist die Fokussierlinse 50 dem Spiegelpaar 51 nachgeschaltet, so dass der Laserstrahl 3 erst durch das Spiegelpaar 51 ausgerichtet wird, bevor der ausgerichtete Laserstrahl 3 durch die Fokussierlinse 50 an der Zielstelle fokussiert werden kann. In some embodiments of the laser target optics 5, the focusing lens 50 is connected downstream of the mirror pair 51, so that the laser beam 3 is first aligned by the mirror pair 51 before the aligned laser beam 3 can be focused on the target point by the focusing lens 50.
Die Vorrichtung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weist ferner eine Auswerte-Steuereinheit 40 auf. Die Auswerte- Steuereinheit 40 umfasst eine Auswerteeinheit 41 zur Auswertung der erfassten Abstandsmessdaten, eine Linsensteuereinheit 42 zur Steuerung der Brennweite der brennweitenvariablen Linse 19 sowie eineThe device 1 according to the exemplary embodiment in FIG. 1 also has an evaluation control unit 40. The evaluation control unit 40 comprises an evaluation unit 41 for evaluating the detected distance measurement data, a lens control unit 42 for controlling the focal length of the Variable focal length lens 19 and one
Positionierungssteuereinheit 43 zur Positionierung des zu bearbeitenden Werkstücks bezüglich des Laserfokuspunktes. Die Auswerteeinheit 41 ist über eine Signalleitung 44 mit einem Ausgang des Fotodetektors 9 verbunden. Die Linsensteuereinheit 42 ist über eine Linsenkontrollleitung 45 mit einem Steuerungsanschluss der brennweitenvariablen Linse 19 verbunden. Die Positioniereinheit 43 ist über eine Positionierungskontrollleitung 46 mit einem Positionierer 47 zur Positionierung des zu bearbeitenden Werkstücks 4 verbunden. Positioning control unit 43 for positioning the workpiece to be machined with respect to the laser focus point. The evaluation unit 41 is connected to an output of the photodetector 9 via a signal line 44. The lens control unit 42 is connected to a control connection of the variable focal length lens 19 via a lens control line 45. The positioning unit 43 is connected via a positioning control line 46 to a positioner 47 for positioning the workpiece 4 to be machined.
Als Laserlichtquelle wird in diesem Ausführungsbeispiel ein YAG-Laser verwendet, der eine optische Strahlung in dem Wellenlängenbereich zwischen 1030 nm und 1070 nm generiert.In this exemplary embodiment, a YAG laser is used as the laser light source, which generates optical radiation in the wavelength range between 1030 nm and 1070 nm.
Als Laserlichtquelle können auch andere, insbesondere in dem nahinfraroten Spektralbereich emittierender Festkörperlaser oder Gaslaser, beispielsweise CO2-Laser, eingesetzt werden.Other solid-state lasers, in particular those emitting in the near-infrared spectral range, or gas lasers, for example CO2 lasers, can also be used as the laser light source.
Die in dem nahinfraroten Spektralbereich emittierenden Laser eignen sich gut für Materialbearbeitung. Denn diese Laser sind in der Lage, die Leistungen im kW-Bereich und die für Materialbearbeitung erforderlichen hohen Leistungsdichten der optischen Strahlung bereitzustellen. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Laserleistungssteuerung, die dazu ausgebildet ist, die Leistung des Lasers 2 zu steuern, und eine Laserfokussierungssteuerung mit einer steuerbaren Fokussieroptik, die im Strahlengang des Lasers angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Laserfokussierung zu steuern. Die Laserleistungssteuerung und Laserfokussierungssteuerung werden zur Vereinfachung der Darstellung in Fig. 1 nicht dargestellt. Als Messlichtquelle wird in diesem Ausführungsbeispiel eine breitbandige nahinfrarote LED mit einer Peak-Wellenlänge von ca. 950 nm und mit einer spektralen Halbwertsbreite von ca. 50 nm verwendet. Ein solches LED-Messlicht ist ausreichend breitbandig, um störende Interferenzen bzw. Speckleeffekte zu vermeiden bzw. zu reduzieren. Andererseits ist ein solches LED-Messlicht schmalbandig genug, um unerwünschte Dispersionseffekte, wie chromatische Fokusverschiebung, zu unterdrücken bzw. gering zu halten. The lasers emitting in the near-infrared spectral range are well suited for material processing. This is because these lasers are able to provide the power in the kW range and the high power densities of the optical radiation required for material processing. The device 1 further comprises a laser power control, which is designed to control the power of the laser 2, and a laser focusing control with controllable focusing optics, which are arranged in the beam path of the laser and are designed to control the laser focusing. The laser power control and laser focusing control are not shown in FIG. 1 to simplify the illustration. In this exemplary embodiment, a broadband near-infrared LED with a peak wavelength of approx. 950 nm and a spectral half-width of approx. 50 nm is used as the measurement light source. Such an LED measuring light has sufficient broadband to avoid or reduce disruptive interference or speckle effects. On the other hand, such an LED measuring light is narrow enough to suppress or minimize undesired dispersion effects such as chromatic focus shift.
In der Ausführungsform der Fig. 1 umfasst die Laserzieloptik 5 bzw. der Scanner eine Fokussierlinse 50 und ein steuerbares Spiegelpaar 51 zum Ausrichten der fokussierten Strahlung auf die Zielstelle 6 des zu bearbeitenden Werkstücks 4 und ggf. zum Fahren mit dem fokussierten Laserstrahl über ein Bearbeitungsfeld des zu bearbeitenden Werkstücks 4. Das Spiegelpaar 51 kann insbesondere als ein Galvospiegelpaar ausgebildet sein, das elektrisch auf einfache Weise angesteuert werden kann. In the embodiment of FIG. 1, the laser target optics 5 or the scanner comprises a focusing lens 50 and a controllable pair of mirrors 51 for aligning the focused radiation to the target point 6 of the workpiece 4 to be processed and, if necessary, for moving the focused laser beam over a processing field of the workpiece 4 to be machined. The pair of mirrors 51 can in particular be designed as a pair of galvo mirrors which can be controlled electrically in a simple manner.
Die Fokussierlinse 50 weist eine Brennweite von ca. 180 mm auf. Der Durchmesser des Laserstrahls 3 vor dem Eintritt in die Laserzieloptik 5 beträgt etwa 10 mm. Die Laserzieloptik 5 ist derart dimensioniert, dass der Laserstrahl 3 ein Bearbeitungsfeld von etwa 80 mm X 80 mm bearbeiten kann. The focusing lens 50 has a focal length of approximately 180 mm. The diameter of the laser beam 3 before it enters the laser target optics 5 is approximately 10 mm. The laser target optics 5 is dimensioned in such a way that the laser beam 3 can process a processing area of approximately 80 mm × 80 mm.
In einigen Ausführungsformen ist die Laserzieloptik 5 als eine telezentrische Laserzieloptik ausgebildet. Durch die telezentrische Ausbildung der Laserzieloptik wird ermöglicht, dass das zu bearbeitende Werkstück in unterschiedlichen Entfernungen von der Vorrichtung mit dem Laserstrahl bearbeitet werden kann. Der Positionierer 47 kann insbesondere zur Positionierung und/oder Orientierung des zu bearbeitenden Werkstücks 4 bezüglich des Laserstrahlfokuspunktes ausgebildet sein und insbesondere einen oder mehrere Aktuatoren umfassen, mit einem oder mehreren Steuersignalen von derIn some embodiments, the laser aiming optics 5 are designed as telecentric laser aiming optics. The telecentric design of the laser target optics enables the workpiece to be machined to be machined with the laser beam at different distances from the device. The positioner 47 can in particular be designed for positioning and / or orientation of the workpiece 4 to be machined with respect to the laser beam focus point and can in particular comprise one or more actuators with one or more control signals from the
Positionierungssteuereinheit 46 zur Positionierung bzw. zur Orientierung des zu bearbeitenden Werkstücks 4 angesteuert werden können. Die Möglichkeit der Orientierung des Werkstücks wird in Fig. 1 durch Koordinatenachsen symbolisch dargestellt. Positioning control unit 46 for positioning or orienting the workpiece 4 to be machined can be controlled. The possibility of orienting the workpiece is symbolically represented in FIG. 1 by means of coordinate axes.
In einigen Ausführungsformen, wie in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel, weist die Vorrichtung 1 eine Lochmaske 60 bzw. Blende auf, welche in dem Strahlengang der Abstandsmessvorrichtung 7 angeordnet ist. Die Lochmaske 60 weist mehrere Löcher 61 auf, die unten in Figuren 2 und 3 deutlich zu sehen sind. Die Lochmaske 60 ist zwischen der Lichtkoppelstelle 17 und der brennweitenvariablen Linse 19 derart positioniert, dass das Messlicht durch die Lochmaske 60 in mehrere Teile zur gleichzeitigen Erfassung der Abstandsmessdaten an mehreren Stellen auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 4 aufgeteilt wird. In dem in Fig. In some embodiments, as in the example shown in FIG. 1, the device 1 has a perforated mask 60 or diaphragm which is arranged in the beam path of the distance measuring device 7. The perforated mask 60 has several holes 61, which can be clearly seen below in FIGS. 2 and 3. The perforated mask 60 is positioned between the light coupling point 17 and the variable focal length lens 19 in such a way that the measuring light is divided by the perforated mask 60 into several parts for the simultaneous acquisition of the distance measurement data at several points on the surface of the workpiece 4 to be machined. In the one shown in Fig.
1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Lochmaske direkt auf das als die Lichtkoppelstelle 17 fungierendes Faserende gesetzt, so dass das Faserende auch als Halterung für die Lochmaske 60 dient. 1, the perforated mask is placed directly on the fiber end functioning as the light coupling point 17, so that the fiber end also serves as a holder for the perforated mask 60.
In einigen Ausführungsbeispielen weist die Lichtfaser, an deren Ende die Lochmaske aufgesetzt wird, einen ausreichenden Durchmesser auf, um die Lochmaske 60 im Wesentlichen vollständig auszuleuchten und das zurückreflektierte Licht im Wesentlichen über alle Löcher 61 der Lochmaske 60 einzufangen. In einigen Ausführungsbeispielen wird anstatt der Faser 16 mit der Lochmaske 60 ein Faserbündel verwendet, welches ähnlich wie die Faser 16 der Fig. 1 mit einem Faserkoppler gekoppelt ist. In some exemplary embodiments, the optical fiber, at the end of which the shadow mask is placed, has a diameter that is sufficient to illuminate the shadow mask 60 essentially completely and to capture the light reflected back through essentially all of the holes 61 of the shadow mask 60. In some exemplary embodiments, instead of the fiber 16 with the perforated mask 60, a fiber bundle is used which, similar to the fiber 16 in FIG. 1, is coupled with a fiber coupler.
In einigen Ausführungsformen, wie in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel, weist die Vorrichtung 1 zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks eine Meniskuslinse 80 auf, welche zwischen der brennweitenvariablen Linse 19 und der Kollimationslinse 18 positioniert ist. In some embodiments, as in the example shown in FIG. 1, the device 1 for the controlled machining of a workpiece has a meniscus lens 80 which is positioned between the focal length variable lens 19 and the collimation lens 18.
Die Meniskuslinse 80 weist eine im Wesentlichen sphärische konkave Oberfläche 81 und eine im Wesentlichen sphärische konvexe Oberfläche 82 auf. Die konkave Oberfläche 81 bzw. die konkave Seite der Meniskuslinse 80 ist der brennweitenabstimmbaren Linse 19 zugewandt und die konvexe Oberfläche 82 bzw. die konvexe Seite der Meniskuslinse 80 ist der Kollimationslinse 18 zugewandt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Meniskuslinse 80 in der Mitte ein kreisförmiges Loch 83 auf. The meniscus lens 80 has a substantially spherical concave surface 81 and a substantially spherical convex surface 82. The concave surface 81 or the concave side of the meniscus lens 80 faces the focal length adjustable lens 19 and the convex surface 82 or the convex side of the meniscus lens 80 faces the collimation lens 18. In the exemplary embodiment shown, the meniscus lens 80 has a circular hole 83 in the center.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird ein Teil des in der Messlichtquelle 8 erzeugten Lichts durch die erste Lichtfaser 10, über den Faserkoppler 12 und über die dritte Lichtfaser 16 zu der Lichtkoppelstelle 17 geleitet. Von der Lichtkoppelstelle 17 tritt das Messlicht divergierend aus, wonach das Messlicht durch die brennweitenvariable Linse 19 und die Kollimationslinse 18 hindurchtritt, und durch die Ablenkplatte 30 in den Strahlengang des Laserlichtstrahls 3 eingekoppelt wird. Das in den Strahlengang des Laserlichtstrahls 3 eingekoppelte Messlicht kann dann durch die Laserzieloptik 5 hindurch zu dem zu bearbeitenden Werkstück 4 gelangen. During operation of the device 1, part of the light generated in the measuring light source 8 is guided through the first optical fiber 10, via the fiber coupler 12 and via the third optical fiber 16 to the light coupling point 17. The measuring light emerges diverging from the light coupling point 17, after which the measuring light passes through the variable focal length lens 19 and the collimation lens 18 and is coupled into the beam path of the laser light beam 3 by the deflection plate 30. The measuring light coupled into the beam path of the laser light beam 3 can then pass through the laser target optics 5 pass through to the workpiece 4 to be processed.
Beim Eintreffen des Messlichts auf das Werkstück 4 kann ein Teil des Messlichts zurückreflektiert werden und über die Laserzieloptik 5, die Kollimationslinse 18, die brennweitenvariable Linse 19 und die Lichtkoppelstelle 17 in die dritte Lichtfaser 16 gelangen. Ein Teil des Messlichts wird dabei an dem Faserkoppler 12 über die zweite Faser 13 zu dem Fotodetektor 9 abgezweigt. Der Fotodetektor 9 liefert ein Messsignal über die Signalleitung 44 an die Auswerteeinheit 41 zur Auswertung. Die Auswerteeinheit 41 ist dazu ausgebildet, einen zeitlichen Verlauf der Intensität des von dem Fotodetektor 9 erfassten Lichts auszuwerten. Die Auswerteeinheit 41 ist ferner dazu ausgebildet, aus dem zeitlichen Verlauf der Intensität Abstände zwischen der Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks und der Laserzieloptik abzuleiten. When the measuring light hits the workpiece 4, part of the measuring light can be reflected back and reach the third optical fiber 16 via the laser target optics 5, the collimation lens 18, the variable focal length lens 19 and the light coupling point 17. A part of the measurement light is branched off at the fiber coupler 12 via the second fiber 13 to the photodetector 9. The photodetector 9 supplies a measurement signal via the signal line 44 to the evaluation unit 41 for evaluation. The evaluation unit 41 is designed to evaluate a time profile of the intensity of the light detected by the photodetector 9. The evaluation unit 41 is also designed to derive distances between the target point of the workpiece to be processed and the laser target optics from the time profile of the intensity.
Die brennweitenvariable Linse 19 kann insbesondere derart zyklisch gesteuert werden, dass die Brechkraft der brennweitenvariablen Linse um beispielsweise +/- 13 Dioptrien durgestimmt wird, wobei der Fokuspunkt des Messlichtes entlang der optischen Achse um ca. +/- 7 mm verschoben wird. An zwei verschiedenen Zeitpunkten innerhalb eines Zyklus liegt der Messstrahlfokus auf der Oberfläche des Messobjekts bzw. des zu bearbeitenden Werkstücks, so dass der Reflex vom Messlichtfleck auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks scharf auf das Faserende bzw. Lichtkoppelstelle 17 abgebildet wird, was ein Intensitätsmaximum bei dem durch den Fotodetektor erfassten Licht verursacht. Über einen vorbekannten bzw. durch Kalibrierungsmessungen ermittelbaren Zusammenhang zwischen Zykluszeitpunkten und Positionen des Fokuspunktes des Messlichts kann anhand der Zeitpunkte, an denen Intensitätsmaxima des durch den Fotodetektor erfassten Lichtes beobachtet wird, kann der Abstand des zu bearbeitenden Werkstücks bestimmt werden. The variable focal length lens 19 can in particular be controlled cyclically in such a way that the refractive power of the variable focal length lens is tuned by, for example, +/- 13 diopters, the focal point of the measuring light being shifted by approx. +/- 7 mm along the optical axis. At two different points in time within a cycle, the measuring beam focus is on the surface of the measuring object or the workpiece to be processed, so that the reflection from the measuring light spot on the surface of the workpiece to be processed is sharply imaged onto the fiber end or light coupling point 17, which is an intensity maximum caused by the light detected by the photodetector. A relationship between cycle times and positions of the focal point of the measurement light, which is known or can be determined by calibration measurements, can be used to determine the distance of the workpiece to be processed based on the times at which intensity maxima of the light detected by the photodetector are observed.
Insbesondere kann die Kalibriermessung zur Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Zykluszeitpunk und Abstand der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks bereits im Vorfeld bzw. vor der Laserbearbeitung durchgeführt werden. Die Kalibrierungsmessung kann über ein zweidimensionales Raster von Lateralpositionen des Scanners bzw. der Laserzieloptik erfolgen. Anhand des ermittelten Zusammenhangs kann dann aus dem Zeitpunkt des Intensitätsmaximums in einem Zyklus der Abstand der Oberfläche bzw. der Abstand zwischen der Laserzieloptik 5 und der Zielstelle 6 des zu bearbeitenden Werkstücks ermittelt werden. In particular, the calibration measurement to determine the relationship between the cycle time point and the distance between the surface of the workpiece to be machined can be carried out in advance or before the laser machining. The calibration measurement can take place via a two-dimensional grid of lateral positions of the scanner or the laser target optics. On the basis of the determined relationship, the distance of the surface or the distance between the laser target optics 5 and the target point 6 of the workpiece to be processed can then be determined from the point in time of the intensity maximum in one cycle.
Die zyklische Variation bzw. Modulation der Brennweite der brennweitenvariablen Linse 19 wird in Fig. 1 durch eine gezackte Kurve in der Linsensteuereinheit 42 symbolisch dargestellt. Der Zusammenhang zwischen den Zyklen der Brennweitenvariation der brennweitenvariablen Linse 19 und dem Auftreten der Intensitätsmaxima wird in Fig. 1 schematisch durch gestrichelte Linien verdeutlicht, die sich zwischen der Sägezahnkurve der Linsensteuereinheit 42 und einer in der Auswerteeinheit 41 dargestellten Intensitätskurve mit der Zeitkoordinate t erstrecken. The cyclical variation or modulation of the focal length of the variable focal length lens 19 is symbolically represented in FIG. 1 by a jagged curve in the lens control unit 42. The relationship between the cycles of the focal length variation of the focal length variable lens 19 and the occurrence of the intensity maxima is illustrated schematically in Fig. 1 by dashed lines which extend between the sawtooth curve of the lens control unit 42 and an intensity curve shown in the evaluation unit 41 with the time coordinate t.
Das durch die Lochmaske 60 aufgeteilte Messlicht ermöglicht eine gleichzeitige Erfassung der Abstandsmessdaten an mehreren Stellen auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 4. Insbesondere gelingt das von dem Werkstück zurückreflektierte Messlicht ebenfalls durch die Löcher 61 der Lochmaske 60 über die Koppelstelle 17 in die Faser 16, so dass es mit dem Fotodetektor 9 erfasst werden kann. Die von dem Fotodetektor 9 erfasste Lichtintensität entspricht dabei der Gesamtintensität des über die sämtlichen Löcher 61 der Lochmaske 60 eingesammelten von den sämtlichen Messstellen zurückreflektierten Lichts, so dass eine physikalische Mittelung der Intensitätsunterschiede zwischen den von unterschiedlichen Stellen zurückreflektierten Lichts aufgrund der optischen Anordnung stattfindet. Die physikalische Mittelung der verschiedene Löcher 61 der Lochmaske 60 erfassten Lichtintensitäten kann die Auswertung der Messdaten erheblich vereinfachen, da die Abstandermittlung nicht für jede Stelle einzeln erfolgen muss. Vielmehr kann die Abstandsermittlung bereits anhand der physikalisch gemittelten Abstandsmessdaten, insbesondere Intensitätsdaten, für die durch die Lochmaske 60 erzeugten sämtlichen Stellen erfolgen. The measurement light divided by the perforated mask 60 enables the distance measurement data to be recorded at several at the same time Points on the surface of the workpiece 4 to be machined. In particular, the measurement light reflected back by the workpiece also passes through the holes 61 of the perforated mask 60 via the coupling point 17 into the fiber 16, so that it can be detected with the photodetector 9. The light intensity detected by the photodetector 9 corresponds to the total intensity of the light collected via all the holes 61 of the perforated mask 60 and reflected back from all the measuring points, so that a physical averaging of the intensity differences between the light reflected back from different points takes place due to the optical arrangement. The physical averaging of the different holes 61 of the perforated mask 60 detected light intensities can considerably simplify the evaluation of the measurement data, since the distance determination does not have to be carried out individually for each point. Rather, the distance can already be determined on the basis of the physically averaged distance measurement data, in particular intensity data, for all of the locations generated by the perforated mask 60.
Aufgrund der Anordnung der Meniskuslinse 80 kann das von den Oberflächen 81 und 82 der Meniskuslinse 80 zurückreflektierte Licht über die Lichtkoppelstelle 17 in die Faser 16 gelangen und von dem Fotodetektor 9 erfasst werden. Due to the arrangement of the meniscus lens 80, the light reflected back from the surfaces 81 and 82 of the meniscus lens 80 can reach the fiber 16 via the light coupling point 17 and be detected by the photodetector 9.
Insbesondere wenn die aus der brennweitenvariablen Linse 19 austretenden Lichtstrahlen senkrecht auf eine der beiden Oberflächen 81 und 82 der Meniskuslinse 80 treffen, wird ein maximaler Anteil des Lichts von der entsprechenden Oberfläche 81 bzw. 82 der Meniskuslinse 80 durch die brennweitenvariable Linse 19 wieder zurück in die Faser 16 reflektiert. Eine derartige Strahlenkonfiguration kann somit anhand eines entsprechenden Intensitätspeaks des zurückreflektierten Lichts erkannt werden, wobei jede der beiden Oberflächen 81 und 82 der Meniskuslinse 80 für einen eigenen Intensitätspeak verantwortlich ist. In particular, if the light rays emerging from the variable focal length lens 19 strike one of the two surfaces 81 and 82 of the meniscus lens 80 perpendicularly, a maximum proportion of the light from the corresponding surface 81 or 82 of the meniscus lens 80 is returned to the focal length variable lens 19 back into the Fiber 16 reflects. Such a beam configuration can thus be based on a corresponding intensity peaks of the light reflected back are recognized, each of the two surfaces 81 and 82 of the meniscus lens 80 being responsible for its own intensity peak.
In einigen Ausführungsbeispielen ist die Meniskuslinse so dimensioniert, dass die Peaks jeweils zu Beginn bzw. am Ende eines wiederholten Zeitzyklus während des Durchstimmens der brennweitenvariablen Linse 19 auftreten. Die Lage jedes der beiden Peaks entspricht dabei stets jeweils einem konstanten Wert der Brennweite der Brennweitenvariablen Linse 19 und daher konstant demselben Abstand. Unter Einfluss von Temperaturänderungen kann sich insbesondere die Relation zwischen Zeitverlauf und Abstandswert ändern. Signifikanten Einfluss hat die durchstimmbare Linse, so dass sich die Zuordnung zwischen Ansteuerwert und Brennweite der brennweitenvariablen Linse 19 bei Temperaturschwankungen ändern kann. Da die durch die Meniskuslinse 80 verursachten Intensitätspeaks jeweils bei gleicher Brennweite der brennweitenvariablen Linse 19 auftreten, kann die brennweitenvariable Linse 19 bzw. der Zusammenhang zwischen Zeitverlauf und Abstand anhand von diesen Peaks präzise kalibriert werden. Denn im Unterschied zu der brennweitenvariablen Linse 19 weist die Meniskuslinse 80 eine vernachlässigbare Temperaturabhängigkeit auf. In some exemplary embodiments, the meniscus lens is dimensioned in such a way that the peaks occur at the beginning or at the end of a repeated time cycle during the tuning of the focal length variable lens 19. The position of each of the two peaks always corresponds to a constant value of the focal length of the variable focal length lens 19 and therefore constantly to the same distance. Under the influence of temperature changes, in particular the relationship between the course of time and the distance value can change. The tunable lens has a significant influence, so that the association between the control value and the focal length of the variable focal length lens 19 can change in the event of temperature fluctuations. Since the intensity peaks caused by the meniscus lens 80 each occur with the same focal length of the variable focal length lens 19, the variable focal length lens 19 or the relationship between the time course and distance can be precisely calibrated on the basis of these peaks. This is because, in contrast to the variable focal length lens 19, the meniscus lens 80 has a negligible temperature dependency.
Durch das kreisförmige Loch 83 in der Mitte der Meniskuslinse 80 gehen die Strahlen des Messlichts ungestört durch die Meniskuslinse hindurch, so dass nur die Randstrahlen von der Meniskuslinse 80 zurückreflektiert werden können. Durch die Wahl der Linsenfläche bzw. der Lochgröße lässt sich die Intensität der Reflexe einstellen, so dass die Intensität des von der Meniskuslinse 80 zurückreflektierten Lichts hoch genug ist, um als Kalibriersignal zu dienen, aber auch nicht so hoch, dass das Messsignal bzw. das Intensitätssignal des von dem zu bearbeitenden Objekt zurückreflektierten Messlichts durch die Reflexe der Meniskuslinse überschattet wird. In einigen Ausführungsformen ist das Loch 83 so dimensioniert, dass der Hauptteil des Messlichts ohne Reflexion durch das Loch 83 der Meniskuslinse 80 durchgeht. The beams of the measuring light pass through the circular hole 83 in the center of the meniscus lens 80 undisturbed through the meniscus lens, so that only the edge beams can be reflected back by the meniscus lens 80. By choosing the lens surface or the hole size, the intensity of the reflections can be adjusted so that the intensity of the light reflected back from the meniscus lens 80 is high enough to serve as a calibration signal, but also not so high that the measurement signal or the intensity signal of the measurement light reflected back from the object to be processed is overshadowed by the reflections of the meniscus lens. In some embodiments, the hole 83 is dimensioned so that the majority of the measurement light passes through the hole 83 of the meniscus lens 80 without being reflected.
In einigen Ausführungsformen ist der Meniskuslinse 80 eine Blende nachgeschaltet, die dazu eingerichtet ist, den inneren Strahlteil des Messlichts durchzulassen und die den äußeren Strahlteil des Messlichts abzuschneiden. Somit können insbesondere die durch die Meniskuslinse 80 beeinflussten Strahlen von der Messung ausgeschlossen werden. In some embodiments, the meniscus lens 80 is followed by a diaphragm which is configured to allow the inner beam part of the measuring light to pass through and which cut off the outer beam part of the measuring light. Thus, in particular the rays influenced by the meniscus lens 80 can be excluded from the measurement.
In einigen Ausführungsformen weist die Meniskuslinse 80 kein Loch auf, wobei die Meniskuslinse 80 wenigstens auf einer der beiden Oberflächen 81, 82 eine Beschichtung aufweist. Die Dicke bzw. die Reflektivität der Beschichtung kann so gewählt werden, dass das Messsignal durch die Reflexionsanteile der Meniskuslinse nicht überschattet wird. In einigen Ausführungsbeispielen weist die Meniskuslinse 80 eine Antireflexionsbeschichtung auf, deren Reflexionsanteil in dem Wellenlängenbereich des Messlichts weniger als 4 % beträgt. In some embodiments, the meniscus lens 80 does not have a hole, the meniscus lens 80 having a coating on at least one of the two surfaces 81, 82. The thickness or the reflectivity of the coating can be selected so that the measurement signal is not overshadowed by the reflection components of the meniscus lens. In some exemplary embodiments, the meniscus lens 80 has an anti-reflection coating, the reflection portion of which in the wavelength range of the measuring light is less than 4%.
In einigen Ausführungsformen weist die Meniskuslinse 80 beides, sowohl das kreisförmige Loch 83 als auch die Beschichtung, auf, wobei die Dimensionierung des kreisförmigen Lochs 83 und die Dicke der Beschichtung so gewählt sein kann, dass ein ausreichend starkes Kalibriersignal erzielt wird, ohne dabei das Messignal zu überschatten bzw. allzu stark zu beeinträchtigen. In some embodiments, the meniscus lens 80 has both the circular hole 83 and the coating, wherein the dimensions of the circular hole 83 and the thickness of the coating can be selected so that a sufficiently strong calibration signal is achieved, without overshadowing the measurement signal or impairing it too much.
Fig. 2 zeigt eine Lochmaske gemäß einem Ausführungsbeispiel. Fig. 2 shows a shadow mask according to an embodiment.
Die Lochmaske 60 der Fig. 2 ist in Form einer im Wesentlichen rechteckigen Blende ausgebildet und weist eine Mehrzahl von kreisförmigen Löchern 61 auf. Die kreisförmigen Löcher 61 sind in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Fläche der Blende in einem hexagonalen Raster verteilt. Die Verteilung der Löcher 61 in einem hexagonalen Raster ermöglicht eine hohe Dichte der Löcher, so dass das Messlicht durch die Lochmaske in viele Teile zur Erfassung der Abstandsmessdaten an vielen Messstellen aufgeteilt werden kann. Gleichzeitig ist bei gegebener Dichte der Abstand zwischen benachbarten Löchern bei Wahl eines hexagonalen Rasters maximal, so dass Übersprechen zwischen den Löchern minimal ist. The perforated mask 60 in FIG. 2 is designed in the form of an essentially rectangular screen and has a plurality of circular holes 61. In this exemplary embodiment, the circular holes 61 are distributed essentially uniformly over the entire surface of the screen in a hexagonal grid. The distribution of the holes 61 in a hexagonal grid enables a high density of the holes, so that the measurement light can be divided through the perforated mask into many parts for recording the distance measurement data at many measurement points. At the same time, for a given density, the distance between adjacent holes is maximum when a hexagonal grid is selected, so that crosstalk between the holes is minimal.
Fig. 3 zeigt eine Lochmaske gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. 3 shows a shadow mask according to another exemplary embodiment.
Die Lochmaske 60 der Fig. 3 ist ähnlich wie die Lochmaske 60 der Fig. 2 in Form einer im Wesentlichen rechteckigen Blende ausgebildet und weist eine Mehrzahl von Löchern 61 auf. Im Unterschied zu der Lochmaske 60 der Fig. 2 sind die Löcher 61 der Lochmaske der Fig. 3 rechteckig ausgebildet und sind in einem Schachbrettmuster im Wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Fläche der Blende verteilt. The perforated mask 60 of FIG. 3 is designed in a manner similar to the perforated mask 60 of FIG. 2 in the form of an essentially rectangular screen and has a plurality of holes 61. In contrast to the perforated mask 60 of FIG. 2, the holes 61 of the perforated mask of FIG. 3 are rectangular and are distributed in a checkerboard pattern essentially uniformly over the entire surface of the screen.
Der Füllgrad der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Lochmasken 60 beträgt vorzugsweise zwischen 30 % und 70 %, insbesondere ungefähr 50 %, so dass ungefähr 50 % des auf die Lochmasken einfallenden Lichts durch die Lochmasken hindurchgehen. The degree of filling of the shadow masks 60 shown in FIGS. 2 and 3 is preferably between 30% and 70%, in particular about 50%, so that about 50% of the light incident on the shadow masks passes through the shadow masks.
Alternativ zu den in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen kann die Lochmaske auch im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein. Eine kreisförmige Lochmaske eignet sich insbesondere gut dafür, am Ende einer Lichtfaser mit einem kreisförmigen Querschnitt präzise aufgesetzt zu werden. As an alternative to the embodiments shown in FIGS. 2 and 3, the perforated mask can also be designed to be essentially circular. A circular shadow mask is particularly well suited for being precisely placed on the end of an optical fiber with a circular cross section.
Fig. 4 zeigt eine schematische Seitenansicht auf eine Meniskuslinse gemäß einem Ausführungsbeispiel. 4 shows a schematic side view of a meniscus lens according to an exemplary embodiment.
Wie man in der Ansicht der Fig. 4 deutlich erkennen kann, weist die Meniskuslinse 80 eine im Wesentlichen sphärische konkave Oberfläche 81 und eine im Wesentlichen sphärische konvexe Oberfläche 82 auf. In dem gezeigtenAs can be clearly seen in the view of FIG. 4, the meniscus lens 80 has an essentially spherical concave surface 81 and an essentially spherical convex surface 82. In the one shown
Ausführungsbeispiel weist die Meniskuslinse 80 in der Mitte ein kreisförmiges Loch 83 auf. In the exemplary embodiment, the meniscus lens 80 has a circular hole 83 in the center.
Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Meniskuslinse der Fig. 4. FIG. 5 shows a schematic plan view of the meniscus lens from FIG. 4.
In der Draufsicht der Fig. 5 ist das kreisförmige Loch 83 der Meniskuslinse 80 besonders gut zu erkennen. Wie bereits oben bei der Beschreibung der Fig. 1 erwähnt, kann die Meniskuslinse 80 unterschiedlich ausgebildet sein. In the top view of FIG. 5, the circular hole 83 of the meniscus lens 80 can be seen particularly well. As already mentioned above in the description of FIG. 1, the meniscus lens 80 can be designed differently.
Insbesondere kann wenigstens eine der beiden Oberflächen 81,In particular, at least one of the two surfaces 81,
82 eine Beschichtung aufweisen. Ferner kann die82 have a coating. Furthermore, the
Dimensionierung des kreisförmigen Lochs 83 und/oder die Stärke bzw. die Reflektivität der Beschichtung so gewählt werden, dass die Rückreflexionen an den Oberflächen 81, 82 der Meniskuslinse 80 Kalibrierpeaks ausreichender Intensität ergeben, ohne dabei das Messsignal zu überschatten bzw. die Abstandsmessung zu beeinträchtigen. Dimensioning of the circular hole 83 and / or the thickness or the reflectivity of the coating can be selected so that the back reflections on the surfaces 81, 82 of the Meniscus lens result in 80 calibration peaks of sufficient intensity without overshadowing the measurement signal or impairing the distance measurement.
Fig. 6 zeigt schematisch einen möglichen Strahlengang in einem Abschnitt der Abstandsmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. 6 schematically shows a possible beam path in a section of the distance measuring device according to an exemplary embodiment.
Der in Fig. 6 gezeigte Abschnitt umfasst die brennweitenvariable Linse 19, die Meniskuslinse 19 sowie die Koppelstelle 17 der Lichtfaser 13 gemäß Fig. 1. The section shown in FIG. 6 comprises the focal length variable lens 19, the meniscus lens 19 and the coupling point 17 of the optical fiber 13 according to FIG. 1.
Die von der Koppelstelle 17 weg gerichteten langen Pfeile stellen den aus der Lichtkoppelstelle 17 austretenden Messlichtstrahl dar, der durch die brennweitenvariable Linse 19 und auch zum Teil durch die Meniskuslinse 80 hindurch gestrahlt wird. Die von der Meniskuslinse 80 zurück zu der Lichtkoppelstelle 17 gerichteten Pfeile verdeutlichen die von der konkaven Oberfläche 81 bzw. von der konvexen Oberfläche 82 reflektierten Strahlen. Bedingt durch die im Wesentlichen sphärische Krümmung der Oberflächen 81 und 82 werden die zurückreflektierten Strahlen zum jeweiligen Fokuspunkt gebündelt. The long arrows pointing away from the coupling point 17 represent the measuring light beam emerging from the light coupling point 17, which is radiated through the variable focal length lens 19 and also partly through the meniscus lens 80. The arrows directed from the meniscus lens 80 back to the light coupling point 17 illustrate the rays reflected from the concave surface 81 or from the convex surface 82. Due to the essentially spherical curvature of the surfaces 81 and 82, the rays reflected back are bundled to the respective focal point.
In dem in Fig. 6 dargestellten Fall wird das von der konkaven Oberfläche 81 der Meniskuslinse 80 reflektierte Licht an der Lichtaustrittsfläche der Lichtkoppelstelle 17 gebündelt, während der Fokuspunkt des von der konvexen Oberfläche 82 der Meniskuslinse 80 zurückreflektierte Lichts oberhalb von der Lichteintrittsfläche bzw. Lichtkoppelstelle 17 liegt. Der gezeigte Strahlengang kann insbesondere bei einer bestimmten Brennweite der brennweitenvariablen Linse 19 auftreten. Fig. 7 zeigt schematisch einen anderen möglichen Strahlengang in dem Abschnitt gemäß Fig. 6. In the case shown in FIG. 6, the light reflected from the concave surface 81 of the meniscus lens 80 is bundled at the light exit surface of the light coupling point 17, while the focal point of the light reflected back from the convex surface 82 of the meniscus lens 80 is above the light entry surface or light coupling point 17 lies. The beam path shown can occur in particular at a specific focal length of the variable focal length lens 19. FIG. 7 schematically shows another possible beam path in the section according to FIG. 6.
Der Strahlengang der Fig. 7 entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 6 dargestellten Strahlengang. Im Unterschied zu dem in Fig. 6 gezeigten Fall, weist die brennweitenvariable Linse 19 einen anderen Wert der Brennweite auf, so dass keiner der beiden zurückreflektierten Strahlen an der Lichtkoppelstelle 17 gebündelt wird. The beam path in FIG. 7 essentially corresponds to the beam path shown in FIG. 6. In contrast to the case shown in FIG. 6, the focal length variable lens 19 has a different value of the focal length, so that neither of the two beams reflected back is bundled at the light coupling point 17.
Fig. 8 zeigt schematisch einen weiteren möglichen Strahlengang in dem Abschnitt gemäß Fig. 6. FIG. 8 schematically shows a further possible beam path in the section according to FIG. 6.
Der in Fig. 8 dargestellte Strahlengang entspricht einer Brennweite der brennweitenvariablen Linse 19, wenn das von der konvexen Oberfläche 82 der Meniskuslinse 80 zurückreflektierte Licht an der Lichtaustrittsfläche der Lichtkoppelstelle 17 gebündelt wird, während der Fokuspunkt des von der konkaven Oberfläche 81 der Meniskuslinse 80 zurückreflektierte Lichts unterhalb der von der Lichteintrittsfläche bzw. Lichtkoppelstelle 17 liegt. The beam path shown in Fig. 8 corresponds to a focal length of the variable focal length lens 19 when the light reflected back from the convex surface 82 of the meniscus lens 80 is bundled at the light exit surface of the light coupling point 17, while the focus point of the light reflected back from the concave surface 81 of the meniscus lens 80 below which lies from the light entry surface or light coupling point 17.
Die in Figuren 6, 7 und 8 gezeigten möglichen Strahlenkonfigurationen des Messlichts verdeutlichen die Funktionsweise der Meniskuslinse 80. Wird beispielweise die brennweitenvariable Linse 19 zyklisch durchgestimmt, so wird die Brennweite alle Werte zwischen einer minimalen Brennweite und einer maximalen Brennweite periodisch durchlaufen, und dabei können die in Figuren 6, 7 und 8 dargestellten Strahlenkonfiguration periodisch auftreten. Der in Fig. 7 dargestellte oder ein ähnlicher Strahlengang, wenn keines der von der Meniskuslinse 80 zurückreflektieren Strahlen an der Lichtkoppelstelle 17 gebündelt wird, kann bei einer Vielzahl von Einstellungen der brennweitenvariablen Linse 19 auftreten. Die in den Figuren 6 und 8 dargestellten Strahlenkonfiguration können dagegen nur bei ganz bestimmten Werten der Brennweite der brennweitenvariablen Linse 19 auftreten. Aufgrund der Bündelung des von den Oberflächen 81 und 82 der Meniskuslinse 80 zurückreflektierten Lichtes an der Lichtkoppelstelle 17 der Lichtfaser 13 wird in den in Figuren 6 und 8 dargestellten Strahlenkonfigurationen ein größerer Anteil des von der Meniskuslinse 80 zurückreflektierten Lichts in die Lichtkoppelstelle eingekoppelt als sonst. Diese Erhöhung der eingekoppelten Lichtmenge kann an durch einen entsprechenden Anstieg der durch den Fotodetektor erfassten Lichtintensität detektiert wird. Die entsprechenden Intensitätspeaks können mit einem Fotodetektor, beispielsweise mit dem Fotodetektor 9 in der Anordnung gemäß Fig. 1, erfasst werden und als Kalibrierpeaks zur Kalibrierung der Abstandsmessvorrichtung 7 genutzt werden. Insbesondere kann anhand der zeitlichen Position des jeweiligen Intensitätspeaks auf die entsprechende Brennweite der brennweitenvariablen Linse 19 bzw. auf den entsprechenden Messabstand der Abstandsmessvorrichtung 7 zurückgeschlossen werden. The possible beam configurations of the measuring light shown in FIGS. 6, 7 and 8 illustrate the mode of operation of the meniscus lens 80. If, for example, the variable focal length lens 19 is cyclically tuned, the focal length will periodically run through all values between a minimum focal length and a maximum focal length, and the The beam configuration shown in FIGS. 6, 7 and 8 occur periodically. The beam path shown in Fig. 7 or a similar if none of the Beams reflected back by the meniscus lens 80 are bundled at the light coupling point 17, can occur with a large number of settings of the focal length variable lens 19. The beam configuration shown in FIGS. 6 and 8, on the other hand, can only occur with very specific values of the focal length of the variable focal length lens 19. Due to the bundling of the light reflected back from the surfaces 81 and 82 of the meniscus lens 80 at the light coupling point 17 of the optical fiber 13, a larger proportion of the light reflected back from the meniscus lens 80 is coupled into the light coupling point in the beam configurations shown in FIGS An increase in the coupled-in amount of light can be detected by a corresponding increase in the light intensity detected by the photodetector. The corresponding intensity peaks can be detected with a photodetector, for example with the photodetector 9 in the arrangement according to FIG. 1, and used as calibration peaks for calibrating the distance measuring device 7. In particular, based on the temporal position of the respective intensity peak, conclusions can be drawn about the corresponding focal length of the variable focal length lens 19 or the corresponding measuring distance of the distance measuring device 7.
Der in den Figuren 6, 7 und 8 dargestellte Abschnitt weist keine Lochmaske 60 auf. Die obigen Ausführungen zu den Figuren 6, 7 und 8 zur Funktionsweise der Meniskuslinse 60 gelten entsprechend auch dann, wenn eine Lochmaske 60 zur Aufteilung des Messlichts mehrere Teile und zur Erfassung der Abstandsmessdaten von verschiedenen Stellen verwendet wird, die beispielsweise zwischen der Koppelstelle 17 und der brennweitenvariablen Linse 19 angeordnet sein könnte. Fig. 9 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Intensität eines von einer Meniskuslinse zurückreflektierten Lichts. The section shown in FIGS. 6, 7 and 8 does not have a perforated mask 60. The above remarks on FIGS. 6, 7 and 8 regarding the mode of operation of the meniscus lens 60 also apply accordingly if a perforated mask 60 is used to split the measurement light into several parts and to record the distance measurement data from different points, for example between the coupling point 17 and the Focal length variable lens 19 could be arranged. 9 shows a time profile of the intensity of a light reflected back from a meniscus lens.
Insbesondere stellt Fig. 9 eine zeitliche Abhängigkeit der gemessenen Lichtintensität in der in Figuren 6, 7 und 8 dargestellten Anordnung, wobei die Intensität des in die Lichtfaser 16 eingekoppelten Anteils des von der Meniskuslinse 80 und dem zu bearbeitenden Werkstück 4 zurückreflektierten Lichts während eines Durchstimmzyklus gemessen wird. Ein Durchstimmzyklus entspricht hier einem Verlauf von einem minimalen zu einem maximalen Ansteuerwert bzw. umgekehrt. Die Zeit t und die Intensität I werden in Fig. 9 in willkürlichen Einheiten dargestellt. Bei bestimmten Zeitwerten weist die zeitliche Abhängigkeit der Intensität I(t) distinkte Intensitätspeaks bzw. Kalibrierpeaks auf. Insbesondere weist die Kurve I(t) einen linken scharfen Peak (a), einen rechten scharfen Peak (c) und einen etwas breiteren mittleren Peak (m) auf. Der linke scharfe Peak (a) entspricht der in Fig. 6 dargestellten Strahlenkonfiguration, wenn die Reflexion von der konkaven Oberfläche 81 der Meniskuslinse 80 an der Lichtkoppelstelle 17 der Lichtfaser 16 gebündelt wird und so gebündelt in die Lichtfaser 16 eintritt. Zwischen den beiden Peaks (a) und (c) tritt die in Fig. 7 dargestellte Strahlenkonfiguration auf, wenn die Lichtkoppelstelle 17 zwischen den beiden Fokuspunkten der von der konkaven Oberfläche 81 und von der konvexen Oberfläche 82 der Meniskuslinse 80 zurückreflektierten Lichts liegt. In diesem Fall kann weder die Reflexion von der konkaven Oberfläche 81 noch die Reflexion von der konvexen Oberfläche 82 in die Lichtfaser 16 richtig eingekoppelt werden. In diesem Intervall tritt der Peak (m) auf, welcher von dem zu bearbeitenden Werkstück 4 reflektierten Licht herrührt und die Bestimmung des Abstands des Werkstücks 4 erlaubt (Messpeak). Der rechte Peak (c) entspricht der in Fig. 8 dargestellten Strahlenkonfiguration, wenn die Reflexion von der konvexen Oberfläche 82 der Meniskuslinse an der Lichtkoppelstelle 17 gebündelt in die Lichtfaser 16 gelangt. Insbesondere die scharfen Peaks (a) und (c) am Anfang bzw. am Ende des dargestellten Zyklus weisen jeweils eine gut definierte zeitliche Position auf, so dass sie als Basis für eine präzise Kalibrierung der Abstandsmessvorrichtung dienen können. Anhand des charakteristischen Verlaufs der Intensitätskurve können die Peaks (a) und (c) leicht identifiziert und der jeweiligen Strahlenkonfiguration zugeordnet werden. In particular, FIG. 9 shows a time dependence of the measured light intensity in the arrangement shown in FIGS. 6, 7 and 8, the intensity of the portion of the light reflected back from the meniscus lens 80 and the workpiece 4 to be machined being measured during a tuning cycle that is coupled into the optical fiber 16 becomes. A tuning cycle here corresponds to a curve from a minimum to a maximum control value or vice versa. The time t and the intensity I are shown in arbitrary units in FIG. At certain time values, the time dependency of the intensity I (t) has distinct intensity peaks or calibration peaks. In particular, the curve I (t) has a left sharp peak (a), a right sharp peak (c) and a somewhat broader central peak (m). The left sharp peak (a) corresponds to the beam configuration shown in FIG. 6 when the reflection from the concave surface 81 of the meniscus lens 80 is bundled at the light coupling point 17 of the optical fiber 16 and thus enters the optical fiber 16 in a bundled manner. The beam configuration shown in FIG. 7 occurs between the two peaks (a) and (c) when the light coupling point 17 lies between the two focal points of the light reflected back from the concave surface 81 and from the convex surface 82 of the meniscus lens 80. In this case, neither the reflection from the concave surface 81 nor the reflection from the convex surface 82 can be correctly coupled into the optical fiber 16. In this interval the peak (m) occurs, which of the to be processed Workpiece 4 is reflected light and allows the determination of the distance of the workpiece 4 (measurement peak). The right peak (c) corresponds to the beam configuration shown in FIG. 8 when the reflection from the convex surface 82 of the meniscus lens at the light coupling point 17 reaches the light fiber 16 in a bundled manner. In particular, the sharp peaks (a) and (c) at the beginning and at the end of the cycle shown each have a well-defined time position so that they can serve as the basis for a precise calibration of the distance measuring device. Using the characteristic course of the intensity curve, peaks (a) and (c) can easily be identified and assigned to the respective beam configuration.
Fig. 10 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1 der Fig. 10 entspricht im Wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 1, wobei sie statt eines Faserkopplers einen Strahlteiler 90 umfasst, der zum Einkoppeln des Messlichts über ein Lichtaustrittsende 91 einer ersten Lichtfaser 10 und zum Auskoppeln des von dem zu bearbeitenden Werkstück 4 zurückreflektierten Messlichts ausgebildet ist. Das durch den Strahlteiler 90 ausgekoppelte Messlicht kann in ein Lichteintrittsende 92 einer zweiten Faser 13 eingekoppelt werden, um durch den Fotodetektor erfasst zu werden. Das Lichtaustrittsende 91 der ersten Lichtfaser 10 und das Lichteintrittsende 92 der zweiten Lichtfaser 13 sind konfokal zueinander eingerichtet. Durch die Verwendung des Strahlteilers können die in den Faserkopplern auftretenden störenden Streulichteffekte vermieden werden. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Strahlteiler 90 als Strahlteilerwürfel ausgebildet. Die Strahlteilerwürfel sind robust und weisen geringe Streuverluste auf. 10 schematically shows a device for the controlled machining of a workpiece according to another exemplary embodiment. The device 1 of FIG. 10 essentially corresponds to the device 1 shown in FIG. 1, whereby instead of a fiber coupler it comprises a beam splitter 90 which is used to couple the measuring light via a light exit end 91 of a first optical fiber 10 and to decouple the one to be processed Workpiece 4 is formed back-reflected measuring light. The measuring light coupled out by the beam splitter 90 can be coupled into a light entry end 92 of a second fiber 13 in order to be detected by the photodetector. The light exit end 91 of the first optical fiber 10 and the light entry end 92 of the second optical fiber 13 are set up confocally to one another. By using the beam splitter, the disruptive scattered light effects that occur in the fiber couplers can be avoided. In some embodiments, the beam splitter 90 is as Beam splitter cube formed. The beam splitter cubes are robust and have low scattering losses.
In einigen Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung 1 mit dem Strahlteiler 90 wenigstens eine Lochmaske auf. In some exemplary embodiments, the device 1 with the beam splitter 90 has at least one perforated mask.
In dem in Fig. 10 dargestellten Beispiel weist die Vorrichtung 1 zwei im Wesentlichen identisch ausgebildete Lochmasken 60 auf, wobei eine Lochmaske 60 dem Lichtaustrittsende 91 der ersten Faser 10 nachgeschaltet ist und die zweite Lochmaske 60 dem Lichteintrittsende 92 der zweiten Lichtfaser 13 vorgeschaltet ist. Die Lochmasken 60 werden unmittelbar an den Faserenden der ersten und der zweiten Lichtfasern 10, 13 angeordnet. In the example shown in FIG. 10, the device 1 has two essentially identically designed perforated masks 60, one perforated mask 60 being connected downstream of the light exit end 91 of the first fiber 10 and the second perforated mask 60 being connected upstream of the light entry end 92 of the second light fiber 13. The perforated masks 60 are arranged directly on the fiber ends of the first and second optical fibers 10, 13.
Die Lochmasken 60 können ähnlich wie die in Figuren 1, 2 und 3 dargestellten und oben beschriebenen Lochmasken ausgebildet sein. Die Lochmasken 60 sind derart angeordnet und ausgerichtet, dass die Löcher 61 (nicht gezeigt) der beiden Lochmasken 60 konfokal aufeinander ausgerichtet sind. The perforated masks 60 can be designed in a manner similar to the perforated masks shown in FIGS. 1, 2 and 3 and described above. The shadow masks 60 are arranged and aligned in such a way that the holes 61 (not shown) of the two shadow masks 60 are confocally aligned with one another.
Fig. 11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks gemäß einem Ausführungsbeispiel. 11 shows a flow diagram of a method for the controlled machining of a workpiece according to an exemplary embodiment.
Das Verfahren 100 zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks umfasst mehrere Schritte, die auch in unterschiedlichen Reihenfolgen und ggf. auch wiederholt durchgeführt werden können. Das Verfahren kann beispielsweise mittels einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 oder 2 durchgeführt werden. In einem Schritt 110 wird ein Laserlichtstrahl zur Erzeugung eines Laserfokuspunktes an einer Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks fokussiert. Das Fokussieren des Laserlichtstrahls kann insbesondere mit der Laserzieloptik erfolgen, um den Laserstrahl gezielt an der Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks zu bündeln. Das Fokussieren des Laserlichtstrahls in dem Schritt 110 kann insbesondere bei einer niedrigen Laserleistung erfolgen, so dass in dem Schritt 110 keine oder nur eine geringfügige Materialbearbeitung des zu bearbeitenden Werkstücks 4 erfolgt. Das Fokussieren des Laserlichtstrahls kann auch mittels eines Hilfslasers, beispielsweise eines HeNe-Lasers, erfolgen, dessen Strahl in den Strahlengang des Laserlichtstahls kollinear zu dem Laserstrahl beispielsweise mit einer Ablenkplatte eingekoppelt ist. Als Laserzieloptik bzw. Scanner kann ein Galvoscanner mit zwei schwenkbaren Galvospiegeln verwendet werden. The method 100 for the controlled machining of a workpiece comprises several steps, which can also be carried out in different sequences and possibly also repeatedly. The method can be carried out, for example, by means of a device according to FIG. 1 or 2. In a step 110, a laser light beam for generating a laser focus point is focused on a target point of the workpiece to be machined. The focusing of the laser light beam can in particular take place with the laser target optics in order to focus the laser beam in a targeted manner at the target point of the workpiece to be processed. The focusing of the laser light beam in step 110 can in particular take place at a low laser power, so that in step 110 no or only slight material processing of the workpiece 4 to be processed takes place. The laser light beam can also be focused by means of an auxiliary laser, for example a HeNe laser, the beam of which is coupled into the beam path of the laser light beam collinear to the laser beam, for example with a deflection plate. A galvo scanner with two swiveling galvo mirrors can be used as laser target optics or scanner.
In einem Schritt 120 werden optische Abstandsmessdaten mittels einer optischen Abstandsmessvorrichtung zur Ermittlung eines Abstandes zwischen der Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks und der Laserzieloptik bzw. einem Bezugspunkt oder einer Bezugsebene der Laserzieloptik erfasst. Die Abstandsmessvorrichtung kann als eine optisch-konfokale Abstandsmessvorrichtung mit einer Messlichtquelle zur Erzeugung eines Messlichts, insbesondere eines breitbandigen Messlichts in dem nahinfraroten Spektralbereich, und mit einer brennweitenvariablen Messlichtoptik, insbesondere einer brennweitenvariablen Linse, ausgebildet sein, wobei das Verfahren ein zeitliches Variieren der Brennweite der brennweitenvariablen Messlichtoptik zur Erfassung von Abstandsmessdaten bei unterschiedlichen Brennweitenwerten der brennweitenvariablen Messlichtoptik umfassen kann. Das Erfassen von Abstandsmessdaten kann insbesondere ein Erfassen einer Intensität eines von dem zu bearbeitenden Werkstück zurückreflektierten Messlichts umfassen, so dass der Abstand anhand der Intensität, insbesondere anhand eines zeitlichen Verlaufs der Intensität eines von dem Werkstück zurückreflektierten Messlichts ermittelt wird. In a step 120, optical distance measurement data are acquired by means of an optical distance measurement device for determining a distance between the target point of the workpiece to be processed and the laser target optics or a reference point or a reference plane of the laser target optics. The distance measuring device can be designed as an optical-confocal distance measuring device with a measuring light source for generating a measuring light, in particular a broadband measuring light in the near-infrared spectral range, and with a focal length variable measuring light optics, in particular a focal length variable lens, the method varying the focal length of the focal length variable over time Measurement light optics for capturing distance measurement data at different focal length values of the focal length variable measurement light optics. The acquisition of distance measurement data can include, in particular, the acquisition of an intensity of a measurement light reflected back from the workpiece to be machined, so that the distance is determined on the basis of the intensity, in particular on the basis of a time profile of the intensity of a measurement light reflected back from the workpiece.
In einem Schritt 130 wird das zu bearbeitende Werkstück bezüglich des Laserfokuspunktes basierend auf den erfassten Abstandsmessdaten positioniert. In einigen Ausführungsformen wird alternativ oder zusätzlich zu der Positionierung des zu bearbeitenden Werkstücks der Laser nachfokussiert. In a step 130, the workpiece to be machined is positioned with respect to the laser focus point based on the acquired distance measurement data. In some embodiments, the laser is refocused as an alternative or in addition to the positioning of the workpiece to be processed.
In einem Schritt 140 wird die Zielstelle des zu bearbeitenden Werkstücks mit dem fokussierten Laserstrahl bearbeitet. In a step 140, the target point of the workpiece to be machined is machined with the focused laser beam.
In einigen Ausführungsformen umfasst das zeitliche Variieren der Brennweite der brennweitenvariablen Messoptik ein Durchstimmen, insbesondere ein zyklisches Durchstimmen, der Brennweite der brennweitenvariablen Messoptik zur Erfassung der Abstandsmessdaten bei unterschiedlichen Brennweiten der brennweitenvariablen Messoptik. In some embodiments, varying the focal length of the focal length variable measuring optics over time includes tuning, in particular cyclical tuning, of the focal length of the focal length variable measuring optics to acquire the distance measurement data at different focal lengths of the focal length variable measuring optics.
Die Brennweitenvariation der brennweitenvariablen Messoptik kann insbesondere mit Hilfe eines brennweitenvariablen optischen Elements, insbesondere einer brennweitenvariablen Linse erfolgen. The focal length variation of the focal length variable measuring optics can in particular take place with the aid of a focal length variable optical element, in particular a focal length variable lens.
Ein Messzyklus kann typischerweise 25 ms dauern. Während des Messzyklus kann die Brennkraft der brennweitenvariablen Linse beispielsweise in dem Bereich von +/- 13 Dioptrien durchgestimmt werden, wobei der Fokuspunkt des Messlichts um etwa +/- 7 mm axial bzw. entlang der optischen Achse der Messlichtoptik verschoben kann. A measuring cycle can typically last 25 ms. During the measurement cycle, the power of the variable focal length lens can, for example, be in the range of +/- 13 diopters be tuned, wherein the focus point of the measuring light can be shifted axially or along the optical axis of the measuring light optics by approximately +/- 7 mm.
Bei einem bekannten Zusammenhang zwischen Zykluszeitpunkten und Positionen des Fokuspunktes kann anhand der Intensitätsmaxima der Abstand des zu bearbeitenden Werkstücks bestimmt werden. Given a known relationship between cycle times and positions of the focal point, the distance between the workpiece to be machined can be determined on the basis of the intensity maxima.
Zur Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Zykluszeitpunkten und Abständen wird in einigen Ausführungsformen eine Kalibrierungsmessung, insbesondere im Vorfeld der Laserbearbeitung, durchgeführt. To determine the relationship between cycle times and intervals, in some embodiments a calibration measurement is carried out, in particular in advance of the laser processing.
Fig. 12 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1 der Fig. 12 entspricht im Wesentlichen der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung, wobei sie zusätzlich einen Fotodetektor 161 aufweist, mit dem das Prozesslicht detektiert werden kann, welches durch die Bearbeitung des Werkstücks mit dem Laser 2 entsteht. 12 shows schematically a device for the controlled machining of a workpiece according to a further exemplary embodiment. The device 1 in FIG. 12 essentially corresponds to the device shown in FIG. 10, it additionally having a photodetector 161 with which the process light can be detected, which is produced by processing the workpiece with the laser 2.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 12 ein optisches Filter 162 mit einer wellenlängenabhängigen Reflektivität, die so ausgebildet ist, dass Prozesslicht in einem bestimmten spektralen Bereich reflektiert wird, wobei Laserlicht nicht reflektiert wird. Darüber hinaus ist das optische Filter 162 so ausgebildet, dass das Messlicht im Wesentlichen vollständig transmittiert wird, damit die Messung vom Filter nicht beeinträchtigt wird. Das beim Bearbeiten des Werkstücks durch den Laser 2 erzeugte Prozesslicht gelangt über die Laserzieloptik 5 und die Messlichtoptik zum optischen Filter 162, wird von diesem reflektiert und auf die Strahlteiler 90 geleitet, von diesem wiederrum reflektiert und auf den Fotodetektor 161 geleitet. Aufgrund der Reflexionseigenschaften des optischen Filters 162 wird Laserlicht, das vom Werkstück 4 reflektiert oder gestreut wird und über die Laserzieloptik 5 zurück zum optischen Filter 162 gelangt, nicht zum Fotodetektor 161 geleitet. Furthermore, the device 1 according to FIG. 12 comprises an optical filter 162 with a wavelength-dependent reflectivity, which is designed such that process light is reflected in a specific spectral range, with laser light not being reflected. In addition, the optical filter 162 is designed in such a way that the measurement light is essentially completely transmitted so that the measurement is not impaired by the filter. The process light generated by the laser 2 when machining the workpiece reaches the optical filter 162 via the laser target optics 5 and the measuring light optics, is reflected by this and directed to the beam splitter 90, reflected by this in turn and directed to the photodetector 161. Due to the reflection properties of the optical filter 162, laser light that is reflected or scattered by the workpiece 4 and reaches the optical filter 162 via the laser targeting optics 5 is not conducted to the photodetector 161.
Bei der Bestimmung desjenigen Abstands, bei dem das Laserlicht bestmöglich auf dem Werkstück fokussiert ist, wird das Prozesslicht detektiert. Wenn die Lichtquelle 8 für das Messlicht ausgeschaltet wird, ist damit sichergestellt, dass vom Fotodetektor 161 weder Messlicht noch Laserlicht detektiert und fälschlicherweise als Prozesslicht interpretiert wird. When determining the distance at which the laser light is optimally focused on the workpiece, the process light is detected. If the light source 8 for the measuring light is switched off, this ensures that the photodetector 161 detects neither measuring light nor laser light and is incorrectly interpreted as process light.
In einigen Ausführungsformen prüft der Fotodetektor 161 nur das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandsein von Prozesslicht, gibt aber keine Ortsinformation über den Entstehungsort des Prozesslichts. Aus diesem Grund muss das Prozesslicht auf dem Fotodetektor 161 nicht fokussiert sein. Dies wiederrum erleichtert die bauliche Umsetzung, da der Fotodetektor 161 nicht justiert werden muss, weil seine genaue Position nicht kritisch ist. In some embodiments, the photodetector 161 only checks the presence or absence of process light, but does not provide any location information about the location of the origin of the process light. For this reason, the process light need not be focused on the photodetector 161. This in turn facilitates the structural implementation, since the photodetector 161 does not have to be adjusted because its exact position is not critical.
Alternativ zu der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform kann die Lochmaske 60 mit einer teilreflektierenden Schicht versehen werden, so dass die Lochmaske 60 als Reflexionsfilter wirkt, das nur das Prozesslicht reflektiert, nicht hingegen das Laserlicht und das Messlicht. In dieser Ausführungsform wird also ein zusätzliches Bauteil in Form des Filters 162 eingespart. As an alternative to the embodiment shown in FIG. 12, the perforated mask 60 can be provided with a partially reflective layer so that the perforated mask 60 acts as a reflection filter that only reflects the process light, but not the laser light and the measurement light. In this embodiment an additional component in the form of the filter 162 is thus saved.
In einigen Ausführungsformen erfolgt die Detektion des Prozesslichts über den Fotodetektor 9. In dieser Ausführungsform ist das optische Filter 162 so beschaffen, dass sowohl Prozesslicht als auch das Messlicht transmittiert werden, das Laserlicht hingegen nicht transmittiert wird. Wenn die Messlichtquelle 8 ausgeschaltet ist, kann der Fotodetektor 9 somit dazu verwendet werden, Prozesslicht zu detektieren. In some embodiments, the detection of the process light takes place via the photodetector 9. In this embodiment, the optical filter 162 is designed in such a way that both process light and the measurement light are transmitted, but the laser light is not transmitted. When the measuring light source 8 is switched off, the photodetector 9 can thus be used to detect process light.
Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen. Although at least one exemplary embodiment has been shown in the foregoing description, various changes and modifications can be made. The embodiments mentioned are only examples and are not intended to limit the scope, applicability or configuration of the present disclosure in any way. Rather, the preceding description provides the person skilled in the art with a plan for implementing at least one exemplary embodiment, it being possible to make numerous changes in the function and arrangement of elements described in an exemplary embodiment without departing from the scope of protection of the appended claims and their legal equivalents .
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Vorrichtung 1 device
2 Laser 2 lasers
3 Laserlichtstrahl 3 laser light beam
4 Werkstück 4 workpiece
5 Laserzieloptik 5 laser target optics
6 Zielstelle 6 target point
7 Abstandsmessvorrichtung7 Distance measuring device
8 Messlichtquelle 8 measuring light source
9 Fotodetektor 9 photo detector
10 erste Lichtfaser 10 first optical fiber
11 erste Anschlussstelle 11 first junction
12 Faserkoppler 12 fiber couplers
13 zweite Lichtfaser 13 second light fiber
14 zweite Anschlussstelle14 second junction
15 dritte Anschlussstelle15 third junction
16 dritte Lichtfaser 16 third light fiber
17 Lichtkoppelstelle 17 light coupling point
18 Kollimationslinse 18 collimation lens
19 brennweitenvariable Linse 19 variable focal length lens
30 Ablenkplatte 30 baffle
31 Ablenkplatte 31 deflector plate
32 Kamera 32 camera
33 Kollimationslinse 33 collimation lens
40 Auswerte-Steuereinheit40 Evaluation control unit
41 Auswerteeinheit 41 Evaluation unit
42 Linsensteuereinheit 43 Positionierungssteuereinheit42 lens control unit 43 Positioning Control Unit
44 Signalleitung 44 signal line
45 Linsenkontrollleitung 45 Lens control line
46 Positionierungskontrollleitung46 Positioning Control Line
47 Positionieren 47 Positioning
50 Fokussierlinse 50 focus lens
51 Spiegelpaar 51 pair of mirrors
60 Lochmaske 60 shadow mask
61 Loch 61 holes
80 Meniskuslinse 80 meniscus lens
81 konkave Oberfläche 81 concave surface
82 konvexe Oberfläche 82 convex surface
83 kreisförmiges Loch 83 circular hole
90 Strahlteiler 90 beamsplitters
91 Ende der ersten Lichtfaser 91 End of the first optical fiber
92 Ende der zweiten Lichtfaser 92 end of the second optical fiber
100 Verfahren 100 procedures
110 Fokussieren 110 Focus
120 Erfassen von Abstandsmessdaten120 Acquiring Distance Measurement Data
130 Positionieren 130 Positioning
140 Bearbeiten 140 Edit
161 Fotodetektor 161 photo detector
162 optisches Filter 162 optical filter
A optische Achse A optical axis
F Fokuspunkt H Messbereich F focus point H measuring range
0 Nullebene t Zeitkoordinate X, y z Raumkoordinaten 0 zero level t time coordinates X, y z space coordinates

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks, umfassend: 1. A method for the controlled machining of a workpiece, comprising:
— Fokussieren eines Laserlichtstrahls (3) zur Erzeugung eines Laserfokuspunktes (F) an einer Zielstelle (6) des zu bearbeitenden Werkstücks (4) mittels einer Laserzieloptik (5), - Focussing a laser light beam (3) to generate a laser focus point (F) at a target point (6) of the workpiece (4) to be processed by means of laser target optics (5),
— Erfassen von Abstandsmessdaten mittels einer optischen Abstandsmessvorrichtung (7) zur Ermittlung eines Abstandes zwischen der Zielstelle (6) des zu bearbeitenden Werkstücks (4) und der Laserzieloptik (5), und - Acquisition of distance measurement data by means of an optical distance measurement device (7) to determine a distance between the target point (6) of the workpiece (4) to be machined and the laser target optics (5), and
— Bearbeiten der Zielstelle (6) des zu bearbeitenden Werkstücks (4) mit dem fokussierten Laserlichtstrahl (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessvorrichtung (7) als eine optisch-konfokale Abstandsmessvorrichtung mit einer Messlichtquelle (8) zur Erzeugung eines Messlichts und mit einer brennweitenvariablen Messlichtoptik (19) ausgebildet ist, wobei das Verfahren ein zeitliches Variieren der Brennweite der brennweitenvariablen Messlichtoptik (19) zur Erfassung von Abstandsmessdaten bei unterschiedlichen Brennweitenwerten der brennweitenvariablen Messlichtoptik (19) umfasst, und wobei das von dem Werkstück (4) reflektierte Laserlicht und/oder das bei der Bearbeitung des Werkstücks (4) entstehende Prozesslicht erfasst wird. - Processing of the target point (6) of the workpiece (4) to be processed with the focused laser light beam (3), characterized in that the distance measuring device (7) as an optical-confocal distance measuring device with a measuring light source (8) for generating a measuring light and with a Measuring light optics (19) with variable focal length are formed, the method comprising a temporal variation of the focal length of the variable focal length measuring light optics (19) for the acquisition of distance measurement data at different focal length values of the variable focal length measuring light optics (19), and wherein the laser light reflected from the workpiece (4) and / or the process light generated during machining of the workpiece (4) is detected.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen dem Laserfokuspunkt (F) und dem Werkstück (4) variiert wird und das Vorhandensein von Prozesslicht in Abhängigkeit des Abstands zwischen dem Laserfokuspunkt (F) und dem Werkstück (4) registriert wird, wobei der Abstand mittels der Abstandsmessvorrichtung (7) ermittelt wird. 2. The method according to claim 1, wherein the distance between the laser focus point (F) and the workpiece (4) is varied and the presence of process light is registered as a function of the distance between the laser focus point (F) and the workpiece (4), the distance being determined by means of the distance measuring device (7).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Leistung des Laserlichtstrahls (3) variiert wird und eine kritische Leistung bestimmt wird, bei der es erstmalig zum Auftreten von Prozesslicht kommt. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, wherein the power of the laser light beam (3) is varied and a critical power is determined at which process light occurs for the first time.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei für verschiedene Abstände zwischen dem Werkstück (4) und dem Laserfokuspunkt (F) je die Leistung des Laserlichtstrahls (3) variiert wird und für jeden Abstand jeweils diejenige kritische Leistung bestimmt wird, bei der es erstmalig zum Auftreten von Prozesslicht kommt. 4. The method according to claim 3, wherein the power of the laser light beam (3) is varied for different distances between the workpiece (4) and the laser focus point (F) and the critical power at which it occurs for the first time is determined for each distance comes from process light.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner ein Positionieren des zu bearbeitenden Werkstücks (4) bezüglich des Laserfokuspunktes (F) basierend auf den erfassten Abstandsmessdaten umfasst. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the method further comprises a positioning of the workpiece (4) to be machined with respect to the laser focus point (F) based on the detected distance measurement data.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen von Abstandsmessdaten ein Erfassen einer Intensität eines von dem zu bearbeitenden Werkstück (4) zurückreflektierten Messlichts umfasst, und wobei der Abstand anhand eines zeitlichen Verlaufs der Intensität des von dem zu bearbeitenden Werkstück (4) zurückreflektierten Messlichts ermittelt wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the acquisition of distance measurement data comprises an acquisition of an intensity of a measuring light reflected back from the workpiece (4) to be machined, and wherein the distance is based on a time profile of the intensity of the workpiece (4) to be machined back-reflected measuring light is determined.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zeitliche Variieren der Brennweite der brennweitenvariablen Messlichtoptik (19) ein Durchstimmen, insbesondere ein zyklisches Durchstimmen, der Brennweite der brennweitenvariablen Messlichtoptik (19) zur Erfassung der Abstandsmessdaten bei unterschiedlichen Brennweiten der brennweitenvariablen Messlichtoptik (19) umfasst. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the temporal variation of the focal length of the focal length variable measuring light optics (19) a tuning, in particular a cyclic tuning, the focal length of the focal length variable measuring light optics (19) to acquire the distance measurement data at different focal lengths of the focal length variable measuring light optics (19) includes.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren ferner ein Durchführen einer Kalibriermessung zur Ermittlung eines Zusammenhangs zwischen Zykluszeitpunkt und Abstand umfasst, wobei die Kalibriermessung ein Erfassen von Reflexen einer der brennweitenvariablen Messlichtoptik (19) nachgeschalteten Meniskuslinse (80) umfasst. 8. The method according to claim 7, wherein the method further comprises performing a calibration measurement to determine a relationship between cycle time and distance, wherein the calibration measurement comprises detecting reflections of a meniscus lens (80) connected downstream of the focal length variable measuring light optics (19).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen der Abstandsmessdaten an mehreren Messstellen an der Zielstelle (6) erfolgt. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the acquisition of the distance measurement data takes place at several measuring points at the target point (6).
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Erfassen der Abstandsmessdaten an mehreren Messstellen sequenziell innerhalb eines Messtaktes erfolgt, wobei die Messstellen entlang eines Scan-Wegs an der Zielstelle (6) angeordnet sind. 10. The method according to claim 9, wherein the acquisition of the distance measurement data at a plurality of measuring points takes place sequentially within a measuring cycle, the measuring points being arranged along a scan path at the target point (6).
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Scan-Weg die Form eines die Zielstelle (6) des zu bearbeitenden Werkstücks (4) umschließenden Kreises oder einer auf die Zielstelle (6) des zu bearbeitenden Werkstücks (4) zentrierten Spirale aufweist. 11. The method according to claim 10, wherein the scan path has the shape of a circle surrounding the target location (6) of the workpiece (4) or a spiral centered on the target location (6) of the workpiece (4) to be machined.
12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Erfassen der Abstandsmessdaten an mehreren Messstellen im Wesentlichen gleichzeitig erfolgt, und wobei die Ermittlung des Abstands anhand von physikalisch gemittelten Abstandsmessdaten erfolgt. 12. The method according to claim 9, wherein the acquisition of the distance measurement data takes place essentially simultaneously at a plurality of measuring points, and wherein the determination of the distance takes place on the basis of physically averaged distance measurement data.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Messlicht mittels wenigstens einer Lochmaske (60) mit mehreren Löchern (61) in mehrere Teilmesslichter zur gleichzeitigen Erfassung der Abstandsmessdaten an mehreren Messstellen aufgeteilt wird. 13. The method according to claim 12, wherein the measuring light is divided by means of at least one perforated mask (60) with several holes (61) into several partial measuring lights for the simultaneous acquisition of the distance measurement data at several measuring points.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Teilmesslichter mit einem gemeinsamen Fotodetektor gleichzeitig erfasst werden. 14. The method according to claim 13, wherein the partial measurement lights are detected simultaneously with a common photodetector.
15. Vorrichtung zur kontrollierten Bearbeitung eines Werkstücks, umfassend: 15. Apparatus for the controlled machining of a workpiece, comprising:
— eine Laserlichtquelle (2) zur Erzeugung eines Laserlichtstrahls (3) zur Bearbeitung des zu bearbeitenden Werkstücks (4), - a laser light source (2) for generating a laser light beam (3) for processing the workpiece (4) to be processed,
— eine Laserzieloptik (5) zum Fokussieren des Laserlichtstrahls (3) zu einem Laserlichtfokuspunkt (F) an einer Zielstelle (6) des zu bearbeitenden Werkstücks (4), - a laser target optics (5) for focusing the laser light beam (3) to a laser light focus point (F) at a target point (6) of the workpiece (4) to be processed,
— eine Abstandsmessvorrichtung (7) zur Ermittlung eines Abstandes zwischen der Zielstelle (6) des zu bearbeitenden Werkstücks (4) und der Laserzieloptik (5) anhand der durch die Abstandsmessvorrichtung (7) erfassten Abstandsmessdaten, — eine Positionierungsvorrichtung (47) zum Positionieren des zu bearbeitenden Werkstücks bezüglich des Laserlichtfokuspunktes (F), und - a distance measuring device (7) for determining a distance between the target point (6) of the workpiece (4) to be machined and the laser target optics (5) on the basis of the distance measurement data recorded by the distance measuring device (7), - A positioning device (47) for positioning the workpiece to be machined with respect to the laser light focus point (F), and
— eine Auswerte-Steuereinheit (40), die dazu ausgebildet ist, die erfassten Abstandsmessdaten auszuwerten und die Positionierungsvorrichtung (47) basierend auf den erfassten Abstandsmessdaten anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessvorrichtung (7) als eine optisch-konfokale Abstandsmessvorrichtung mit einer Messlichtquelle (8) zur Erzeugung eines Messlichts und mit einer brennweitenvariablen Messlichtoptik derart ausgebildet ist, dass die Brennweite der brennweitenvariablen Messlichtoptik zeitlich variiert werden kann, um die Abstandsmessdaten bei unterschiedlichen Brennweitenwerten der brennweitenvariablen Messlichtoptik zu erfassen, wobei das von dem Werkstück (4) reflektierte Laserlicht und/oder das bei der Bearbeitung des Werkstücks (4) entstehende Prozesslicht erfasst werden kann. - An evaluation control unit (40) which is designed to evaluate the recorded distance measurement data and to control the positioning device (47) based on the recorded distance measurement data, characterized in that the distance measurement device (7) is an optical-confocal distance measurement device with a measurement light source ( 8) is designed for generating a measuring light and with a focal length variable measuring light optics in such a way that the focal length of the focal length variable measuring light optics can be varied over time in order to record the distance measurement data at different focal length values of the focal length variable measuring light optics, whereby the laser light and / or or the process light generated during machining of the workpiece (4) can be detected.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Messlichtoptik der Abstandsmessvorrichtung (7) die Laserzieloptik (5) umfasst. 16. The device according to claim 15, wherein the measuring light optics of the distance measuring device (7) comprise the laser target optics (5).
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Abstandsmessvorrichtung (7) einen Fotodetektor (9) zur Erfassung einer Intensität eines von dem zu bearbeitenden Werkstück (4) zurückreflektierten Messlichts umfasst und derart ausgebildet ist, dass der Abstand anhand eines zeitlichen Verlaufs der erfassten Intensität des von dem Werkstück (4) zurückreflektierten Messlichts ermittelbar ist. 17. The device according to claim 15 or 16, wherein the distance measuring device (7) comprises a photodetector (9) for detecting an intensity of a measuring light reflected back from the workpiece (4) to be machined and is designed such that the distance is based on a temporal course of the detected Intensity of that Workpiece (4) reflected back measuring light can be determined.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, welche einen zweiten Detektor, insbesondere einen weiteren Fotodetektor (161), aufweist, der so ausgebildet ist, dass das Vorhandensein von Prozesslicht detektiert werden kann. 18. Device according to one of claims 15 to 17, which has a second detector, in particular a further photodetector (161), which is designed such that the presence of process light can be detected.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Vorrichtung ein optisches Filter (162) mit einer wellenlängenabhängigen Reflektivität, die so ausgebildet ist, dass Prozesslicht in einem bestimmten spektralen Bereich reflektiert wird, während das Messlicht im Wesentlichen vollständig transmittiert wird. 19. The device according to claim 18, wherein the device comprises an optical filter (162) with a wavelength-dependent reflectivity which is designed such that process light is reflected in a specific spectral range while the measurement light is essentially completely transmitted.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Messlichtquelle (8) an- und ausschaltbar ist und der Fotodetektor (9) dazu eingerichtet ist, während die Messlichtquelle ausgeschaltet ist das Vorhandensein von Prozesslicht zu detektieren. 20. Device according to one of claims 15 to 17, wherein the measuring light source (8) can be switched on and off and the photodetector (9) is set up to detect the presence of process light while the measuring light source is switched off.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die Messlichtquelle (8) als eine breitbandige Infrarotlichtquelle, insbesondere Nahinfrarotlichtquelle ausgebildet ist. 21. Device according to one of claims 15 to 20, wherein the measuring light source (8) is designed as a broadband infrared light source, in particular near infrared light source.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei die Brennweite der brennweitenvariablen Messlichtoptik (19) durchstimmbar, insbesondere zyklisch durchstimmbar ist. 22. Device according to one of claims 15 to 21, wherein the focal length of the focal length variable measuring light optics (19) is tunable, in particular cyclically tunable.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei die brennweitenvariable Messlichtoptik (19) in einem divergierenden Teil eines Abbildungssystems der Abstandsmessvorrichtung (7) angeordnet ist 23. Device according to one of claims 15 to 22, wherein the focal length variable measuring light optics (19) is arranged in a diverging part of an imaging system of the distance measuring device (7)
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei die brennweitenvariable Messlichtoptik (19) eine brennweitenvariable Linse (19) umfasst. 24. Device according to one of claims 15 to 23, wherein the focal length variable measuring light optics (19) comprises a focal length variable lens (19).
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei die Vorrichtung (1) wenigstens eine Lochmaske (60) mit mehreren Löchern (61) zur Aufteilung des Messlichts in mehrere Teilmesslichter aufweist. 25. Device according to one of claims 15 to 24, wherein the device (1) has at least one perforated mask (60) with several holes (61) for dividing the measuring light into several partial measuring lights.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Vorrichtung (1) eine Lichtfaser (16) mit einer Lichtkoppelstelle (17) zum Ein- und Auskoppeln des Messlichts umfasst, und wobei die wenigstens eine Lochmaske (60) an der Lichtkoppelstelle (17) angeordnet ist. 26. The device according to claim 25, wherein the device (1) comprises an optical fiber (16) with a light coupling point (17) for coupling the measuring light in and out, and wherein the at least one perforated mask (60) is arranged at the light coupling point (17) .
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Lochmaske (60) mit einer teilreflektierenden Schicht versehen ist, so dass die Lochmaske 60 als Reflexionsfilter wirkt, das nur das Prozesslicht reflektiert, nicht hingegen das Laserlicht und das Messlicht. 27. The device according to claim 26, wherein the perforated mask (60) is provided with a partially reflective layer so that the perforated mask 60 acts as a reflection filter that only reflects the process light, but not the laser light and the measurement light.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, wobei die Vorrichtung eine erste Lichtfaser (10) mit einem Lichtaustrittsende (91) und eine zweite Lichtfaser (13) mit einem Lichteintrittsende (92) aufweist, und wobei eine erste Lochmaske (60) an dem Lichtaustrittsende (91) und eine zweite Lochmaske (60) an dem Lichteintrittsende (92) angeordnet ist. 28. Device according to one of claims 26 or 27, wherein the device has a first light fiber (10) with a light exit end (91) and a second light fiber (13) with a light entry end (92), and wherein a first shadow mask (60) the light exit end (91) and a second shadow mask (60) is arranged at the light entry end (92).
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