EP4727721A1 - Vorrichtung zur bestimmung der fokuslage eines bearbeitungslaserstrahls - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Fokuslage (FL) eines Bearbeitungslaserstrahls (2) in Bezug auf eine Oberfläche (3a) eines Werkstücks (3), umfassend: eine Messlichtquelle (4), die ausgebildet ist, Messlicht (5a, 5b) bei mindestens zwei unterschiedlichen Messwellenlängen zu emittieren, einen Bearbeitungskopf (13) zur Fokussierung des Messlichts (5a, 5b) auf das Werkstück (3), eine Strahlführungseinrichtung (12) zur Führung des Messlichts (5a, 5b) zu dem Bearbeitungskopf (13), mindestens ein optisches Element (15, 17) mit chromatischer Aberration, das von dem Messlicht (5a, 5b) durchlaufen wird und das bevorzugt in dem Bearbeitungskopf (13) angeordnet ist, eine Detektoreinheit (6) zur Erfassung der Intensität (I₁, I₂) des von der Oberfläche (3a) des Werkstücks (3) zurückreflektieren Messlichts (5a', 5b'), sowie eine Auswerteeinrichtung (19) zur Bestimmung der Fokuslage (FL) des Bearbeitungslaserstrahls (2) in Bezug auf die Oberfläche (3a) des Werkstücks (3) anhand der von der Detektoreinheit (6) erfassten Intensität (I₁, I₂). Bei der Vorrichtung (1) ist die Strahlführungseinrichtung (12) zur gemeinsamen Strahlführung des Bearbeitungslaserstrahls (2) und des Messlichts (5a, 5b) zu dem Bearbeitungskopf (13) ausgebildet.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls in Bezug auf eine Oberfläche eines Werkstücks, umfassend: eine Messlichtquelle, die ausgebildet ist, Messlicht bei mindestens zwei unterschiedlichen Messwellenlängen zu emittieren, einen Bearbeitungskopf zur Fokussierung des Messlichts auf das Werkstück, eine Strahlführungseinrichtung zur Führung des Messlichts zu dem Bearbeitungskopf, mindestens ein optisches Element mit chromatischer Aberration, das von dem Messlicht durchlaufen wird und das bevorzugt in dem Bearbeitungskopf angeordnet ist, eine Detektoreinheit zur Erfassung der Intensität des von der Oberfläche des Werkstücks zurückreflektieren Messlichts, sowie eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks anhand der von der Detektoreinheit erfassten Intensität des Messlichts.

Im Sinne dieser Anmeldung wird unter einem Werkstück ein beliebiges Objekt verstanden, in Bezug auf dessen Oberfläche die Fokuslage bestimmt werden soll. Bei dem Werkstück kann es sich um ein zur Bearbeitung mit dem Bearbeitungslaserstrahl vorgesehenes Objekt handeln. Bei dem Werkstück kann es sich aber auch um ein Objekt handeln, das nicht zur Bearbeitung mit dem Bearbeitungslaserstrahl vorgesehen ist und dessen Oberfläche eine Referenz bildet, um die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls in Bezug auf diese Referenz zu bestimmen.

Laserbearbeitungsprozesse, insbesondere Schweißprozesse mit Festoptiken, robotergeführte Remoteschweißprozesse mit Scanneroptiken, Laserschneiden sowie verschiedenste Ultrakurzpulsanwendungen erfordern ein zunehmendes Maß an sensorischer Überwachung, um steigenden Ansprüchen an eine hohe und gleichbleibende Bearbeitungsqualität zu genügen. Es lässt sich grundsätzlich unterscheiden zwischen Online- und Offline-Sensoriken sowie der On-Axis bzw. Off- Axis-Anordnung einer Sensorik. Zur Bewertung des Bearbeitungsergebnisses existieren je nach Laseranwendung verschiedenste sensorisch erfassbare Merkmale (z.B. Einschweißtiefe, Wärmefeld an der Bearbeitungszone, Position der Fügepartner, etc.) und je nach Laseranwendung verschiedenste zu berücksichtigende (z.B. Strahlgeometrie, Wellenlänge, ...) bzw. durch Einsatz von Sensorik zu regelnde (z.B. Laserleistung, Vorschub, Positionierung des Bearbeitungslaserstrahls, ... ) Laserbearbeitungskenngrößen.

Maßgeblich für die Bearbeitungsqualität und die Prozessstabilität verschiedenster Laseranwendungen ist die Prozessführung mit einer gezielt eingestellten und möglichst gleichbleibenden Fokuslage, die sensorisch erfassbar ist. Die Fokuslage repräsentiert dabei den Abstand zwischen dem Fokus des Bearbeitungslasers und der Oberfläche des zu bearbeitenden Targets bzw. Werkstücks, gemessen entlang der optischen Achse der in einen Bearbeitungskopf integrierten Bearbeitungsoptik. Beispielsweise wird, um beim Laserschweißen von Stahlwerkstoffen Spritzer zu vermeiden, das Schweißen bei einer Fokuslage von -2 mm empfohlen. Hierbei wird der Laserbearbeitungsfokus ausgehend von der Oberfläche des Werkstücks um 2 mm in das Werkstückinnere versetzt. Dieser Wert basiert auf empirisch gewonnenen Erfahrungen.

Praxisüblich ist es, bei der Einstellung der Fokuslage eine Genauigkeit von 1/3 der Rayleighlänge des Bearbeitungslaserstrahls einzuhalten. Dies zu realisieren ist insbesondere herausfordernd bei der Laserbearbeitung mit kleinen Bestrahlungsdurchmessern von wenigen 10 pm (exemplarisch 11 pm), kleinen Abbildungsverhältnissen bei Verwendung von beispielsweise kurzbrennweitigen Fokussieroptiken im zweistelligen mm-Bereich (exemplarisch 65 mm) und damit verbunden geringen Rayleighlängen von deutlich weniger als 1 mm (exemplarisch 0,14 mm). Zusätzlich erschwert wird die Fokuseinstellung, wenn sich die Fokuslage bzw. der Abstand zwischen Werkstückoberfläche und Bearbeitungsoptik während des Laserprozesses verändert, z.B. bei Abtragprozessen mittels Ultrakurzpulslaser, und somit die initial eingestellte Fokuslage über die Prozessdauer an Gültigkeit verliert. Besonders die im Rahmen der Elektromobilität aufkommenden Anwendungen erfordern eine häufige und vor allem schnelle Fokuslagenbestimmung, Fokuslagenüberwachung oder Fokuslagennachführung: So beinhaltet beispielsweise der Stator eines Elektromotors eine Vielzahl sogenannter Hairpin-Paare, wobei die Lage der zu schweißenden Stirnflächen aufgrund von Fertigungstoleranzen variiert. Der Schweißprozess reagiert sensibel auf Abweichungen der Fokuslage, folglich sollte diese vor der Laserbearbeitung eines jeden Hairpin-Paars erfasst und korrigiert werden. Als weiteres Beispiel sei das Schweißen der Kontaktierungen von Batterieblöcken oder Kontaktierungen auf verschiedenen Ebenen anderer elektronischer Aufbauten genannt. Bei der Fertigung von Brennstoffzellen ist es von zusätzlicher Bedeutung, das Planfeld einer Laserscanneroptik möglichst exakt zu einem großflächigen Werkstück (Bipolarplatte, exemplarisch 15 cm x 30 cm) rotatorisch auszurichten, sodass Schweißbahnen, welche sich über eine große Länge erstrecken, über das gesamte Werkstück bestmöglich mit der beabsichtigten Fokuslage geschweißt werden.

Im praktischen Einsatz ist die Fokuslage weiterhin durch Form- und Lageabweichungen des Werkstücks (Toleranzen bzw. Schwankungen des Herstellungsprozesses, Toleranz der Werkstückspannung), Ungenauigkeiten in der die Bearbeitungsoptik führenden Aktorik (z.B. absolute Positioniergenauigkeit eines Industrieroboters, welcher eine Scanneroptik führt) oder zeitlichen Veränderungen in der Bearbeitungsoptik (thermischer Fokusshift durch Erwärmung und damit verbunden Verzug oder Änderung des Brechungsindex der Komponenten der Bearbeitungsoptik) Schwankungen unterworfen.

Zur Bestimmung der Fokuslage existieren verschiedene Möglichkeiten, von denen nachfolgend mehrere beschrieben werden:

Erzeugen einer Fokusreihe: Auf ein schwarz eloxiertes Aluminiumblech werden nacheinander mehrere Bearbeitungslaserpulse abgegeben, während zwischen den einzelnen Laserpulsen der Abstand zwischen Bearbeitungsoptik und Aluminiumblech in stets derselben (bekannten) Schrittweite und Richtung variiert und das Blech zusätzlich lateral zum Bearbeitungslaserstrahl verschoben wird. Alternativ kann die Fokuslage durch Bewegung von Linsen oder die Brennweitenänderung eines Fokussierspiegels innerhalb der Bearbeitungsoptik geändert werden. Der Abstand zwischen Bearbeitungsoptik bzw. Bearbeitungskopf und Blech wird zu Beginn der Fokusreihe grob dergestalt gewählt, dass die Bearbeitungsoptik etwa zur Mitte der Fokusreihe die Fokuslage 0 durchfährt, bei der sich der Fokus der Bearbeitungslaserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks befindet. Mit jedem Laserpuls wird an der entsprechenden Bearbeitungsstelle die Eloxalschicht des Aluminiums abgetragen, wodurch sich die Bearbeitungsstelle als heller Fleck vom umgebenden Blech abhebt. Eine anschließende Vermessung der einzelnen Bearbeitungsstellen dient dazu, die Bearbeitungsstelle mit dem kleinsten Durchmesser zu ermitteln. An dieser Bearbeitungsstelle fand die Bearbeitung nahe an oder in Fokuslage 0 statt.

In der WO 2020/143861 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontrollierten Laserbearbeitung eines Werkstücks mittels konfokaler Abstandsmessung beschrieben. Dort wird eine optisch-konfokale Abstandsmess-Vorrichtung mit einer brennweitenvariablen Messlichtoptik verwendet, deren Brennweite zeitlich variiert wird, um Abstandsmessdaten bei unterschiedlichen Brennweitenwerten zu erfassen. Das Erfassen der Abstandsmessdaten umfasst das Erfassen einer Intensität des von dem zu bearbeitenden Werkstück zurückreflektierten Messlichts und der Abstand wird anhand eines zeitlichen Verlaufs der Intensität des von dem zu bearbeitenden Werkstück zurückreflektierten Messlichts ermittelt. Befindet sich der Fokus an der Oberfläche des Werkstücks, wird die Intensität des Messlichts maximal. Anhand des zeitlichen Verlaufs der Intensität des zurückreflektierten Messlichts kann auf die Fokuslage geschlossen werden.

In der DE 10 2019 004 337 A1 ist eine Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung einer axialen Fokus-Position eines aus einem Laserstrahl ausgekoppelten Messstrahls beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung, die zum Empfang eines ersten Messstrahls eingerichtet ist und die eine erste Selektionsvorrichtung zur Bildung eines ersten Teilstrahls aus einem ersten Teil-Aperturbereich des ersten Messstrahls umfasst. Die Vorrichtung umfasst eine Detektoreinheit mit einem lichtempfindlichen Detektor sowie eine Auswertungseinheit zur Verarbeitung von Signalen der Detektoreinheit. Die erste Selektionsvorrichtung ist bezüglich einer für die Einstrahlung des ersten Messstrahls vorgesehenen optischen Achse außermittig angeordnet und die Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung ist eingerichtet, den ersten Teilstrahl zur Erzeugung eines ersten Strahlflecks auf die Detektoreinheit abzubilden. Die Auswertungseinheit ist zur Bestimmung einer lateralen Position des ersten Strahlflecks eingerichtet. Eine Änderung der axialen Fokus-Position des Messstrahls ist korreliert mit einer Änderung der lateralen Position des ersten Strahlflecks.

Die DE 10 2018 211 166 A1 bzw. WO 2020 007 984 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überprüfen einer Fokuslage eines gepulsten Laserstrahls relativ zu einem Werkstück. Der Laserstrahl wird an einer Mehrzahl von Positionen entlang einer Bahnkurve auf dem Werkstück fokussiert und es wird Strahlung detektiert, die bei einer Wechselwirkung des gepulsten Laserstrahls an einer jeweiligen Position erzeugt wird. Anhand von Signalwerten, die der detektierten Strahlung an einer jeweiligen Position entsprechen, wird die Fokuslage an mindestens einer der Positionen überprüft. Zu diesem Zweck wird der Signalwert an der Position mit einem aus den Signalwerten gebildeten Referenzwert verglichen.

Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls bietet ein kommerziell verfügbarer Sensor, der auch als CalibrationLine-Sensor bezeichnet wird. Dieser Sensor besteht im Wesentlichen aus einer Lochblende mit dahinter angebrachter Fotodiode. Der Sensor wird abseits des zu bearbeitenden Werkstücks befestigt. Zur Fokuslagenbestimmung wird die Bearbeitungsoptik dergestalt über der Lochblende platziert, dass diese mit der angenommenen Position des Laserfokus zusammenfällt. Die Lochblende wird sodann durch Auslenkung des Bearbeitungslaserstrahls (z.B. durch eine Scanneroptik oder eine an einem Roboter angebrachte Festoptik) lateral abgerastert. Währenddessen werden die an der Fotodiode gemessenen Intensitätswerte mitgeschrieben. Wird das Raster bei verschiedenen Distanzen zwischen Laseroptik und Lochblende wiederholt, entsteht eine dreidimensionale Intensitätskarte, aus der u.a. die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls errechnet werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht im Schneiden eines Fokuskamms: Mittels eines Dienstprogrammes werden mehrere Schnitte kammförmig in ein Bauteil geschnitten. Dabei wird von Schnitt zu Schnitt die Fokuslage variiert und anschließend mittels Überprüfens durch eine Fühlerlehre der kleinste Schnittspalt ermittelt.

Es ist auch möglich, die Fokuslage indirekt mit Hilfe einer Abstandssensorik zu bestimmen, welche die Distanz zwischen dem Werkstück und einem beliebigen Referenzpunkt erfasst. Bei dem Referenzpunkt kann es sich beispielsweise um den Nullpunkt des Messbereichs der optischen Kohärenztomographie (engl. „optical coherence tomography“, OCT) handeln. In diesem Fall ist jedoch vorab ein weiterer Schritt erforderlich: Die Schaffung eines Bezugs zwischen der Fokuslage des Bearbeitungslasers und dem Referenzpunkt der Abstandssensorik. Dies geschieht über eine ergänzende Sensoriklösung, beispielsweise über den weiter oben beschriebenen CalibrationLine-Sensor, indem mit diesem zunächst die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls abseits des zu bearbeitenden Werkstücks erfasst wird. Über ergänzende Bezugsmerkmale des CalibrationLine-Sensors wird der Abstandssensorik, beispielsweise der OCT-Sensorik, die Möglichkeit zur geometrischen Referenzierung auf das Koordinatensystem des CalibrationLine- Sensors und hiermit auch der Bezug zu der per CalibrationLine-Sensor erfassten Fokuslage gegeben.

Den weiter oben beschriebenen bekannten Verfahren ist gemeinsam, dass diese eine Fokuslagenbestimmung durchführen, die einzeln oder in Kombination:

- nur mit indirektem Bezug zum Werkstück stattfindet, da die Messung nicht auf diesem stattfinden kann (CalibrationLine-Sensor / Erzeugung von Fokusreihen);

- nur mit indirektem Bezug zur Fokuslage stattfindet, da die Fokuslage aus einem Messwert rekonstruiert wird, der nicht unmittelbar mit dieser in Verbindung steht (z.B. OCT: Misst auf dem Werkstück einen Abstand zu einem aus messtechnischen Gründen festgesetzten Bezugspunkt, der nicht der Fokuslage 0 entspricht und der somit durch weitere Hilfsmittel auf die Fokuslage 0 bezogen (kalibriert) werden muss, z.B. durch den CalibrationLine-Sensor); - gemessen an schnellen Prozesstaktzeiten für eine Fokusmessung zu Beginn einer jeden Bearbeitung zu langsam ist (CalibrationLine-Sensor / Erzeugung von Fokusreihen);

- aufgrund des Erfordernis der Bearbeitung auf verschiedenen, toleranzbehafteten Ebenen technisch oder wirtschaftlich nur schwer möglich ist (CalibrationLine-Sensor / Erzeugung von Fokusreihen);

- mit manuellem Aufwand verbunden ist (Erzeugung von Fokusreihen);

- nicht alle Störeinflüsse im optischen Pfad bzw. im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls erfasst, die sich auf die Fokuslage auswirken (WO 2020/143861 A1 und DE 10 2019 004 337 A1);

- teuer ist, sofern die entsprechende Sensorik lediglich zum Zwecke der Fokuslagenmessung eingesetzt werden soll (OCT).

In der DE 10 2009 059 245 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung und Justierung des Fokus eines Laserstrahls bei der Laserbearbeitung von Werkstücken beschrieben, umfassend: eine optische Einrichtung zur Zuführung und Fokussierung eines von einem Bearbeitungslaser emittierten Laserstrahls, die ein in einem Bearbeitungskopf angeordnetes Fokussierelement aufweist, wenigstens eine erste und eine zweite Justierlichtquelle, die Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, eine optische Einrichtung zur Zuführung und Fokussierung der von den Justierlichtquellen emittierten Strahlung auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks, eine optische Auskoppeleinrichtung zum Auskoppeln der von der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks zurück reflektierten Strahlung der Justierlichtquellen, die eine chromatische Aberration aufweist, einen Detektor zum Erfassen der Intensitäten der reflektierten Strahlung der Justierlichtquellen, sowie eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Lage des Fokus des Laserstrahls des Bearbeitungslasers in Bezug auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks.

Die Grundlage der in der DE 10 2009 059 245 A1 beschriebenen Erfassung der Fokuslage ist das chromatisch konfokale Prinzip, das den wellenlängenabhängigen Brechungsindex elektromagnetischer Strahlung (vornehmlich UV, VIS, NIR, IR) beim Durchgang durch optische Elemente und die daraus resultierende chromatische Aberration ausnutzt. So erfährt der Fokus von breitbandigem, von einer Punktlichtquelle ausgehendem Licht, das mittels Linsen kollim iert und dann wieder fokussiert wird, nach der Fokussierung eine spektrale Spreizung: Da die verschiedenen Wellenlängenanteile des breitbandigen Lichts auf unterschiedliche Positionen entlang der optischen Achse fokussiert werden, wirkt dessen Fokus insgesamt in die Länge gezogen. Wird nun ein Target, z.B. ein Werkstück, innerhalb des Fokusbereichs platziert, tritt vornehmlich Licht der Wellenlänge, welche sich im Fokus befindet, auf demselben Weg in die Optik ein und durch diese hindurch, den es bereits auf dem Weg durch die Optik hin zum Target passiert hat. Wird sämtliches vom Target reflektiertes Licht auf eine als Raumfilter wirkende Blende geleitet, lässt diese hauptsächlich Licht der Wellenlänge, dessen Fokus sich auf der Oberfläche des Targets befindet, passieren. Dieses Licht wird durch eine Detektoreinheit (häufig ein Spektrometer) erfasst, wobei die spektrale Information einen direkten Rückschluss auf die Lage des Targets relativ zu einer beliebigen anderen Wellenlänge des Messlichts erlaubt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung, insbesondere zur Überwachung und ggf. Korrektur, der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls, die auf dem chromatisch konfokalen Prinzip beruht, zu verbessern.

Gegenstand der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung eingangs genannter Art gelöst, bei der die Strahlführungseinrichtung zur gemeinsamen Strahlführung des Bearbeitungslaserstrahls und des Messlichts zu dem Bearbeitungskopf ausgebildet ist. Die Strahlführungseinrichtung ist typischerweise zur koaxialen Strahlführung des Bearbeitungslaserstrahls und des Messlichts ausgebildet. Der Bearbeitungslaserstrahl und das Messlicht werden typischerweise von einer Bearbeitungsoptik im Bearbeitungskopf koaxial auf das Werkstück geführt. Die Strahlführungseinrichtung dient auch zur Führung des von der Oberfläche des Werkstücks zurückreflektierten Messlichts. Anders als dies in der DE 10 2009 059 245 A1 beschrieben ist, erfolgt die Einkopplung des Messlichts in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls bei der hier beschriebenen Vorrichtung nicht erst im Bearbeitungskopf, sondern im Strahlweg vor dem Bearbeitungskopf, typischerweise in einem Lasergerät (s.u.), das vom Bearbeitungskopf beabstandet angeordnet ist. Auf diese Weise wird der gemeinsame Strahlweg des Bearbeitungslaserstrahls und des Messlichts verlängert bzw. diese weisen denselben Strahlweg auf, weshalb bei der Bestimmung der Fokuslage mit Hilfe des Messlichts sämtliche optischen Elemente berücksichtigt werden, die einen Einfluss auf die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls haben. Auf diese Weise ist eine korrekte Ermittlung der Fokuslage auch bei einem thermischen Fokusshift, bei einer im Stecker eines Lichtleitkabels verrutschten Endkappe oder beim Wechsel eines Lichtleitkabels möglich.

Die auf diese Weise ausgebildete Vorrichtung ist zudem robust und weist einen direkten Bezug zum Bearbeitungslaserstrahl auf: Bei der hier beschriebenen Vorrichtung findet die Bestimmung der Fokuslage direkt am Werkstück statt und nicht an einem Target, welches abseits des Werkstücks für eine Fokusreihe verwendet wird bzw. nicht wie bei dem weiter oben beschriebenen CalibrationLine-Sensor, bei dem die Erfassung der Fokuslage ebenfalls abseits des zu bearbeitenden Werkstücks erfolgt.

Die mit Hilfe der Vorrichtung bestimmte Fokuslage kann mit einer Soll-Fokuslage verglichen werden, d.h. mit Hilfe der Vorrichtung kann die Fokuslage überwacht werden. Bei einer Abweichung der mit Hilfe der Vorrichtung bestimmten Fokuslage von der Soll-Fokuslage kann eine Korrektur der Fokuslage vorgenommen werden. Insbesondere kann hierbei ggf. auch eine Korrektur des Abstands zwischen der Bearbeitungsoptik und der Oberfläche des Werkstücks vorgenommen werden.

Bei einer Ausführungsform sind die Messlichtquelle und bevorzugt die Detektoreinheit in ein Lasergerät zur Bereitstellung des Bearbeitungslaserstrahls integriert, das bevorzugt eine Bearbeitungslaserquelle zur Emission des Bearbeitungslaserstrahls aufweist, und die Strahlführungseinrichtung ist zur gemeinsamen Strahlführung des Bearbeitungslaserstrahls und des Messlichts von dem Lasergerät zu dem Bearbeitungskopf ausgebildet. Typischerweise sind die Detektoreinheit und die Messlichtquelle in einer gemeinsamen Sensoreinheit angeordnet, die einen Ausgang aufweist, an dem das Messlicht austritt, wobei der Ausgang in der Regel gleichzeitig den Eingang für das vom Werkstück zurückreflektierte Messlicht bildet. Das Messlicht verfolgt auf dem Weg vom Lasergerät zum Bearbeitungskopf bzw. zur Bearbeitungsoptik denselben Weg wie der Bearbeitungslaserstrahl, d.h. das Messlicht bewegt sich auch durch dasselbe Transportmedium (Freistrahl oder Lichtleitkabel, s.u.). Das Auskoppeln des Messlichts erfolgt in einer fasergeführten Sensoreinheit bevorzugt über eine (gemeinsame) Austrittsfaser, welche als Singlemode- oder Multimode-Faser ausgeführt sein kann. Im Freistrahlaufbau der Sensoreinheit ist der Schritt zum Auskoppeln des Messlichts bereits vorweggenommen, z.B. durch eine frühzeitige Auskopplung des Messlichts direkt am Austritt der Messlichtquelle.

Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird eine chromatisch konfokale Erfassung der Fokuslage realisiert, die in den Verbund aus Lasergerät, Strahlführungseinrichtung (in der Regel Lichtleitkabel oder Freistrahl z.B. im Falle von UKP-Laseranwendungen) und Bearbeitungskopf bzw. Bearbeitungsoptik integriert ist. Die Bearbeitungsoptik des Bearbeitungskopfs kann als starrer oder als scannender Aufbau umgesetzt werden. Die auf diese Weise ausgebildete Vorrichtung ist kompakt, einfach zu integrieren und weist eine hohe wirtschaftliche Einsetzbarkeit auf, da die Messlichtquelle und die Detektoreinheit in das Lasergerät integriert sind und nicht für jede vorhandene Bearbeitungsoptik bzw. für jeden Bearbeitungskopf neu angeschafft werden müssen. Die Vorrichtung kann zudem aus Standardteilen zusammengebaut werden, sodass die Herstellungskosten gering sind. Die Bestimmung der Fokuslage kann zudem innerhalb weniger Millisekunden erfolgen und kann daher z.B. vor jeder Schweißung durchgeführt werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Strahlführungseinrichtung zur gemeinsamen Strahlführung des Bearbeitungslaserstrahls und des Messlichts ein Lichtleitkabel auf. In diesem Fall dient typischerweise ein Faserende des Lichtleitkabels am Bearbeitungskopf als Austrittsblende und als Eintrittsblende für die chromatisch konfokale Fokuslagenbestimmung bzw. für die zu diesem Zweck vorgesehene Sensoreinheit. Das Lichtleitkabel wirkt als Raumfilter und lässt vornehmlich den Reflex derjenigen Messwellenlänge des Messlichts passieren, dessen Fokus sich an der Oberfläche des Werkstücks befindet. Für den hier beschriebenen Fall, dass die Strahlführungseinrichtung ein Lichtleitkabel aufweist, ist es günstig, wenn die Einkopplung in das Lichtleitkabel mit möglichst kleiner Strahltaille (unter Berücksichtigung der Grenzwinkel von ggf. vorhandener Austrittsfaser des Messlichts und des Lichtleitkabels) erfolgt, das dies eine optimale Kopplungseffizienz bei Lichtleitkabeln mit verschiedenen Kerndurchmessern (z.B. 50 pm bis 400 pm) ermöglicht.

Die chromatisch konfokale Antwort des Gesamtsystems liegt im einfachsten Fall als ungefiltertes Intensitätssignal vor, das von der Detektoreinheit erfasst wird. Deshalb ist der Sensorikaufbau bzw. die Sensoreinheit empfindlich gegenüber jeglichen Messlichtreflexen, die nicht vom Werkstück stammen. Da das Transportmedium in Form des Lichtleitkabels zwischen dem Lasergerät und der Bearbeitungsoptik im Bearbeitungskopf das Messlicht sowohl zum Werkstück hin als auch vom Werkstück zurück zum Lasergerät bzw. zur darin enthaltenen Sensoreinheit führt, würde das Nutzsignal (d.h. der vom Werkstück reflektierte und auswertbare Messlichtanteil) von im Transportmedium entstehenden Reflexen störend überlagert werden. Bei einem fasergeführten Bearbeitungslaserstrahl bzw. Messlicht treten die Reflexe beispielsweise am Fasereintritt und am Faseraustritt auf (der Brechungsindexübergang Glas-Luft erzeugt an der senkrechten Endfläche des Lichtleitkabels ohne Antireflexbeschichtung ca. 4% Rückreflexion). Deshalb sind insbesondere bei der Nutzung von Standard-Lichtleitkabeln oder von Doubleclad- Fasern bzw. von BrightLine Weid Fasern Vorkehrungen zu treffen, welche die Rückreflexe am Fasereintritt und am Faseraustritt senken. Zu diesem Zweck können beispielsweise antireflexbeschichtete Endkappen an dem Lichtleitkabel angebracht werden.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das Lichtleitkabel als Hohlkern- Faser oder als Mehrfacheclad-Faser, insbesondere als Doubleclad-Faser, ausgebildet. Bei einer Hohlkern-Faser wird das Licht in einem hohlen Kem geführt. Bei Hohlkern-Lichtleitkabeln entfällt daher in der Regel die Notwendigkeit einer Endkappe bzw. einer Antireflexbeschichtung, da das im hohlen Kern geführte Licht keine Brechungsindexänderung beim Eintreten in die Faser bzw. beim Verlassen der Faser erfährt. Eine Doubleclad-Faser weist zwischen dem lichtführenden Kern und dem umhüllenden Mantel einen lichtführenden Ring auf. Der Ring kann beispielsweise dazu verwendet werden, um das zurückreflektierte Messlicht zu führen, während der Kern dazu verwendet wird, das Messlicht zu dem Werkstück zu führen. Anstelle einer Doubleclad-Faser kann auch eine Mehrfachclad-Faser verwendet werden, die als Tripleclad-Faser oder als Quadclad-Faser ausgebildet ist.

Bei einer weiteren Weiterbildung ist die Detektoreinheit zur separaten Erfassung der Intensität des in einem Kem, in einem Mantel und/oder in einem Ring des Lichtleitkabels von der Oberfläche des Werkstücks zurückreflektiertem Messlicht ausgebildet. Das vom Werkstück reflektierte und auswertbare Messlicht wird nachfolgend auch als Nutzlicht bezeichnet. Unter der separaten Erfassung der Intensität wird auch eine alleinige Erfassung der Intensität des in dem Kem, in dem Mantel oder in dem Ring des Lichtleitkabels von der Oberfläche des Werkstücks zurückreflektieren Messlichts verstanden.

Beim Einsatz von Lichtleitkabeln als Strahlführungseinrichtung bildet deren Kem die Eintrittsblende des chromatisch konfokalen Messprinzips. Da sowohl der Mantel aller weiter oben beschriebenen Typen von Lichtleitkabeln wie auch der Ring einer Doubleclad-Faser bzw. eines BrightLine Weid Lichtleitkabels eine weitere Eintrittsfläche für das Messlicht darstellt, zur Führung des Messlichts geeignet ist und im Vergleich zum Faserkern einen großen Querschnitt besitzt, vergrößert eine gemeinsame Auswertung des Nutzlichtanteils vom Mantel des Lichtleitkabels bzw. vom Ring des Lichtleitkabels mit dem Nutzlichtanteil des Kems des Lichtleitkabels die Unschärfe des Messprinzips.

Es ist daher möglich bzw. günstig, den im Mantel sowie den im Ring des Lichtleitkabels geführten Nutzlichtanteil vor dem Eintritt in die Sensoreinrichtung zu entfernen. Zur Absonderung des Nutzlichtanteils, der im Mantel des Lichtleitkabels geführt wird, können entsprechende Vorkehrungen z.B. in Form von angeätzten Mantelflächen getroffen werden. Zur Entfernung des Messlichtanteils im Ring des Lichtleitkabels kann in der Sensoreinrichtung eine weitere Eintrittsblende vorgesehen werden. In diesem Fall erfolgt in der Detektoreinheit eine separate, alleinige Erfassung der Intensität des im Kern des Lichtleitkabels zurückreflektierten Nutzlichtanteils.

Die Detektoreinheit kann auch zur wahlweisen Erfassung der Intensität des im Kem, im Mantel oder im Ring des Lichtleitkabels zurückreflektierten Nutzlichtanteils ausgebildet sein. Die Detektoreinheit kann ggf. jeweils einen eigenen Detektor für die Erfassung des im Kem, im Mantel und ggf. im Ring des Lichtleitkabels zurückreflektierten Nutzlichtanteils aufweisen. Es ist weiterhin die alleinige Erfassung des aus dem Mantel und/oder dem Ring des Lichtleitkabels stammenden Nutzlichts bei gänzlichem Verzicht auf die Erfassung des aus dem Kem des Lichtleitkabels stammenden Nutzlichts möglich.

Alternativ kann die Detektoreinheit zur separaten Erfassung des aus dem Mantel bzw. aus dem Ring des Lichtleitkabels stammenden Nutzlichts ausgebildet sein, die getrennt von der Erfassung des Nutzlichtanteils im Kem des Lichtleitkabels erfolgt. Dies erlaubt einen zweistufigen Messvorgang, bei dem die Auswertung des aus dem Mantel und/oder Ring stammenden Nutzlichts zur ungenauen Fokuslagenbestimmung mit vergrößertem Messbereich und die alleinige Auswertung des aus dem Kem des Lichtleitkabels stammenden Nutzlichtanteils zur genauen Fokuslagenbestimmung mit kleinem Messbereich dient.

Zwei oder mehr unterschiedlich große Messbereiche, in denen die Fokuslagenbestimmung mit unterschiedlicher Messgenauigkeit erfolgt, können für die Bestimmung der Fokuslage u.a. aus folgendem Grund vorteilhaft sein: Die Bearbeitungsoptik im Bearbeitungskopf (Festoptik oder Scanneroptik) fokussiert sowohl den Bearbeitungslaserstrahl wie auch das Messlicht über eine entsprechende Fokussieroptik, beispielsweise in Form einer Fokussierlinse. Die Bearbeitungsoptik erzeugt durch chromatische Aberration die für das Sensorprinzip erforderliche Fokusspreizung des Messlichts. Unter Annahme sonst gleichbleibender

Bedingungen bestimmt die Fokuslänge der Bearbeitungsoptik des Bearbeitungskopfs das Maß der fokalen Aufspreizung des Messlichts entlang der optischen Achse und sorgt somit für die Adaptivität der Sensorik: Bei kleiner werdender Fokuslänge und kleiner werdender Schärfentiefe des Bearbeitungslaserstrahls steigt die Genauigkeitsanforderung der Fokuslagenbestimmung. Mit kleiner werdender Fokuslänge sinkt jedoch auch die Rayleighlänge des Messlichts und ermöglicht dadurch (bei kleiner werdendem Messbereich) eine höher aufgelöste Fokuslagenbestimmung.

Bei einer alternativen Weiterbildung ist die Strahlführungseinrichtung zur gemeinsamen Strahlführung des Bearbeitungslaserstrahls und des Messlichts in Freistrahlpropagation ausgebildet. In diesem Fall werden der Bearbeitungslaserstrahl und das Messlicht im Transportmedium Luft dem Bearbeitungskopf zugeführt.

Hierbei ist eine Eintrittsblende in dem Lasergerät bzw. in der Sensoreinheit vorgesehen, um die chromatisch konfokale Messung durchzuführen. Als Austrittsblende für das Messlicht kann eine Austrittsfaser bzw. ein austrittsseitiges Faserende der Austrittsfaser der Sensoreinheit dienen, die gleichzeitig die Eintrittsblende für das zurückreflektierte Messlicht bildet. Für den Fall, dass die Strahlführung in der Sensoreinheit ganz oder teilweise in Freistrahlpropagation erfolgt, kann als separates Bauteil eine Austrittsblende vorgesehen sein.

Die Wahl des Transportmediums (Lichtleitkabel oder Freistrahl) und die Art des Lichtleitkabels hängt von der Anwendung ab. Für den Fall einer Adaption der Sensoreinheit an einen Scheiben-, Faser oder Diodenlaser handelt es sich in der Regel um ein gewöhnliches Lichtleitkabel mit lichtführendem Kern und Mantel oder um eine Doubleclad-Faser bzw. BrightLine Weid Faser, welche Licht im Kern und im Ring zu verschiedenen Anteilen zu führen vermag. Im Falle einer Adaption an einen Ultrakurzpulslaser handelt es sich typischerweise um ein Hohlkern-Lichtleitkabel oder um den Freistrahl.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Kopplungseinrichtung zur Einkopplung des Messlichts der Messlichtquelle in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls und zur Auskopplung des von der Oberfläche des Werkstücks zurückreflektieren Messlichts aus dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls auf, wobei die Kopplungseinrichtung bevorzugt in dem Lasergerät angeordnet ist. Die Ein- und Auskopplung des Messlichts erfolgt typischerweise in dem Lasergerät vor der gemeinsamen Einkopplung des Messlichts und des Bearbeitungslaserstrahls in die Strahlführungseinrichtung. Die Ein- und Auskopplung des Messlichts erfolgt in der Regel im Freistrahl. Die Kopplungseinrichtung für die Ein- und Auskopplung des Messlichts kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein, beispielsweise als (ggf. eng tolerierter) dichroitischer Strahlteiler, als Lochspiegel oder als Scraperspiegel. Bei dieser Ausführungsform ist die Kopplungseinrichtung typischerweise ortsfest angeordnet und ermöglicht eine zeitparallele Bearbeitung des Werkstücks mit dem Bearbeitungslaserstrahl und eine Bestimmung der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls mit Hilfe des Messlichts.

Bei einer alternativen Ausführungsform bildet die Kopplungseinrichtung eine Strahlweiche, die zur wahlweisen Einkopplung des Bearbeitungslaserstrahls oder des Messlichts in die Strahlführungseinrichtung im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls anordenbar und aus dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls entfernbar ist. In diesem Fall ist die Bestimmung der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls nur vor oder nach, aber nicht gleichzeitig mit der Bearbeitung des Werkstücks durch den Bearbeitungslaserstrahl möglich. Die Strahlweiche kann der Strahlführungseinrichtung wahlweise zusätzlich einen Pilotlaserstrahl zuzuführen. In diesem Fall ist das Lasergerät bzw. die Sensoreinheit zusätzlich zur Bereitstellung des Messlichts zur Bereitstellung eines Pilotlaserstrahls ausgebildet, um ersatzweise an Stelle des Messlichts den sichtbaren Pilotlaserstrahl in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls einzukoppeln.

Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Separationseinrichtung zur Separation des von der Messlichtquelle emittierten Messlichts von dem vom Werkstück zurückreflektierten Messlicht, wobei die Separationseinrichtung bevorzugt in einer Sensoreinheit des Lasergeräts angeordnet ist. Da das von der Messlichtquelle ausgesandte Messlicht und das von der Oberfläche des Werkstücks zurückreflektierte Messlicht und der Bearbeitungslaserstrahl zwischen Lasergerät und Werkstück koaxial geführt werden, sind die einzelnen Strahlungsbestandteile vor bzw. in der Sensoreinheit für eine Auswertung des Nutzsignals zu trennen. Um auch beim Einsatz von Lichtleitkabeln mit größerem Kerndurchmesser (z.B. 400 pm) in der Strahlführungseinrichtung das Nutzsignal des gesamten Lichtleitkabel-Querschnitts der Auswertung zur Verfügung zu stellen, ist es günstig, die Eintrittsblende der Sensoreinheit bzw. die Detektionsfläche der Detektoreinheit idealerweise größer als die möglichst klein gewählte Austrittsfläche für das Messlicht zu wählen.

Wie weiter oben beschrieben wurde, umfasst die Sensoreinheit typischerweise die Detektoreinheit und die Messlichtquelle sowie ggf. weitere Komponenten wie die Auswerteeinrichtung und/oder eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Messlichtquelle. Die Sensoreinheit weist typischerweise einen Ausgang zur Auskopplung des Messlichts auf, der gleichzeitig einen Eingang für das vom Werkstück zurückreflektierte Messlicht bildet. Die Trennung sämtlichen Messlichts vom Strahlengang der Bearbeitungslaserstrahlung geschieht durch die weiter oben beschriebene Kopplungseinrichtung, die gleichermaßen auf die vom Werkstück stammende Nutzstrahlung wirkt.

Im einfachsten Fall wird das Messlicht in der Sensoreinheit in Freistrahlpropagation geführt und die Separationseinrichtung ist als nichtpolarisierender 50:50-Strahlteiler ausgebildet. Ein solcher Strahlteiler reduziert jedoch sowohl die Intensität des Messlichts als auch des Nutzlichts in Form des vom Werkstück zurückreflektierten Messlichts und verringert damit die Effizienz der Sensoreinheit bzw. der Messung.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Separationseinrichtung als Zirkulator in Form eines Faser-Zirkulators oder eines Freistrahl-Zirkulators ausgebildet.

Im Falle einer vollständig oder ggf. teilweise fasergeführt umgesetzten Sensoreinheit kann die Trennung von ausgesandtem Messlicht und Nutzsignal mittels eines Faser- Zirkulators erfolgen. Der Faser-Zirkulator kann an einem ersten Port über eine erste Faser mit der Messlichtquelle verbunden sein. Eine zweite Faser an einem zweiten Port bildet die Austrittsfläche für das Messlicht und die Eintrittsfläche für das Nutzsignal und eine dritte Faser am dritten Port dient zum Austritt des Nutzsignals. Da in diesem Fall die Aus- und Eintrittsfläche des Messlichts bzw. Nutzsignals unmittelbar zusammenfällt, ist der Sensorikaufbau bzw. die Sensoreinheit empfindlich gegenüber rückreflektiertem Messlicht, welches vornehmlich beim Austritt des Messlichts am zweiten Port (Übergang Glas zu Luft) entsteht. Dem kann begegnet werden, indem die Aus- bzw. Eintrittsfaser, die mit dem zweiten Port verbunden ist, mit einer antireflexbeschichteten Endkappe versehen wird.

Im Falle einer teilweise oder vollständig im Freistrahl umgesetzten Sensoreinheit wird die Trennung von Messlicht und Nutzsignal bevorzugt umgesetzt durch einen Freistrahl-Zirkulator. Ein Freistrahl-Zirkulator kann beispielsweise einen Faraday- Rotator sowie weitere optische Elemente aufweisen, welche die Separation des zum Werkstück ausgesandten Messlichts von dem vom Werkstück zurückreflektierten Messlicht auf der Grundlage von unterschiedlichen Polarisationszuständen bewirken. Die Austrittsfläche des Messsignals und die Detektionsfläche des Nutzsignals fallen in diesem Fall nicht unmittelbar zusammen. Daher kann die Detektionsfläche der Detektoreinheit auf einfache Art größer gestaltet werden als die Austrittsfläche des Messlichts. Die Sensoreinheit kann daher auf einfache Weise an Lichtleitkabel mit verschieden großen Durchmessern angepasst werden.

Bei einer alternativen Weiterbildung ist die Separationseinrichtung als Doubleclad- Faserkoppler ausgebildet, der eine Doubleclad-Faser mit einem Kern zur Führung des von der Messlichtquelle emittierten Messlichts, der bevorzugt als Singlemode- Faser ausgebildet ist, besitzt, und einem Ring zur Führung des vom Werkstück reflektierten Messlichts aufweist, der bevorzugt als Multimode-Faser ausgebildet ist.

Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Strahlführung in der Sensoreinheit ganz oder teilweise fasergeführt. Der Ausgang für das Messlicht und der Eingang für das vom Werkstück zurückreflektierte Messlicht wird in diesem Fall von einer Doubleclad- Faser, genauer gesagt von einem Faserende der Doubleclad-Faser, gebildet. Im Kem der Doubleclad-Faser wird das Messlicht zum Werkstück geführt, im lichtführenden Ring wird das vom Werkstück zurückreflektierte Messlicht geführt. Die Doubleclad-Faser bildet einen Teil eines Doubleclad-Faserkopplers oder dieser schließt sich an die Doubleclad-Faser an. Der Doubleclad-Faserkoppler dient dazu, das Singlemode-Messlicht, das im Kern der Doubleclad-Faser geführt wird, vom Multimode-Nutzlicht zu trennen, das im Ring der Doubleclad-Faser geführt wird. Zu diesem Zweck kann die Doubleclad-Faser in einem Kopplungsabschnitt des Doubleclad-Faserkopplers angrenzend zu einer weiteren Faser geführt werden, in deren Kem ein Teil der Nutzstrahlung aus dem Ring der Doubleclad-Faser eingekoppelt wird. Bei der weiteren Faser handelt es sich typischerweise nicht um eine Doubleclad-Faser.

Vorteilhaft beim Einsatz einer Doubleclad-Faser in der Sensoreinheit ist es, dass der Durchmesser der Nutzsignal-Eintrittsfläche (z.B. 105 pm) größer gewählt werden kann als der Durchmesser der Messlicht-Austrittsfläche (z.B. 9 pm) und somit (unter Berücksichtigung der Grenzwinkel von Kem und Ring der Doubleclad-Faser sowie des Lichtleitkabels) bei verschiedenen Kerndurchmessem von Lichtleitkabeln mit optimaler Kopplungseffizienz in beiden Richtungen (Sensorik-Lichtleitkabel für das Messlicht und Lichtleitkabel-Sensorik für das Nutzlicht) gearbeitet werden kann. Für den Fall, dass die Strahlführungseinrichtung zur Führung des Messlichts ein Lichtleitkabel aufweist, kann dieses ebenfalls als Doubleclad-Faser ausgebildet sein.

Bei einer Ausführungsform weist die Messlichtquelle eine erste Lichtquelle, insbesondere eine erste Laserquelle, zur Emission von Messlicht bei einer ersten Messwellenlänge und eine zweite Lichtquelle, insbesondere eine zweite Laserquelle, zur Emission von Messlicht bei einer zweiten Messwellenlänge auf.

Im einfachsten Fall ist die Messlichtquelle ausgebildet, mit Hilfe von zwei Laserquellen, beispielsweise mit Hilfe von zwei Laserdioden, Messlicht mit zwei schmalbandigen Spektren zu erzeugen, die um die erste bzw. um die zweite Messwellenlänge konzentriert sind. Die Foki des Messlichts bei den beiden Messwellenlängen werden durch die chromatische Aberration entlang der optischen Achse der Bearbeitungsoptik des Bearbeitungskopfs zueinander verschoben. Aus dem Verhältnis der von der Detektoreinheit detektierten Intensitäten des Messlichts bei der ersten Messwellenlänge und bei der zweiten Messwellenlänge kann die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls bestimmt werden. Die einzelnen Messwellenlängen sind so zu wählen, dass sich die chromatisch konfokale Antwort (das vom Werkstück reflektierte und in das Lasergerät zurückkommende und detektierbare Messlicht) von mindestens zwei Lichtquellen überlappt. Die diskreten Spektren des Messlichts der einzelnen Lichtquellen können im Falle eines fasergeführten Aufbaus mittels WDM (Wavelength Division Multiplexer), Zirkulatoren oder per Faserkoppler zusammengeführt werden. Im Falle eines Freistrahlaufbaus kann die Zusammenführung des Messlichts der beiden Messwellenlängen z.B. unter Verwendung dichroitischer Spiegel oder polarisationsabhängiger Strahlteiler erfolgen.

Alternativ können die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle nicht als Laserquellen mit schmalbandigen Spektren, sondern als Lichtquellen mit vergleichsweise breitbandigen Spektren um die jeweilige Messwellenlänge herum ausgebildet sein, um den Messbereich zu Lasten der Auflösung zu vergrößern. In diesem Fall können die Lichtquellen beispielsweise als Superlumineszenzdioden ausgebildet sein.

Es ist möglich, dass die Messlichtquelle mindestens ein Paar von Lichtquellen in Form von Laserquellen mit schmalbandigem Spektrum und mindestens ein Paar von Lichtquellen mit einem vergleichsweise breitbandigen Spektrum aufweist, um bei ein- und derselben Bearbeitungsoptik mindestens zwei Messbereiche (Feinmessbereich und Grobmessbereich) zu eröffnen.

Bei einer Weiterbildung weicht/weichen die erste und/oder die zweite Messwellenlänge von einer Bearbeitungslaserwellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls ab. Im einfachsten Fall liegt die erste Messwellenlänge der ersten Lichtquelle unterhalb und die zweite Messwellenlänge der zweiten Lichtquelle oberhalb der Bearbeitungslaserwellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls, dessen Fokuslage zu detektieren ist. Dies ist aber nicht zwingend der Fall, vielmehr können die erste Messwellenlänge und die zweite Messwellenlänge auch beide unterhalb oder oberhalb der Bearbeitungswellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls liegen, beispielsweise wenn eine Fokuslagenbestimmung bei einer dauerhaft defokussierten Bearbeitung erfolgen soll. Um den Messbereich entlang der optischen Achse der Bearbeitungsoptik zu erweitern, können die beiden Lichtquellen der Messlichtquelle ergänzt werden um weitere Lichtquellen, insbesondere um weitere Paare von Lichtquellen, z.B. in Form von Laserquellen oder von Lichtquellen mit einem vergleichsweise breitbandigen Spektrum, deren Messwellenlängen sich mit jeder hinzukommenden Lichtquelle weiter von der Bearbeitungswellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls entfernen. Mit Hilfe einer Steuerungseinrichtung der Sensoreinrichtung werden entweder alle Lichtquellen der Messlichtquelle, eine Auswahl bestimmter Lichtquellen oder je nur eine Lichtquelle in einem zeitgesteuerten Muster nacheinander aktiviert, wobei die Intensität des von der jeweiligen Lichtquelle emittierten und an dem Werkstück zurückreflektierten Messlichts erfasst wird.

Bei einer Weiterbildung weist die Messlichtquelle eine weitere Lichtquelle, beispielsweise eine Laserquelle, auf, die zur Emission von Messlicht mit einer Messwellenlänge ausgebildet ist, die der Bearbeitungslaserwellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls entspricht. Eine solche Lichtquelle kann zur Prüfung oder zur Kalibrierung der Sensoreinheit verwendet werden.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Messlichtquelle als Breitbandlichtquelle oder als durchstimmbare Lichtquelle ausgebildet. Im ersten Fall wird das Messlicht zur Vergrößerung des Messbereichs von einer breitbandigen Lichtquelle mit kontinuierlichem Spektrum erzeugt, z.B. mittels einer Superlumineszenzdiode oder mittels eines Superkontinuumlasers. Im zweiten Fall wird als Messlichtquelle eine durchstimmbare Quelle (z.B. eine durchstimmbare VCSEL-Laserdiode, eine Breitbandlichtquelle mit nachgeschaltetem durchstimmbarem Bandpassfilter, etc.) verwendet.

Es ist möglich, dass die Vorrichtung bzw. die Sensoreinheit einen Modenmischer für das von der Messlichtquelle emittierte Messlicht aufweist. In diesem Fall wird das Messlicht in der Sensoreinheit fasergeführt. Das Messlicht wird hierbei zunächst in einer Singlemode-Faser geführt und mit Hilfe des Modenmischers und einer sich an diesen anschließenden Multimode-Austrittsfaser mit möglichst kleinem Kerndurchmesser (z.B. 50 pm) homogenisiert. Auf diese Weise kann nach dem Auskoppeln aus der Sensoreinheit in einem sich anschließenden Lichtleitkabel der Strahlführungseinrichtung, das häufig als Multimode-Faser ausgeführt ist, eine gleichmäßige Intensitätsverteilung erzeugt werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens zwei optische Elemente, die eine chromatische Aberration mit unterschiedlichen Abbe- Zahlen aufweisen. Die Abbe-Zahl eines jeweiligen optischen Elements, die ein Maß für die Dispersion des jeweiligen optischen Elements darstellt, kann z.B. durch die Auswahl des (Glas-)Materials des optischen Elements festgelegt werden. Die zwei oder mehr optischen Elemente mit den unterschiedlichen Abbe-Zahlen können in der Bearbeitungsoptik des Bearbeitungskopfs oder an anderer Stelle im Strahlengang des Messlichts angeordnet sein.

Die optischen Elemente mit den unterschiedlichen Abbe-Zahlen können zu unterschiedlichen Zwecken verwendet werden. Beispielsweise können die zwei oder mehr optischen Elemente bzw. deren Abbe-Zahlen derart ausgelegt sein, dass die Fokusebene einer Lichtquelle mit schmalbandigem Spektrum, typischerweise in Form einer Laserquelle, deren Messwellenlänge von der Bearbeitungslaserwellenlänge abweicht, auf die Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls gelegt wird bzw. mit der Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls übereinstimmt. In diesem Fall wirkt sich die chromatische Aberration derart auf das Messlicht der Lichtquelle aus, als ob die Messwellenlänge mit der Bearbeitungswellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls übereinstimmen würde. Alternativ können bei vorgegebenen Messlichtquellen der Messbereich und die Auflösung durch die unterschiedliche Dispersion bzw. die unterschiedlichen Abbe-Zahlen gezielt beeinflusst werden. Beispielsweise können zwei Messlichtquellen, deren Messwellenlängen spektral weit auseinanderliegen und dadurch einen großen Unterschied in der axialen Fokuslage aufweisen, näher zusammen oder weiter auseinander gelegt werden, wodurch der Messbereich und die Messauflösung mit beeinflusst werden. Bei scannenden Anwendungen können aufgrund der chromatischen Aberration sogenannte Farbquerfehler auftreten. Diese können z.B. bei einem klassischen F- Theta-Objektiv mit optischen Elementen aus Quarzglas dazu führen, dass der Bearbeitungslaserstrahl und das Messlicht nicht exakt übereinanderliegen und somit die Messposition an der Oberfläche von der Bearbeitungsposition des Bearbeitungslaserstrahls an der Oberfläche abweicht. Auch die Signalpegel werden hierdurch beeinflusst. Durch die Verwendung eines achromatischen Objektivs, das mindestens zwei optische Elemente mit unterschiedlichen Abbe-Zahlen aufweist, kann dieser Effekt reduziert bzw. vermieden werden. Bei einem klassischen nicht achromatischen Objektiv kann der Farbquerfehler auch durch eine auf die Wellenlänge angepasste Scanauslenkung korrigiert werden, dies erfordert jedoch eine zeitliche Trennung der Bestimmung der Fokuslage und der Laserbearbeitung.

Die Art der Detektoreinrichtung, die in der Vorrichtung verwendet wird, ist an die Art der verwendeten Messlichtquelle angepasst.

Bei einer Ausführungsform ist die Detektoreinheit als Spektrometer ausgebildet. Eine Detektoreinheit in Form eines Spektrometers wird typischerweise verwendet, wenn es sich bei der Messlichtquelle um eine Breitbandlichtquelle handelt.

Ist der Gesamtaufbau der Sensoreinheit in der Lage, eine chromatisch konfokale Antwort zu liefern, welche auch die Bearbeitungslaserwellenlänge einschließt (Ein- und Auskoppeln des Messlichts in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls über die Kopplungseinrichtung in Form der Strahlweiche, nicht jedoch über einen Strahlteiler z.B. in Form eines dichroitischen Spiegels), kann die Fokuslage bei der Verwendung breitbandigen Messlichts oder einer fein durchstimmbaren Messlichtquelle (z.B. 2 nm Schrittweite) direkt aus dem Maximalwert des Spektrums der konfokalen Antwort ermittelt werden.

Schließt das Spektrum der konfokalen Antwort die Bearbeitungslaserwellenlänge nicht mit ein, kann die Fokuslage ergänzend aus dem Verhältnis mindestens zweier Messwellenlängen abgeleitet werden, wobei die erste Messwellenlänge ober- und die zweite Messwellenlänge unterhalb der Bearbeitungslaserwellenlänge liegt. Zweckmäßig ist es hierfür, zwei Maxima aus dem Spektrum der konfokalen Antwort zu verwenden. Die Fokuslage kann in diesem Fall auch aus dem teilweisen oder gesamten Verlauf der durch die Detektoreinheit erfassten spektralen Antwort abgeleitet werden.

Für den Fall, dass die Messlichtquelle einzeln schaltbare Lichtquellen mit unterschiedlichen, diskreten Messwellenlängen (z. B. Laserdioden) aufweist oder als durchstimmbare Messlichtquelle ausgebildet ist, kann als Detektoreinheit eine einfache Fotodiode oder eine hochempfindliche Einzelphoton-Avalanche-Diode („Single Photon Avalanche Diode“, SPAD) in Si- oder InGaAs-Ausführung verwendet werden, um die chromatisch konfokale Antwort der Sensoreinheit selektiv (für jede eingestellte Messwellenlänge) aufzuzeichnen.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Messlichtquelle zur gepulsten Emission des Messlichts ausgebildet und die Detektoreinheit und die Auswerteeinheit sind bevorzugt ausgebildet, von der Oberfläche des Werkstücks zurückreflektiertes Messlicht von Messlicht zu unterscheiden, das von andern Orten zurückreflektiert wird. Die Messlichtquelle, insbesondere Lichtquellen der Messlichtquelle, die ein im Wesentlichen diskretes Spektrum aufweisen, können als gepulste Lichtquellen (Pulslängen z.B. im Bereich von ps bis ns) ausgebildet sein. Für die weiter oben beschriebene Unterscheidung ist es günstig, wenn die Detektoreinheit als Einzelphoton-Avalanche-Diode ausgebildet ist. Die Auswerteeinrichtung kann in diesem Fall zur zeitlich hochauflösenden dTOF(direct Time Of Flight)-Auswertung durch einen Multihit-TDC (Time to Digital Converter) oder durch einen Highspeed- ADC(Analog-to-Digital-Converter) (z.B. mit 10 GS/sec) ausgebildet sein. Dies erlaubt beispielsweise die weiter oben beschriebene Trennung von an verschiedenen Orten im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls auftretenden Reflexstellen und ermöglicht die Erhöhung der Trennschärfe zwischen dem vom Werkstück stammenden Nutzsignal und Störreflexen, vergleichbar zum Messprinzip in einem OTDR („optical time-domain reflectometer“).

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls, wobei die Vorrichtung eine Strahlführungseinrichtung mit einem Lichtleitkabel zur Führung des Bearbeitungslaserstrahls sowie von Messlicht von einem Lasergerät zu einem Bearbeitungskopf umfasst,

Fig. 2a eine schematische Darstellung analog zu Fig. 1 , bei welcher das Lasergerät eine Messlichtquelle mit zwei Laserdioden aufweist,

Fig. 2b eine schematische Darstellung analog zu Fig. 2a, bei welcher die Strahlführungseinrichtung zur Führung des Bearbeitungslaserstrahls und des Messlichts in Freistrahlpropagation ausgebildet ist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung analog zu Fig. 2a, bei welcher das Lasergerät eine Separationseinrichtung in Form eines Doubleclad- Faserkopplers aufweist, um dem Werkstück zugeführtes Messlicht von Messlicht zu separieren, das vom Werkstück zurückreflektiert wird,

Fig. 4 eine schematische Darstellung analog zu Fig. 1 , bei welcher das Lasergerät eine Messlichtquelle in Form einer Breitbandlichtquelle und eine Detektoreinheit in Form eines Spektrometers aufweist, sowie

Fig. 5 eine schematische Darstellung analog zu Fig. 1 , bei welcher das Lasergerät eine durchstimmbare Messlichtquelle und eine Separationseinrichtung in Form eines Freistrahl-Zirkulators aufweist. In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Fokuslage FL eines Bearbeitungslaserstrahls 2 in Bezug auf eine Oberfläche 3a eines zu bearbeitenden Werkstücks 3 auf Grundlage einer chromatisch konfokalen Messung. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Messlichtquelle 4, die ausgebildet ist, Messlicht 5a, 5b bei zwei unterschiedlichen Messwellenlängen Ai , A2 zu emittieren. Die Messlichtquelle 4 ist gemeinsam mit einer Detektoreinheit 6 in einem Gehäuse eines Lasergeräts 7 angeordnet, das auch zur Bereitstellung des Bearbeitungslaserstrahls 2 dient. Das von der Messlichtquelle 4 emittierte Messlicht 5a, 5b wird von einer Kollimationslinse 8 kollim iert, trifft auf eine Separationseinrichtung 9 in Form eines 50:50-Strahlteilers und wird von dieser in Richtung auf eine Fokussierlinse 10 umgelenkt.

Mittels einer nicht bildlich dargestellten Kopplungseinrichtung wird das Messlicht 5a, 5b in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 2 eingekoppelt. Das Messlicht 5a, 5b wird gemeinsam mit dem Bearbeitungslaserstrahl 2 in ein Lichtleitkabel 11 eingekoppelt, das als Strahlführungseinrichtung 12 zur Führung des Messlichts 5a, 5b zu einem Bearbeitungskopf 13 dient. Der Bearbeitungskopf 13 weist eine Bearbeitungsoptik 14 auf, die im gezeigten Beispiel eine Kollimationsoptik 15, eine Scanneroptik 16 zur zweidimensionalen Strahlumlenkung und eine Fokussieroptik 17 aufweist. Im gezeigten Beispiel ist die Kollimationsoptik 15 als Kollimationslinse und die Fokussieroptik 17 als Fokussierlinse ausgebildet, die jeweils eine chromatische Aberration aufweisen.

Der Bearbeitungslaserstrahl 2 und das Messlicht 5a, 5b wird von der Bearbeitungsoptik 14, genauer gesagt von der Fokussieroptik 17, auf die Oberfläche 3a des Werkstücks 3 fokussiert. Im gezeigten Beispiel befindet sich der Fokus des Bearbeitungslaserstrahls 2 exakt an der Oberfläche 3a des Werkstücks 3, d.h. die Fokuslage FL des Bearbeitungslaserstrahls 2, die den Abstand des Fokus des Bearbeitungslaserstrahls 2 von der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 entlang der optischen Achse 18 der Bearbeitungsoptik 14 bezeichnet, liegt bei FL = 0. Aufgrund der chromatischen Aberration der Optiken 15, 17 der Bearbeitungsoptik 14 befinden sich die Foki des auf die Oberfläche 3a des Werkstücks 2 fokussierten Messlichts 5a, 5b oberhalb bzw. unterhalb der Oberfläche 3a des Werkstücks 3. Das von der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 reflektierte Messlicht 5a‘, 5b‘, das in Fig. 1 strichpunktiert bzw. gestrichelt dargestellt ist, durchläuft die Bearbeitungsoptik 14 in umgekehrter Richtung und wird hinter bzw. vor einer Eintrittsfläche des Lichtleitkabels 11 fokussiert. Das Lichtleitkabel 11 bzw. dessen eintrittsseitiges Ende wirkt daher als Eintrittsblende bzw. als Raumfilter und lässt hauptsächlich Messlicht 5a, 5b bzw. reflektiertes Licht des Bearbeitungslaserstrahls 2 passieren, dessen Fokus auf der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 liegt.

Das zurückreflektierte Messlicht 5a‘, 5b‘, genauer gesagt ein Anteil des zurückreflektierten Messlichts 5a‘, 5b‘, durchläuft das Lichtleitkabel 11 der Strahlführungseinrichtung 12 in Richtung auf das Lasergerät 7, tritt in das Lasergerät 7 ein und wird von dem 50:50-Strahlteiler 9 zur Detektoreinheit 6 transmittiert. Die Detektoreinheit 6 ist zur Erfassung der Intensität h, h des reflektierten Messlichts 5a‘, 5b‘ bei der ersten Messwellenlänge Ai und bei der zweiten Messwellenlänge A2 ausgebildet. Eine in das Lasergerät 7 integrierte Auswerteeinrichtung 19 dient zur Bestimmung der Fokuslage FL des Bearbeitungslaserstrahls 2 anhand der von der Detektoreinheit 6 erfassten Intensitäten h, h.

Fig. 2a zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung 1 , die sich von der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 1 unter anderem dadurch unterscheidet, dass das Messlicht 5a, 5b in einer Sensoreinheit 20, die in dem Lasergerät 7 angeordnet ist, fasergeführt ist. Das Lasergerät 7 weist zudem eine Bearbeitungslaserquelle 21 auf, die zur Emission des Bearbeitungslaserstrahls 2 ausgebildet ist. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Bearbeitungslaserquelle 21 um eine Festkörperlaserquelle, die zur Emission eines Bearbeitungslaserstrahls 2 mit einer Bearbeitungswellenlänge AB von 1030 nm ausgebildet ist. Es versteht sich, dass der Bearbeitungslaserstahl 2 auch eine andere Bearbeitungswellenlänge AB aufweisen kann, beispielsweise 515 nm. Die Messwellenlängen Ai , A2 werden an die Bearbeitungswellenlänge AB angepasst. Der Bearbeitungslaserstrahl 2 trifft auf eine Kopplungseinrichtung 22‘, die im gezeigten Beispiel als Strahlweiche ausgebildet ist, die zur Bearbeitung des Werkstücks 3 im Strahlengang 2a des Bearbeitungslaserstrahls 2 anordenbar ist und zur Bestimmung der Fokuslage FL des Bearbeitungslaserstrahls 2 aus dem Strahlengang 2a des Bearbeitungslaserstrahls 2 entfernbar ist. Zu diesem Zweck kann die Kopplungseinrichtung 22‘, die im gezeigten Beispiel als Umlenkspiegel ausgebildet ist, aus der in Fig. 2a gezeigten ersten Stellung, in der diese im Strahlengang 2a des Bearbeitungslaserstrahls 2 angeordnet ist, automatisiert in eine neben dem Strahlengang 2a des Bearbeitungslaserstrahls 2 befindliche, in Fig. 2a nicht bildlich dargestellte zweite Stellung verschwenkt werden, wie durch einen Pfeil angedeutet ist. Es versteht sich, dass die Bewegung der Kopplungseinrichtung 22' in Form der Strahlweiche für die wahlweise Einkopplung des Bearbeitungslaserstrahls 2 oder des Messlichts 5a, 5b in die Strahlführungseinrichtung 12 auch auf andere Weise erfolgen kann. Um Beschädigungen des Lasergeräts 7 durch den ggf. unbeabsichtigt aus der Bearbeitungslaserquelle 21 austretenden Bearbeitungslaserstrahl 2 zu verhindern, ist bei dem in Fig. 2a gezeigten Beispiel eine Strahlfalle 23 in dem Lasergerät 7 angeordnet.

Bei dem in Fig. 2a gezeigten Beispiel ist die Sensoreinheit 20 ausgebildet, wahlweise an Stelle des Messlichts 5a, 5b einen Pilotlaserstrahl auszusenden, der bei in der zweiten Stellung befindlicher Strahlweiche 22' an Stelle des Messlichts 5a, 5b in die Strahlführungseinrichtung 12 eingekoppelt wird. Der Pilotlaserstrahl weist eine Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich auf.

Bei dem in Fig. 2a gezeigten Beispiel weist die Messlichtquelle 4 eine erste Laserquelle 4a in Form einer ersten Laserdiode auf, die zur Emission von Messlicht 5a bei einer ersten Messwellenlänge Ai von 980 nm ausgebildet ist. Die Messlichtquelle 4 weist auch eine zweite Laserquelle 4b in Form einer zweiten Laserdiode auf, die zur Emission von Messlicht 5b bei einer zweiten Messwellenlänge A2 von 1064 nm ausgebildet ist. Die erste Messwellenlänge Ai ist kleiner und die zweite Messwellenlänge A2 ist größer als die Bearbeitungslaserwellenlänge AB des Bearbeitungslaserstrahls 2. Dies ist für die Bestimmung der Fokuslage FL günstig, wie weiter unten näher beschrieben wird. Die Messlichtquelle 4 kann weitere Lichtquellen aufweisen, um die Genauigkeit der Bestimmung der Fokuslage FL zu verbessern bzw. um den Messbereich zu vergrößern. Es ist auch möglich, dass die Messlichtquelle eine Lichtquelle in Form einer weiteren Laserquelle aufweist, deren Messwellenlänge mit der Bearbeitungslaserwellenlänge AB des Bearbeitungslaserstrahls 2 übereinstimmt. Die weitere Laserquelle kann z.B. zur Kalibrierung der Sensoreinheit 20 dienen.

Auch die zusätzliche oder alternative Verwendung von (Paaren von) Lichtquellen, die einen etwas breiteren Spektralbereich aufweisen als die Lichtquellen in Form der Laserquellen 4a, 4b ist möglich, um den Messbereich zu Lasten der Auflösung zu vergrößern. Insbesondere kann das in Fig. 2a gezeigte Paar von Laserquellen 4a, 4b um ein weiteres Paar von Lichtquellen mit einem etwas breitbandigeren Spektralbereich ergänzt werden, um zwei Messbereiche (Feinmessbereich und Grobmessbereich) zu eröffnen.

Es ist auch möglich, dass mindestens zwei optische Elemente, beispielsweise die Kollimationsoptik 15 und die Fokussieroptik 17 des Bearbeitungskopfs 13, eine chromatische Aberration mit unterschiedlichen Abbe-Zahlen aufweisen und derart ausgebildet sind, dass die Fokusebene einer Lichtquelle 4a, 4b, ... mit schmalbandigem Spektrum, typischerweise in Form einer Laserquelle, deren Messwellenlänge Ai, A2, ... von der Bearbeitungslaserwellenlänge AB abweicht, auf die Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls 2 gelegt wird und mit der Fokuslage FL des Bearbeitungslaserstrahls 2 übereinstimmt.

Das Messlicht 5a, 5b mit den beiden Messwellenlängen Ai , A2 wird in Fig. 2a mit Hilfe eines Wellenlängenkombinierers 24 in Form eines Wellenlängen-Multiplexers kombiniert. Das kombinierte Messlicht 5a, 5b durchläuft eine erste Faser 27a, welche das kombinierte Messlicht 5a, 5b an einem ersten Port in eine Separationseinrichtung in Form eines Faser-Zirkulators 9‘ einkoppelt. Über eine zweite Faser 27b an einem zweiten Port des Faser-Zirkulators 9‘ wird das Messlicht 5a, 5b aus der Sensoreinheit 20 ausgekoppelt. Die zweite Faser 27b weist ein austrittsseitiges Ende mit einer Endkappe 28 auf, deren Stirnseite 28a die Austrittsfläche für das Messlicht 5a, 5b und die E intrittsfläche für das Nutzsignal in Form des von der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 zurückreflektierten Messlichts 5a, 5b bildet. Ein dritter Port des Faser-Zirkulators 9‘ ist mit einer dritten Faser 27c verbunden, welche das Nutzsignal in Form des zurückreflektierten Messlichts 5a‘, 5b‘ der Detektoreinheit 6 zuführt, die im gezeigten Beispiel in Form einer Silizium- Fotodiode ausgebildet ist. Der Faser-Zirkulator 9‘ dient als Separationseinrichtung zur Separation des von der Messlichtquelle 4 emittierten Messlichts 5a, 5b von dem von der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 zurückreflektierten Messlicht 5a‘, 5b‘.

Da bei dem in Fig. 2a gezeigten Beispiel die Aus- und Eintrittsfläche des Messlichts bzw. des Nutzsignals an der Stirnseite 28a der Endkappe 28 unmittelbar zusammenfällt, ist die Sensoreinheit 20 empfindlich gegenüber rückreflektiertem Messlicht, das vornehmlich beim Austritt des Messlichts aus der Endkappe 28 der zweiten Faser 27b (Übergang Glas zu Luft) entsteht. Dem wird im gezeigten Beispiel dadurch begegnet dass die Endkappe 28 der zweiten Faser 27b die als Aus- bzw. Eintrittsfaser dient, mit einer Antireflexbeschichtung versehen wird, die auf die Stirnseite 28a der Endkappe 28 aufgebracht wird, um die Reflexion des austretenden Messlichts 5a, 5b beim Übergang von Glas zu Luft zu unterdrücken. Auch das Lichtleitkabel 11 , welches als Strahlführungseinrichtung 12 dient, weist eine erste Endkappe 29a zum Eintritt des Messlichts 5a, 5b in dem Lasergerät 7 und eine zweite Endkappe 29b zum Austritt des Messlichts 5a, 5b in den Bearbeitungskopf 13 auf. Auch die beiden Endkappen 29a, 29b können eine antireflektierende Beschichtung aufweisen, um ungewollte Rückreflexe des Bearbeitungslaserstrahls 2, des Messlichts 5a, 5b bzw. des zurückreflektierten Messlichts 5a‘, 5b‘ zu unterdrücken.

Das Messlicht 5a, 5b wird in einem Kem 30 des Lichtleitkabels 11 geführt, der von einem Mantel 32 aus Glas umgeben ist, in dem keine Lichtleitung erfolgen soll (vgl. den in Fig. 2a dargestellten Querschnitt des Lichtleitkabels 11 ). Für den Fall, dass das Lichtleitkabel 11 in Form einer Hohlkernfaser ausgebildet ist, wird das Messlicht 5a, 5b im hohlen Kern 30 des Lichtleitkabels 11 geführt. In diesem Fall kann auf das Vorsehen von Antireflexbeschichtungen bzw. von Endkappen an dem Lichtleitkabel 11 in der Regel verzichtet werden. Es ist möglich, dass das Messlicht 5a, 5b zunächst in einer Singlemode-Faser geführt und in einem Modenmischer gemischt wird, der z.B. nach dem Wellenlängenkombinierer 24 vor oder nach der ersten Faser 27a angeordnet sein kann. Das Messlicht 5a, 5b wird nach dem Modenmischer in einer sich anschließenden Multimode-Faser mit möglichst kleinem Kerndurchmesser (z.B. 50 pm) homogenisiert, bei der es sich z.B. um die dritte Faser 27c handeln kann. Auf diese Weise kann nach dem Auskoppeln des Messlichts 5a, 5b aus der Sensoreinheit 20 in dem Lichtleitkabel 11 der Strahlführungseinrichtung 12, das in diesem Fall als Multimodefaser ausgeführt ist, eine gleichmäßige Intensitätsverteilung erzeugt werden.

Wie in Fig. 2a ebenfalls zu erkennen ist, weist das Lasergerät 7 auch eine Steuerungseinrichtung 25 auf, die zur Ansteuerung der Messlichtquelle 4, genauer gesagt der beiden Laserquellen 4a, 4b dient. Die Ansteuerung der beiden Laserquellen 4a, 4b mittels der Steuerungseirichtung 25 erfolgt sequentiell bzw. im Gegentakt. Auf diese Weise kann von der Auswerteeinrichtung 19 in einem jeweiligen Zeitintervall der getakteten Ansteuerung jeweils die Intensität h, h des zurückreflektierten Messlichts 5a, 5b einer der beiden Laserquellen 4a, 4b detektiert werden. In Fig. 2a ist der Verlauf der Intensitäten h, h in Abhängigkeit von der Fokuslage FL dargestellt. Wie in Fig. 2a zu erkennen ist, hängt das Verhältnis h / h zwischen den beiden Intensitäten h, h von der Fokuslage FL ab, weshalb anhand dieses Verhältnisses die Fokuslage FL von der Auswerteeinrichtung 19 bestimmt werden kann. Die Auswerteeinrichtung 19 kann in Form einer geeigneten Hard- und/oder Software ausgebildet sein.

Im gezeigten Beispiel wird von der Detektoreinheit 6 ausschließlich das im Kem 30 des Lichtleitkabels 11 geführte reflektierte Messlicht 5a‘, 5b‘ detektiert, während das im Mantel 32 geführte reflektierte Messlicht bzw. der im Mantel 32 geführte Nutzlichtanteil mit Hilfe von angeätzten Mantelflächen des Lichtleitkabels 11 oder durch andere Maßnahmen unterdrückt wird. Für den Fall, dass das Lichtleitkabel 11 einen lichtführenden Ring aufweist (s.u.), kann in der Sensoreinrichtung 20 eine weitere Eintrittsblende vorgesehen werden, um das in dem Ring geführte zurückreflektierte Messlicht 5a‘, 5b‘ zu unterdrücken.

Fig. 2b zeigt eine Vorrichtung 1 , die sich von der in Fig. 2a gezeigten Vorrichtung 1 dadurch unterscheidet, dass die Strahlführungseinrichtung 12 zur Führung des Bearbeitungslaserstrahls 2 und des Messlichts 5a, 5b in Freistrahlpropagation ausgebildet ist. Ein dem Faser-Zirkulator 9‘ abgewandtes Ende der zweiten Faser 27b bildet in diesem Fall die Eintritts- und Austrittsblende der Sensoreinheit 20. Für die Umlenkung des Bearbeitungslaserstrahls 2 und des Messlichts 5a, 5b weist der Bearbeitungskopf 13 einen Umlenkspiegel 33 auf.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 1 , die sich von der in Fig. 2a gezeigten Vorrichtung 1 im Wesentlichen durch die Ausgestaltung der Separationseinrichtung unterscheidet, die nicht als Faser-Zirkulator 9‘, sondern als Doubleclad-Faserkoppler 9“ ausgebildet ist. Der Doubleclad-Faserkoppler 9“ ist in Fig. 3 am unteren Rand in einer Detaildarstellung gezeigt. Der Doubleclad-Faserkoppler 9“ umfasst eine Doubleclad- Faser 27a, die einen Kern 30 zur Führung des von der Messlichtquelle 4 emittierten und in dem Wellenlängenkombinierer 24 kombinierten Messlichts 5a, 5b aufweist. Der Kem 30 der Doubleclad-Faser 27a ist als Singlemode-Faser ausgebildet. Die Doubleclad-Faser 27a weist auch einen Ring 31 zur Führung des vom Werkstück 3 reflektierten Messlichts 5a‘, 5b‘ auf, der als Multimode-Faser ausgebildet ist und der von einem Mantel 32 umgeben ist. Bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung 1 weist die Strahlführungseinrichtung 12 ein Lichtleitkabel 11 in Form einer Doubleclad-Faser auf, in deren Kem 30 das Messlicht 5a, 5b geführt wird und in deren Ring 31 das von der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 zurückreflektierte Messlicht 5a‘, 5b‘ zu dem Lasergerät 7 geführt wird.

Der Doubleclad-Faserkoppler 9“ dient dazu, das Singlemode-Messlicht, das im Kem 30 der Doubleclad-Faser 27a geführt wird, vom Multimode-Nutzlicht zu trennen, das im Ring der Doubleclad-Faser 27a geführt wird. Zu diesem Zweck wird in dem Doubleclad-Faserkoppler 9“ die Doubleclad-Faser 27a in einem Kopplungsabschnitt parallel und angrenzend zu einer weiteren Faser 27b geführt, die einen Kem 30' aufweist, der von einem Mantel 32' (ohne lichtführenden Ring) umgeben ist. In den Kern 30' der weiteren Faser 27b wird in dem Kopplungsabschnitt ein Teil der Nutzstrahlung aus dem Ring 31 der Doubleclad-Faser 27a eingekoppelt und an einem ersten Ende der weiteren Faser 27b der Detektoreinheit 6 zugeführt. An einem zweiten Ende der weiteren Faser 27b ist eine Strahlfalle 34 angebracht, um von der Doubleclad-Faser 27a in die weitere Faser 27b übergekoppeltes Messlicht 5a, 5b zu absorbieren. Die Detektoreinheit 6 dient in diesem Fall dazu, das zurückreflektierte Messlicht 5a‘, 5b' zu detektieren, das im Ring 31 des als Doubleclad-Faser ausgebildeten Lichtleitkabels 11 der Strahlführungseinrichtung 12 geführt wird.

Grundsätzlich ist es möglich, dass die Detektoreinheit 6 das im Kem 30, im Ring 31 und/oder im Mantel 32 des Lichtleitkabels 11 geführte, von der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 zurückreflektierte Messlicht 5a‘, 5b' getrennt erfasst. Dies erlaubt einen zweistufigen Messvorgang, bei dem die Auswertung des aus dem Mantel 32 und/oder dem Ring 31 stammenden Nutzlichts zur ungenauen Bestimmung der Fokuslage FL mit vergrößertem Messbereich und die alleinige Auswertung des aus dem Kem 30 des Lichtleitkabels 11 stammenden Nutzlichtanteils zur genauen Bestimmung der Fokuslage FL mit kleinem Messbereich verwendet wird. Es ist auch die alleinige Erfassung des aus dem Mantel 32 und/oder dem Ring 31 des Lichtleitkabels 11 stammenden Nutzlichts bei gänzlichem Verzicht auf die Erfassung des aus dem Kem 30 des Lichtleitkabels 11 stammenden Nutzlichtanteils möglich.

Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung 1 weist eine Kopplungseinrichtung 22 in Form eines dichroitischen Strahlteilerspiegels auf, der zur Einkopplung des Messlichts 5a, 5b der Messlichtquelle 4 in den Strahlengang 2a des Bearbeitungslaserstrahls 2 und zur Auskopplung des von der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 zurückreflektieren Messlichts 5a‘, 5b' aus dem Strahlengang 2a des Bearbeitungslaserstrahls 2 dient. Anstelle des dichroitischen Strahlteilerspiegels kann die Kopplungseinrichtung 22 auch in Form eines Scraperspiegels, eines Lochspiegels oder dergleichen ausgebildet sein.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel der Vorrichtung 1 , die sich von der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung 1 im Wesentlichen durch die Ausgestaltung der Sensoreinheit 20 unterscheidet. Die Sensoreinheit 20 weist eine Messlichtquelle 4 in Form einer Breitbandlichtquelle auf, die im gezeigten Beispiel als Superlumineszenzdiode ausgebildet ist. Die Sensoreinheit 20 ist zur Führung von Messlicht 5, das von der Messlichtquelle 4 emittiert wird, in Freistrahlpropagation ausgebildet. Als Separationseinrichtung 9 zur Separation des Messlichts 5, das in Richtung auf das Werkstück 3 propagiert, von dem an der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 zurückreflektierten Messlicht 5‘ dient wie in Fig. 1 ein nichtpolarisierender 50:50- Strah Itei ler. Die Sensoreinheit 20 weist auch eine Detektoreinheit 6 in Form eines Spektrometers auf.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Sensoreinheit 20 weist das von der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 zurückreflektierte Messlicht 5‘ einen größeren Strahldurchmesser auf als das von der Messlichtquelle 4 emittierte Messlicht 5. Die Detektoreinheit 6 ist zur Erfassung des zurückreflektierten Messlichts 5‘ mit dem größeren Strahldurchmesser ausgebildet. Durch die Verwendung einer solchen Detektoreinheit 6 ist es möglich, das zurückreflektierte Messlicht 5‘ auch bei in der Strahlführungseinrichtung 12 verwendeten Lichtleitkabeln 11 zu erfassen, die sich im Durchmesser des Kerns 30 unterscheiden. Insbesondere kann auch bei einer Strahlführungseinrichtung 12 mit einem Lichtleitkabel 11 , das einen Kem 30 mit einem großen Durchmesser von z.B. 400 pm aufweist, das Nutzsignal des gesamten Querschnitts des Lichtleitkabels 11 der Detektoreinheit 6 zur Auswertung zur Verfügung gestellt werden.

Die in Fig. 4 unterhalb der Illustration des Lasergeräts 7 bzw. der Sensoreinheit 20 dargestellten Diagramme zeigen den qualitativen Verlauf des Spektrums l(A) der chromatisch konfokalen Antwort des von der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 zurückreflektierten Messlichts bei verschiedenen Fokuslagen FL (v.l.n.r.: Das Werkstück 3 wird beginnend vor einer Fokuslage FL, die sich innerhalb des Werkstücks 3 befindet, über die Fokuslage FL = 0 vom Bearbeitungskopf 13 entfernt, bis die Fokuslage FL des Bearbeitungslaserstrahls 2 sich vor der Oberfläche 3a des Werkstücks 3 befindet. Nahe der Fokuslage FL = 0 (vgl. die mittleren drei Diagramme) kann die exakte Fokuslage FL aus dem teilweisen oder gesamten Verlauf der spektralen Antwort oder aus einem Verhältnis der Intensitäten h, h von mindestens zwei Messwellenlängen Ai , A2 ermittelt werden. Die beiden Messwellenlängen Ai, A2 weisen im gezeigten Beispiel dieselbe Differenzwellenlänge AA zur Bearbeitungslaserwellenlänge AB des Bearbeitungslaserstrahls 2 auf und es handelt sich um diejenigen Messwellenlängen Ai , A2, bei denen die spektrale Antwort jeweils ein Maximum aufweist. Beim Verhältnis h / 11 = 1 gilt - eine wellenlängenunabhängige Transmission bzw. Reflexion vorausgesetzt - für die Fokuslage FL = 0 (vgl. das mittlere der fünf Diagramme). Weit außerhalb der Fokuslage FL = 0 (vgl. das erste und das fünfte Diagramm) kann das Maximum l_max des Spektrums zur Ermittlung der Fokuslage FL herangezogen werden.

Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung 1 unter anderem dadurch, dass die Messlichtquelle 4 durchstimmbar und im gezeigten Beispiel als durchstimmbare Laserquelle ausgebildet ist. Zudem weist die Sensoreinrichtung 20 eine Separationseinrichtung 9‘“ auf, die als Freistrahl- Zirkulator ausgebildet ist. Der Freistrahl-Zirkulator 9‘“ umfasst einen Faraday-Rotator 36, eine A/2-Platte 37, zwei doppelbrechende Kristalle 38a, b sowie ein Umlenkprisma 39 und einen Polarisationsstrahlteiler 40.

Zur Bestimmung der Fokuslage FL wird bei der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung 1 die Messwellenlänge A der Messlichtquelle 4 schrittweise, z.B. in Schritten von 2 nm, durchgestimmt. Mit Hilfe einer Detektoreinheit 6, die als Silizium-Fotodiode ausgebildet ist, wird ein zeitabhängiger Intensitätsverlauf l(t) des zurückreflektierten Messlichts 5‘ aufgenommen, dem eine wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung l(A) entspricht. In der Auswerteeinrichtung 19 wird die Maximums-Wellenlänge Amax bestimmt, bei der die wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung l(A) ihr Maximum aufweist. Anhand der Maximums-Wellenlänge Amax bzw. anhand des Abstands der Maximums-Wellenlänge Amax von der Bearbeitungslaserwellenlänge AB kann die Fokuslage FL des Bearbeitungslaserstrahls 2 bestimmt werden.

Bei der weiter oben beschriebenen Vorrichtung 1 kann die Messlichtquelle 4 zur Emission von gepulstem Messlicht 5a, 5b, 5 mit Pulslängen z.B. im Bereich von ps bis ns ausgebildet sein. Die Detektoreinheit 6 kann in diesem Fall z.B. als Einzelphoton-Avalanche-Diode beispielsweise in Si- oder InGaAs-Ausführung ausgebildet sein. Die Auswerteeinrichtung 19 kann hierbei zur zeitlich hochauflösenden dTOF(direct Time Of Flight)-Auswertung z.B. durch einen Multihit- TDC (Time to Digital Converter) oder durch einen Highspeed-ADC (z.B. mit 10 GS/sec) ausgebildet sein. Dies erlaubt beispielsweise die Trennung von an verschiedenen Orten im Strahlengang 2a des Bearbeitungslaserstrahls 2 auftretenden Reflexstellen und ermöglicht die Erhöhung der Trennschärfe zwischen dem vom Werkstück 3 stammenden Nutzsignal und Störreflexen.

Claims

Patentansprüche

1 . Vorrichtung (1 ) zur Bestimmung der Fokuslage (FL) eines Bearbeitungslaserstrahls (2) in Bezug auf eine Oberfläche (3a) eines Werkstücks (3), umfassend: eine Messlichtquelle (4), die ausgebildet ist, Messlicht (5a, 5b, 5) bei mindestens zwei unterschiedlichen Messwellenlängen (Ai , A2; A) zu emittieren, einen Bearbeitungskopf (13) zur Fokussierung des Messlichts (5a, 5b, 5) auf das Werkstück (3), eine Strahlführungseinrichtung (12) zur Führung des Messlichts (5a, 5b, 5) zu dem Bearbeitungskopf (13), mindestens ein optisches Element (15, 17) mit chromatischer Aberration, das von dem Messlicht (5a, 5b, 5) durchlaufen wird und das bevorzugt in dem Bearbeitungskopf (13) angeordnet ist, eine Detektoreinheit (6) zur Erfassung der Intensität (h, h, I) des von der Oberfläche (3a) des Werkstücks (3) zurückreflektieren Messlichts (5a‘, 5b‘, 5‘), sowie eine Auswerteeinrichtung (19) zur Bestimmung der Fokuslage (FL) des Bearbeitungslaserstrahls (2) in Bezug auf die Oberfläche (3a) des Werkstücks (3) anhand der von der Detektoreinheit (6) erfassten Intensität (h, h, I), dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungseinrichtung (12) zur gemeinsamen Strahlführung des Bearbeitungslaserstrahls (2) und des Messlichts (5a, 5b, 5) zu dem Bearbeitungskopf (13) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Messlichtquelle (4) und bevorzugt die Detektoreinheit (6) in ein Lasergerät (7) zur Bereitstellung des Bearbeitungslaserstrahls (2) integriert sind, das bevorzugt eine Bearbeitungslaserquelle (21) zur Emission des Bearbeitungslaserstrahls (2) aufweist, und bei der die Strahlführungseinrichtung (12) zur gemeinsamen Strahlführung des Bearbeitungslaserstrahls (2) und des Messlichts (5a, 5b) von dem Lasergerät (7) zu dem Bearbeitungskopf (13) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Strahlführungseinrichtung (12) zur gemeinsamen Strahlführung des Bearbeitungslaserstrahls (2) und des Messlichts (5a, 5b, 5) zu dem Bearbeitungskopf (13) ein Lichtleitkabel (11 ) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Lichtleitkabel (11 ) als Hohlkern-Faser oder als Mehrfachclad-Faser, insbesondere als Doubleclad-Faser, ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Detektoreinheit (6) zur separaten Erfassung der Intensität (h, h, I) des in einem Kern (30), in einem Mantel (32) und/oder in einem Ring (31) des Lichtleitkabels (11 ) von der Oberfläche (3a) des Werkstücks (3) zurückreflektiertem Messlicht (5a‘, 5b‘, 5‘) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Strahlführungseinrichtung (12) zur gemeinsamen Strahlführung des Bearbeitungslaserstrahls (2) und des Messlichts (5a, 5b, 5) in Freistrahlpropagation ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Kopplungseinrichtung (22) zur Einkopplung des Messlichts (5a, 5b, 5) der Messlichtquelle (4) in den Strahlengang (2a) des Bearbeitungslaserstrahls (2) und zur Auskopplung des von der Oberfläche (3a) des Werkstücks (3) zurückreflektieren Messlichts (5a‘, 5b‘, 5‘) aus dem Strahlengang (2a) des Bearbeitungslaserstrahls (2), wobei die Kopplungseinrichtung (22) bevorzugt in dem Lasergerät (7) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter umfassend: eine Kopplungseinrichtung (22‘) in Form einer Strahlweiche, die zur wahlweisen Einkopplung des Bearbeitungslaserstrahls (2) oder des Messlichts (5a, 5b, 5) in die Strahlführungseinrichtung (12) im Strahlengang (2a) des Bearbeitungslaserstrahls (2) anordenbar und aus dem Strahlengang (2a) des Bearbeitungslaserstrahls (2) entfernbar ist, wobei die Kopplungseinrichtung (22‘) bevorzugt in dem Lasergerät (7) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Separationseinrichtung (9, 9‘, 9“, 9‘“) zur Separation des von der Messlichtquelle (4) emittierten Messlichts (5a, 5b, 5) von dem von der Oberfläche (3a) des Werkstücks (3) zurückreflektierten Messlicht (5a‘, 5b‘, 5‘), die bevorzugt in einer Sensoreinheit (20) des Lasergeräts (7) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Separationseinrichtung als Zirkulator in Form eines Faser-Zirkulators (9‘) oder eines Freistrahl-Zirkulators (9“‘) ausgebildet ist.

11 . Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welche die Separationseinrichtung als Doubleclad-Faserkoppler (9“) ausgebildet ist, der eine Doubleclad-Faser (27) mit einem Kem (30) zur Führung des von der Messlichtquelle (4) emittierten Messlichts (5a, 5b, 5), der bevorzugt als Singlemode-Faser ausgebildet ist, und einem Ring (31 ) zur Führung des von der Oberfläche (3a) des Werkstücks (3) zurückreflektierten Messlichts (5a‘, 5b‘, 5‘) aufweist, der bevorzugt als Multimode-Faser ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Messlichtquelle (4) eine erste Lichtquelle, insbesondere eine erste Laserquelle (4a), zur Emission von Messlicht (5a) bei einer ersten Messwellenlänge (Ai) und eine zweite Lichtquelle, insbesondere eine zweite Laserquelle (5b), zur Emission von Messlicht (5b) bei einer zweiten Messwellenlänge (A2) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die erste und/oder die zweite Messwellenlänge (Ai , A2) von einer Bearbeitungslaserwellenlänge (AB) des Bearbeitungslaserstrahls (2) abweichen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, bei der die Messlichtquelle (4) eine weitere Lichtquelle aufweist, deren Messwellenlänge mit der Bearbeitungslaserwellenlänge (AB) übereinstimmt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , bei der die Messlichtquelle (4) als Breitbandlichtquelle oder als durchstimmbare Lichtquelle ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche mindestens zwei optische Elemente (15, 17) umfasst, die eine chromatische Aberration mit unterschiedlichen Abbe-Zahlen aufweisen.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Detektoreinheit (6) als Spektrometer ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Messlichtquelle (4) zur gepulsten Emission des Messlichts (5a, 5b, 5) ausgebildet ist, wobei bevorzugt die Detektoreinheit (6) und die Auswerteeinrichtung (19) ausgebildet sind, von der Oberfläche (3a) des Werkstücks (3) zurückreflektiertes Messlicht (5a‘, 5b‘, 5‘) von Messlicht zu unterscheiden, das von andern Orten zurückreflektiert wird.