KR20220119398A

KR20220119398A - Method and apparatus for controlled machining of workpieces using confocal distance measurement

Info

Publication number: KR20220119398A
Application number: KR1020227022832A
Authority: KR
Inventors: 크리스토프 디에츠; 필립 로만
Original assignee: 프레시텍 옵트로닉 게엠베하
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-08-29
Also published as: WO2021140396A1; JP2023509081A; EP4087701A1; CN115003448A

Abstract

본 발명은 작업편의 제어되는 기계가공을 위한 장치 및 방법을 기술한다. 기술되는 방법에 따르면, 레이저 광 빔은 레이저 초점을 생성하기 위해 기계가공되는 작업편의 목표점에 포커싱된다. 나아가, 본 발명에 따르면, 거리 측정 데이터는 기계가공되는 작업편의 목표점과 레이저 타겟 광학 유닛 간의 거리를 결정하기 위해 광학적 거리-측정 장치를 이용해 획득된다. 이 방법은 획득된 거리 측정 데이터에 기초하여 레이저 초점과 관련하여 기계가공되는 작업편을 포지셔닝하는 단계를 포함한다. 이 거리-측정 장치는 측정 광을 생성하기 위한 측정 광원 및 가변-초점-거리 측정 광 광학 유닛을 갖는 광학적으로 공초점 거리-측정 장치로서 설계된다. 이 방법은 가변-초점-거리 측정 광 광학 유닛의 서로 다른 초점 거리 값들에서 거리 측정 데이터를 획득하기 위해 시간에 따라 가변-초점-거리 측정 광 광학 유닛의 초점 거리를 변화시키는 단계를 포함하고, 작업편에 의해 반사되는 레이저 광 및/또는 작업편의 기계가공 동안 생성되는 프로세스 광은 검출가능하다. The present invention describes an apparatus and method for the controlled machining of a workpiece. According to the described method, a laser light beam is focused on a target point of a workpiece being machined to create a laser focus. Furthermore, according to the present invention, ranging data is obtained using an optical distance-measuring device to determine the distance between the target point of the workpiece being machined and the laser target optical unit. The method includes positioning a workpiece to be machined with respect to a laser focus based on the obtained distance measurement data. This distance-measuring device is designed as an optically confocal distance-measuring device having a measuring light source for generating measuring light and a variable-focal-distance measuring light optical unit. The method includes varying a focal length of the variable-focal-distance optical optical unit with time to obtain ranging data at different focal length values of the variable-focal-distance-measuring optical optical unit, Laser light reflected by the piece and/or process light generated during machining of the workpiece is detectable.

Description

Method and apparatus for controlled machining of workpieces using confocal distance measurement

본 개시는 작업편의 레이저 가공을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 작업편의 정밀한 레이저 가공을 위해 기계가공되는 작업편의 포지셔닝을 제어할 때 작업편의 레이저 가공을 위한 방법에 관한 것이다. The present disclosure relates to a method and apparatus for laser machining of a workpiece. In particular, the present disclosure relates to a method for laser machining of a workpiece when controlling the positioning of the workpiece being machined for precise laser machining of the workpiece.

레이저 빔 또는 레이저 광 빔으로 작업편들이 기계가공되는 방법들이 알려져 있다. 이러한 방법들을 수행하기 위한 장치들 또한 알려져 있다. 레이저 빔으로 작업편의 정밀한 기계가공을 위해, 작업편의 정밀한 포지셔닝 또는 대응하는 레이저 가공 장치들의 정밀한 조정이 필요하고, 이것은 알려진 방법들 및 알려진 장치들을 이용해 제한된 범위까지에서만 가능하다. Methods are known in which workpieces are machined with a laser beam or a laser light beam. Apparatus for performing these methods are also known. For precise machining of a workpiece with a laser beam, precise positioning of the workpiece or precise adjustment of the corresponding laser processing devices is required, which is only possible to a limited extent using known methods and known devices.

본 개시의 실시예들의 목적은 작업편들의 제어되는 레이저 가공을 위한 개선된 방법 및 개선된 장치를 제공하는 데 있는데, 이것은 높은 가공 정밀도 및 장치의 단순한 설계를 특징으로 한다. It is an object of the embodiments of the present disclosure to provide an improved method and an improved apparatus for controlled laser machining of workpieces, which are characterized by high processing precision and a simple design of the apparatus.

제1 측면에 따르면, 작업편의 제어되는 기계가공을 위한 방법은 이 목적을 달성하기 위해 제공된다. 이 방법은 레이저 타겟팅 광학계를 이용해 기계가공되는 작업편의 목표 위치에 레이저 초점을 생성하기 위해 레이저 빔 또는 기계가공 광 빔을 포커싱하는 단계를 포함한다. 특히, YAG 레이저 또는 섬유 레이저와 같이, 근적외선 스펙트럼 범위에서 방출되는 고체-상태의 레이저, 및 CO₂ 레이저와 같은, 기체 레이저는 레이저 빔을 생성하는 데 사용될 수 있다. According to a first aspect, a method for controlled machining of a workpiece is provided to achieve this object. The method includes focusing a laser beam or a machining light beam to create a laser focus at a target location on a workpiece being machined using laser targeting optics. In particular, solid-state lasers emitting in the near infrared spectral range, such as YAG lasers or fiber lasers, and gas lasers, such as CO ₂ lasers, can be used to generate the laser beam.

레이저 타겟팅 광학계는 특히 포커싱 및 정렬 광학계로서 구성될 수 있는데, 이것은 레이저 빔의 타겟팅된 정렬 및 포커싱을 가능하게 한다. 레이저 타겟팅 광학계는 특히 레이저 빔 스캐너로서, 특히 갈보 스캐너로서, 구성될 수 있고, 이로써 레이저 빔의 정렬은 전기적으로 제어가능한 미러들로 수행될 수 있다. The laser targeting optics can in particular be configured as focusing and alignment optics, which enable targeted alignment and focusing of the laser beam. The laser targeting optics can in particular be configured as a laser beam scanner, in particular as a galvo scanner, whereby alignment of the laser beam can be performed with electrically controllable mirrors.

이 방법은 기계가공되는 작업편의 목표 위치와 레이저 타겟팅 광학계, 또는 레이저 타겟팅 광학계의 기준 평면 또는 고정된 기준점 간의 거리를 결정하기 위한 광학적 거리 측정 장치 또는 광학 센서를 이용해 거리 측정 데이터를 획득하는 단계를 포함한다.The method comprises acquiring distance measurement data using an optical ranging device or optical sensor for determining a distance between a target position of a workpiece being machined and a laser targeting optics, or a reference plane or fixed reference point of the laser targeting optics do.

이 방법은 포커싱된 레이저 빔으로 기계가공되는 작업편의 목표 위치를 기계가공하는 단계를 더 포함한다. 기계가공은 특히 레이저 용접, 레이저 절단 및/또는 기타 레이저 가공을 포함할 수 있다. The method further includes machining a target position of the workpiece to be machined with the focused laser beam. Machining may include, inter alia, laser welding, laser cutting and/or other laser processing.

이 방법에 따르면, 이 거리 측정 장치는 가변 초점 거리 광학계 또는 가변 초점 거리 측정 광 광학계를 갖는 광학적-공초점 거리 측정 장치로서 구성되고, 이때 이 방법은 가변 초점 거리 측정 광 광학계의 서로 다른 초점 거리 값들에서 거리 측정 데이터를 획득하기 위해 시간에 따라 가변 초점 거리 측정 광 광학계의 초점 거리를 변경하는 단계를 포함한다. According to this method, the distance measuring device is configured as an optical-confocal distance measuring device having a variable focal length optical system or a variable focal distance measuring optical system, wherein the method is configured to measure different focal length values of the variable focal length measuring optical system. and changing the focal length of the variable focal length measurement optical system according to time to obtain distance measurement data.

시간에 따라 가변 초점 거리 측정 광 광학계의 초점 거리를 변경함으로써, 가변 초점 거리 측정 광 광학계의 초점 거리는, 원하는 측점 범위가 정의되는 이러한 방식으로 최소 초점 거리와 최대 초점 거리 사이에서 변할 수 있다. 특히, 측정 범위는 레이저 타겟팅 광학계와 기계가공되는 작업편의 목표 위치 간의 거리가 큰 초점 거리를 갖거나 또는 작은 개구수(numerical aperture)를 갖는 레이저 가공 장치들의 경우에서조차도 광학적-공초점 센서로 정확하게 결정될 수 있는 이러한 방식으로 정의되거나 또는 고정될 수 있다. 결정된 거리 측정 데이터를 이용해, 작업편은 제어되고 정밀한 방식으로 기계가공될 수 있다. By changing the focal length of the variable focal length measurement optical system over time, the focal length of the variable focal length measurement optical system can be varied between the minimum focal length and the maximum focal length in such a way that a desired point range is defined. In particular, the measuring range can be precisely determined with an optical-confocal sensor even in the case of laser processing devices with a large focal length or a small numerical aperture, in which the distance between the laser targeting optics and the target position of the workpiece being machined is large. may be defined or fixed in this way. With the determined distance measurement data, the workpiece can be machined in a controlled and precise manner.

가변 초점 거리 측정 광학계는 또한 거리 측정들이 광학적 분산이 없거나 또는 단지 약간의 광학적 분산만 있는 광학 요소들로 수행되는 것을 가능하게 하고, 이로써 특히 광학적 분산이 없거나 또는 약간의 광학적 분산만 가지는, 레이저 빔 안내를 위해 제공되는 광학 요소들은, 또한 측정 광의 빔 안내를 위해 사용될 수 있다. Variable focal length measurement optics also enable distance measurements to be performed with optical elements with no or only slight optical dispersion, thereby guiding the laser beam, in particular with no or only slight optical dispersion. Optical elements provided for can also be used for guiding a beam of measurement light.

이 방법은 또한 기계가공되는 작업편을 획득되는 거리 측정 데이터에 기초하여 레이저 초점에 대하여 포지셔닝하는 단계를 포함할 수 있다. 기계가공되는 작업편을 포지셔닝하는 단계는 작업편 또는 전체 레이저 가공 장치의 공간적 위치 및/또는 공간적 배향을 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 포지셔닝은 레이저 빔을 리포커싱하는 단계를 포함할 수 있다. 이로써, 만약 필요하다면, 기계가공되는 작업편은 재위치될 수 있거나 또는 레이저는 재조정될 수 있어 이로써 기계가공되는 작업편의 정밀한 기계가공이 가능하게 된다. The method may also include positioning the workpiece to be machined with respect to the laser focus based on the obtained distance measurement data. Positioning the workpiece to be machined may include changing the spatial position and/or spatial orientation of the workpiece or the entire laser processing apparatus. Alternatively or additionally, positioning may include refocusing the laser beam. Thereby, if necessary, the workpiece to be machined can be repositioned or the laser can be readjusted, thereby enabling precise machining of the workpiece being machined.

레이저 가공 장치의 레이저 타겟팅 광학계는 거리 측정 장치의 측정 광 광학계의 일 부분을 형성할 수 있다. 특히, 측정 광은 레이저 광 빔의 빔 경로에 측정 광 빔이 적어도 부분적으로 레이저 광 빔에 동축으로 이어지는 이러한 방식으로 결합될 수 있다. The laser targeting optical system of the laser processing apparatus may form a part of the measuring optical system of the distance measuring apparatus. In particular, the measuring light can be coupled in such a way that the measuring light beam is at least partially coaxial to the laser light beam in the beam path of the laser light beam.

거리 측정 장치의 측정 광 광학계에 대하여 레이저 가공 장치의 레이저 타겟팅 광학계를 이용함으로써, 이 방법을 수행하는 데 필요한 광학 구성요소들의 수는 감소될 수 있고 이로써 광학적 셋업이 단순해질 수 있다. 이로 인해, 거리 센서는 특히, 이미 존재하는 레이저 가공 시스템에 용이하게 통합될 수 있다. By using the laser targeting optics of the laser processing apparatus for the measuring optical optics of the distance measuring apparatus, the number of optical components required to perform this method can be reduced and thereby the optical setup can be simplified. Due to this, the distance sensor can in particular be easily integrated into an already existing laser processing system.

프로세스 단계들의 적어도 일부는 기계가공되는 작업편의 수 개의 목표 위치들에서 수행되거나 또는 반복될 수 있다. 수 개의 위치들에서 프로세스 단계들이 반복됨으로써, 기계가공되는 작업편의 포지셔닝은 재점검되고 필요하다면 교정될 수 있다. At least some of the process steps may be performed or repeated at several target locations of the workpiece being machined. By repeating the process steps at several positions, the positioning of the workpiece being machined can be rechecked and, if necessary, corrected.

일부 실시예들에 있어서, 거리 측정 데이터를 획득하는 단계는 작업편으로부터 역반사되는 측정 광의 세기를 획득하는 단계를 포함하고, 이때 거리는 작업편으로부터 역반사되는 측정 광의 세기의 시간에 따른 전개에 기초하여 결정된다. In some embodiments, obtaining the distance measurement data comprises obtaining an intensity of the measurement light retroreflected from the workpiece, wherein the distance is based on a time evolution of the intensity of the measurement light retroreflected from the workpiece. is decided by

특히, 가변 초점 거리 측정 광학계의 초점 거리의 제어되는 시간적 변화와 함께, 세기의 검출의 시간에 있어서의 점들은 가변 초점 거리 측정 광학계의 특정 초점 거리들에 이로써 측정 광 초점의 위치들에 할당될 수 있고, 이로부터 레이저 타겟팅 광학계와 목표 위치 간의 거리는 추론될 수 있다. 이것은 측정 광의 초점 평면이 기계가공되는 작업편의 표면 또는 테스트 하의 장치 각각과 일치할 때 세기 최대가 발생하기 때문이다. 이러한 경우에 있어서, 기계가공되는 작업편의 표면 상에 생성되는 측정 광 스팟은 광검출기 측 상에 배치되는 광 결합 점 또는 개구(aperture)에 거리 측정 장치의 공초점 광 안내로 인해 이미징되고, 이것은 또한 측정 광원을 위한 광 출구 개구로서 행동하여, 세기 최대는 광검출기에 의해 검출된다. In particular, with a controlled temporal change in the focal length of the variable focal length measurement optics, points in the time of detection of the intensity can be assigned to specific focal lengths of the variable focal length measurement optics and thereby to positions of the measurement light focus. and the distance between the laser targeting optical system and the target position can be inferred from this. This is because the intensity maximum occurs when the focal plane of the measurement light coincides with the surface of the workpiece being machined or the device under test, respectively. In this case, the measuring light spot created on the surface of the workpiece being machined is imaged due to the confocal light guidance of the distance measuring device to a light coupling point or aperture disposed on the photodetector side, which is also Acting as a light exit aperture for the measurement light source, the intensity maximum is detected by the photodetector.

광대역 적외 광, 특히 근적외 광은 측정 광으로서 사용될 수 있다. 특히, 900 nm와 1000 nm, 특히 940 nm와 960 nm 사이의 피크 파장을 가지고, 또한 40 nm와 60 nm 사이의, 특히 45 nm와 55 nm 사이의 스펙트럼 반폭을 갖는 근적외 LED (발광 다이오드)는 측정 광을 생성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 LED 측정 광은 교란 간섭(perturbing interferences) 또는 반점 효과들(speckle effects)을 방지 또는 감소시키기에 충분히 광대역이다. 한편, 이러한 LED 측정 광은 색상 초점 천이(chromatic focal point shift) 또는 초점 천이(focus shift)와 같은, 낮은 원치 않는 분산 효과들을 억제 또는 방지하기에 충분히 협대역이다. Broadband infrared light, particularly near-infrared light, can be used as the measurement light. In particular, near-infrared LEDs (light emitting diodes) having a peak wavelength between 900 nm and 1000 nm, in particular 940 nm and 960 nm, and also having a spectral half-width between 40 nm and 60 nm, in particular between 45 nm and 55 nm, are It can be used to generate measurement light. This LED measurement light is sufficiently broadband to prevent or reduce perturbing interferences or speckle effects. On the other hand, this LED measurement light is narrow enough to suppress or prevent low unwanted dispersion effects, such as chromatic focal point shift or focus shift.

나아가, 레이저 가공 장치의 광학 구성요소들, 예를 들어 레이저 타겟팅 광학계의 렌즈들 및/또는 미러들은, 근적외 스펙트럼 범위에 대해 구성되고, 근적외 측정 광으로 거리 측정을 위해 사용될 수 있다. Furthermore, the optical components of the laser processing apparatus, for example the lenses and/or mirrors of the laser targeting optics, are configured for the near-infrared spectral range and can be used for distance measurement with near-infrared measuring light.

이 방법은 레이저 광의 획득 또는 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우에 있어서, 측정 광 대신 또는 이에 더하여, 레이저 광이 검출되는데, 이것은 작업편에 의해 반사되고 레이저 타겟팅 광학계 및 거리 측정 장치의 검출기 상의 개구를 거쳐 측정 광 광학계를 통해 안내된다. 이 방법에 있어서, 레이저 초점은 개구에 이미징된다. 가변 초점 거리 측정 광학계의 초점 거리는 제어되는 방식으로 시간에 따라 변하고 이것은 개구에 의해 전달되는 레이저 광의 세기가 최대가 될 때, 즉 레이저 초점이 개구에 정확히(sharply) 이미징될 때 검출된다. 이 방법에 있어서, 예를 들어, 제1 단계에서 레이저는 작업편 상에 포커싱될 수 있고 또한 개구에 의해 전달되는 레이저 광의 세기 최대가 발생하는 가변 초점 거리 측정 광학계의 초점 거리가 결정될 수 있다. 레이저의 초점이 이제 더 이상 작업편 상에 있지 않고, 그 위나 또는 그 아래에 있을 때, 개구 평면 내의 이미지 점의 위치 또한 변한다. 이로써, 세기 최대는 가변 초점 거리 측정 광학계의 서로 다른 초점 거리에서 발생한다. 이 결과는 레이저 초점 위치에서의 변화를 검출하는 데 사용될 수 있다. The method may further include acquiring or detecting laser light. In this case, instead of or in addition to the measuring light, laser light is detected, which is reflected by the workpiece and is guided through the measuring light optics via an aperture on the detector of the laser targeting optics and the distance measuring device. In this method, a laser focus is imaged at the aperture. The focal length of the variable focal length measurement optics varies with time in a controlled manner and this is detected when the intensity of the laser light transmitted by the aperture is at its maximum, ie when the laser focus is sharply imaged at the aperture. In this method, for example, in a first step the laser can be focused on the workpiece and the focal length of the variable focal length measuring optics can be determined at which the maximum intensity of the laser light transmitted by the aperture occurs. When the focus of the laser is no longer on the workpiece, but above or below it, the position of the image point in the aperture plane also changes. Thereby, intensity maxima occur at different focal lengths of the variable focal length measuring optics. This result can be used to detect changes in the laser focal position.

일부 실시예들에 있어서, 이 방법은 측정 광 및 레이저 광 모두의 동시 검출을 포함할 수 있다. 이 경우에 있어서, 레이저 초점 및 측정 광 스팟 모두는 개구 상에 이미징되고 개구에 의해 전달되는 레이저 광 및 측정 광의 일 부분들은 거리 측정 장치의 검출기로 안내된다. In some embodiments, the method may include simultaneous detection of both measurement light and laser light. In this case, both the laser focus and the measuring light spot are imaged on the aperture and some portions of the laser light and the measuring light transmitted by the aperture are guided to the detector of the distance measuring device.

광학적 구성요소들의 색상 오차 뿐만 아니라 작업편 표면으로부터 레이저 초점의 거리에 종속하여, 측정 광 스팟이 개구 상에 정확히 이미징되는 초점 거리는 레이저 초점이 개구 상에 정확히 이미징되는 초점 거리와 다를 수 있다. Depending on the distance of the laser focal point from the workpiece surface as well as the color error of the optical components, the focal length at which the measurement light spot is accurately imaged on the aperture may be different from the focal length at which the laser focal point is accurately imaged onto the aperture.

특히, 이 방법은 기계가공되는 작업편을 측정 광 스팟 또는 레이저 초점이 개구 상에 정확히 이미징되는 이 2 가지 초점 거리들의 결정된 차이에 기초하여 레이저 초점에 대하여 포지셔닝하는 단계를 포함할 수 있다. In particular, the method may include positioning the workpiece to be machined with respect to the laser focus based on a determined difference between the two focal lengths at which the measurement light spot or laser focus is accurately imaged on the aperture.

시간에 따라 가변 초점 거리 측정 광학계의 초점 거리를 변경하는 단계는 가변 초점 거리 측정 광학계의 서로 다른 초점 거리들에서 거리 측정 데이터를 검출하기 위해 가변 초점 거리 측정 광학계의 초점 거리를 튜닝(tuning)하는, 특히 주기적으로 튜닝하는 단계를 포함할 수 있다. 초점 거리를 튜닝할 때, 가변 초점 거리 측정 광학계의 최소 초점 거리와 최대 초점 거리 간의 초점 거리 범위는 측정 광학계의 초점이 광학 센서의 전체 측정 범위를 스캔하도록 커버된다. 가변 초점 거리 측정 광학계의 초점 거리를 주기적으로 튜닝함으로써, 검출되는 거리 측정 데이터의 평가는 초점 거리의 시간적 변화와 동기화될 수 있고, 이로써 결정되는 거리들에 검출되는 측정 데이터의 명확하고 신뢰할 만한 할당이 촉진된다. 기계가공되는 측정편의 표면까지의 거리 값 또는 거리, 특히 하나의 거리 값 또는 거리는 측정 광의 초점 거리의 변화에 기초하여 한 주기(cycle) 동안 또는 한 측정 주기 동안 결정될 수 있다. The step of changing the focal length of the variable focal length measurement optics over time includes tuning the focal length of the variable focal length measurement optics to detect distance measurement data at different focal lengths of the variable focal length measurement optics; In particular, it may include periodically tuning. When tuning the focal length, the focal length range between the minimum focal length and the maximum focal length of the variable focal length measurement optics is covered such that the focal point of the measurement optics scans the entire measurement range of the optical sensor. By periodically tuning the focal length of the variable focal length measurement optics, the evaluation of the detected ranging data can be synchronized with the temporal change of the focal length, thereby ensuring a clear and reliable assignment of the detected measurement data to the determined distances. is promoted A distance value or distance, in particular one distance value or distance, to the surface of the measuring piece to be machined may be determined for one cycle or for one measuring cycle based on a change in the focal length of the measuring light.

일부 실시예들에 있어서, 측정 빔 초점은 주기 내의 2 개의 서로 다른 때에 기계가공되는 작업편 또는 측정되는 물체의 표면 상에 있고, 이로써, 기계가공되는 작업편의 표면 상의 측정 광 스팟으로부터의 반사는 광 결합 점 또는 섬유 끝에 정확히 이미징되는데, 이것은 검출기에 의해 검출되는 광에 있어서 세기 최대를 야기시킨다. 기계가공되는 작업편의 거리는 검출기에 의해 검출되는 광의 세기 최대들이 미리 결정된 관계 또는 측정 광의 초점의 위치들 및 주기 시간들 간의 캘리브레이션 측정들에 의해 결정될 수 있는 관계를 이용해 관찰되는 시간들에서 결정될 수 있다. In some embodiments, the measurement beam focus is on the surface of the workpiece being machined or the object being measured at two different times within a period, such that the reflection from the measurement light spot on the surface of the workpiece being machined is light It is imaged precisely at the binding point or fiber end, which causes an intensity maximum in the light detected by the detector. The distance of the workpiece to be machined may be determined at the times at which the intensity maxima of the light detected by the detector are observed using a predetermined relationship or a relationship in which the positions of the focal points of the measuring light and the period times can be determined by calibration measurements.

이 방법은 주기 시간과 거리 간의 관계를 결정하기 위해 캘리브레이션 측정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 캘리브레이션 측정에 의해 결정되는 주기 시간과 거리 간의 관계는 거리 측정 데이터의 평가의 신뢰도 및 정확도를 개선시킬 수 있고, 이로써 결정되는 거리는 주기 내의 세기 최대의 시간으로부터 명확하고 신뢰성 있게 계산될 수 있다. The method may further include performing a calibration measurement to determine a relationship between cycle time and distance. The relationship between the cycle time and the distance determined by the calibration measurement can improve the reliability and accuracy of the evaluation of the distance measurement data, and the thus determined distance can be unambiguously and reliably calculated from the time of the intensity maximum within the period.

캘리브레이션 측정은, 특히 서로 다른 주기 시간들에서, 가변 초점 거리 광학계의 하류의 반달 렌즈의 반사들의 검출을 포함할 수 있다. 반달 렌즈는 오목 표면 및 볼록 표면을 포함한다. 특히, 반달 렌즈는 가변 초점 거리 광학계가 튜닝될 때, 오목 표면으로부터 역반사되는 광 및 볼록 표면으로부터 역반사되는 광이 광-결합 점에서 교대로 포커싱되는, 이러한 방식으로 배치될 수 있고, 그 각각은 광섬유로 공급된 광의 측정가능한 세기 피크를 야기시킨다. 튜닝 주기 내에서 이 피크들의 시간적 위치들은, 가변 초점 거리 광학계의 잘 정의된 초점 거리들에 대응하고, 이로써 가변 초점 거리 광학계 또는 거리 측정 장치는 이 세기 피크들 또는 캘리브레이션 피크들의 시간적 위치들에 기초하여 정확하게 캘리브레이션될 수 있다. The calibration measurement may include detection of reflections of a half-moon lens downstream of the variable focal length optics, particularly at different period times. A half moon lens includes a concave surface and a convex surface. In particular, the half-moon lens can be arranged in such a way that when the variable focal length optics are tuned, the light retroreflected from the concave surface and the light retroreflected from the convex surface are focused alternately at the light-combining point, each causes a measurable intensity peak of the light fed into the optical fiber. The temporal positions of these peaks within the tuning period correspond to well-defined focal lengths of the variable focal length optics, whereby the variable focal length optics or distance measuring device is based on the temporal positions of these intensity peaks or calibration peaks. can be accurately calibrated.

일부 실시예들에 있어서, 캘리브레이션 측정은 스캐너 또는 레이저 타겟팅 광학계의 측면 위치들의 2차원 격자를 측정하는 것을 포함한다. 2차원 격자 상에서 획득되는 거리 측정 데이터는 그후 거리 측정 장치를 캘리브레이션하는 데 사용될 수 있다. In some embodiments, the calibration measurement comprises measuring a two-dimensional grating of lateral positions of the scanner or laser targeting optics. The ranging data obtained on the two-dimensional grid can then be used to calibrate the ranging device.

이 방법은 레이저 광이 작업편 상에 최적으로 포커싱되는 거리를 결정하기 위해 캘리브레이션 측정을 더 포함할 수 있다. The method may further include calibration measurements to determine a distance at which the laser light is optimally focused on the workpiece.

기계가공 레이저는 작업편을 기계가공할 때 가시광선 및 적외선 범위 모두에서 프로세스 광을 생성할 수 있다. 특히, 작업편의 레이저 가공 동안, 프로세스 광은 레이저 광의 스펙트럼 분포 외부에 있는 스펙트럼 범위들에서 발생할 수 있다. 프로세스 광의 발생은 작업편의 방사점(irradiated point)에서 레이저 광의 세기에 결합된다. 레이저가 저전력에서 작동될 때, 프로세스 광은 작업편이 레이저 광의 초점 평면에 정확히 놓일 때에만 발생한다. Machining lasers can generate process light in both the visible and infrared ranges when machining workpieces. In particular, during laser machining of a workpiece, process light can occur in spectral ranges that are outside the spectral distribution of laser light. The generation of process light is coupled to the intensity of the laser light at the irradiated point of the workpiece. When the laser is operated at low power, process light is generated only when the workpiece is placed exactly in the focal plane of the laser light.

레이저 광의 초점 평면을 결정하기 위해, 레이저 초점과 작업편 간의 거리는 변한다. 이것은, 예를 들어 작업편을 포지셔닝하는 것에 의해 또는 포커싱 광학계를 이용해 레이저 빔을 포커싱하는 것에 의해 수행될 수 있다. To determine the focal plane of the laser light, the distance between the laser focal point and the workpiece is varied. This can be done, for example, by positioning the workpiece or by focusing the laser beam with focusing optics.

프로세스 광의 존재 또는 부재는 검출기에 의해 등록된다. 프로세스 광의 검출은 레이저 빔 광이 생성되는 프로세스 광을 위해 작업편 상에 충분히 잘 포커싱됨을 나타낸다. 검출되는 프로세스 광에 기초하여, 레이저 빔 광이 작업편 상에 최적으로 포커싱됨이 또한 결정될 수 있다. 이 경우라면, 대응하는 거리 값은 측정 광으로 거리를 측정하는 것에 의해 결정될 수 있다. The presence or absence of process light is registered by the detector. Detection of the process light indicates that the laser beam light is focused well enough on the workpiece for the process light to be produced. Based on the process light being detected, it can also be determined that the laser beam light is optimally focused on the workpiece. In this case, the corresponding distance value can be determined by measuring the distance with the measuring light.

다른 일 실시예에 있어서, 레이저가 일정한 전력으로 작동되지 않고 대신 레이저의 전력이 변한다. 특히, 레이저의 전력은 낮은 값에서 지속적으로 증가될 수 있고 프로세스 광이 처음 등장하는 한계 전력(critical power)이 결정될 수 있다. In another embodiment, the laser is not operated at a constant power but instead the power of the laser varies. In particular, the power of the laser can be continuously increased from a low value and the critical power at which the process light first appears can be determined.

이 단계는 작업편과 레이저 초점 간의 서로 다른 거리들에 대하여 반복될 수 있다. 작업편 상에 가능한 한 잘 레이저 광이 포커싱되는 거리는 최소 값을 가정하는 한계 전력에 의해 특징지어진다. This step can be repeated for different distances between the workpiece and the laser focus. The distance at which the laser light is focused as well as possible on the workpiece is characterized by a limiting power which assumes a minimum value.

거리 측정 데이터를 획득하는 것은 목표 위치에서 수 개의 위치들 또는 측정 점들에서 발생할 수 있다. 목표 위치에 측정 점의 배치는 이 맥락에서 측정 점이 목표 위치에, 그 안에 또는 그 주변에 배치될 수 있음을 의미한다. 목표 위치에서 수 개의 측정 점들에서 거리 측정 데이터를 획득하는 것에 의해, 측정들의 오차에 대한 감수성(susceptibility)은 평균화에 의해 감소될 수 있다. 수 개의 측정 점들에서 거리 측정 데이터를 획득하는 것에 의해, 측정 결과들에 미치는 반점들의 영향 또한 감소될 수 있다. 이것은 기계가공되는 작업편으로부터 역반사되는 광의 지역적 세기 변동들(fluctuations) 때문이고, 이것은 반점들로 인한 것으로서, 수 개의 측정 점들에서 측정하는 것에 의해 평균화될 수 있다. Acquiring distance measurement data may occur at several locations or measurement points in the target location. The arrangement of the measuring point at the target position means in this context that the measuring point can be arranged at, in or around the target position. By acquiring distance measurement data at several measurement points at a target position, susceptibility to errors of measurements can be reduced by averaging. By acquiring distance measurement data at several measurement points, the influence of spots on measurement results can also be reduced. This is due to local intensity fluctuations of the light reflected back from the workpiece being machined, which is due to speckles, which can be averaged by measuring at several measurement points.

수 개의 측정 점들에서 거리 측정 데이터의 획득은, 특히, 한 측정 주기 내에서, 순차적으로 또는 시간적으로 차례로 실행될 수 있다. 측정 주기 동안, 거리 측정 데이터는 이로써 서로 다른 측정 점들로부터 획득될 수 있어 평균화된 거리는 적은 계산 노력으로 빠르게 결정될 수 있다. Acquisition of distance measurement data at several measurement points can be performed sequentially or sequentially in time, in particular within one measurement period. During the measurement period, distance measurement data can thereby be obtained from different measurement points so that the averaged distance can be quickly determined with little computational effort.

일부 실시예들에 있어서, 거리 측정 데이터는 목표 위치에서 스캔 경로를 따라 복수의 위치들에서 획득된다. 특히, 스캔 경로는 스캔 경로를 따라 획득되는 거리 측정 데이터가 목표 거리를 유추하는 데 사용될 수 있도록 선택될 수 있다. In some embodiments, ranging data is obtained at a plurality of locations along a scan path from a target location. In particular, the scan path may be selected such that distance measurement data obtained along the scan path can be used to infer a target distance.

스캔 경로는 기계가공되는 작업편의 목표 위치를 둘러싸는 원의 형태를 가질 수 있다. 특히, 측정 원은 레이저 스팟에 필적하는 경로 반경을 포함할 수 있다. 측정 원을 따라 획득되는 거리 측정 데이터는 평균화함으로써 측정 오차의 효율적인 감소를 가능하게 하는 데이터베이스로 귀결된다. The scan path may have the form of a circle surrounding the target position of the workpiece being machined. In particular, the measuring circle may comprise a path radius comparable to the laser spot. The distance measurement data obtained along the measurement circle are averaged, resulting in a database that enables efficient reduction of measurement errors.

스캔 경로는 기계가공되는 작업편의 목표 위치에 중심을 둔 나선의 형태를 가질 수 있다. 특히, 나선의 중심은 목표 위치와 일치할 수 있다. 나선 스캔 경로로 인해, 거리 측정 데이터는 특히 큰 표면으로부터 획득될 수 있어, 평균화 효과는 강화되고 간섭에 대한 측정 감수성도 감소될 수 있다. The scan path may have the form of a spiral centered at a target location on the workpiece being machined. In particular, the center of the helix may coincide with the target position. Due to the spiral scan path, ranging data can be obtained especially from large surfaces, so that the averaging effect can be enhanced and the measurement susceptibility to interference can also be reduced.

구현의 일부 형태들에 있어서, 수 개의 측정 점들에서 거리 측정 데이터의 획득은, 특히 한 측정 주기에서, 실질적으로 동시에 발생하는데, 거리의 결정은 물리적으로 평균화된 거리 측정 데이터에 기초하여 발생한다. In some forms of implementation, the acquisition of ranging data at several measurement points occurs substantially simultaneously, particularly in one measurement period, wherein the determination of the distance occurs on the basis of physically averaged ranging data.

거리 측정 데이터의 물리적 평균화는, 특히, 거리 결정이 예를 들어 결정된 거리들로부터 평균 거리 값을 형성하기 위해, 각 측정 점에 대하여 별개로 실행되지 않음을 의미한다. 물리적 평균화는 특히, 기계가공되는 작업편으로부터 역반사되는 측정 광의 세기 측정 데이터, 목표 위치의 수 개의 측정 점들에서 기록되는 거리 측정 데이터의 전체(total)가 목표 위치의 거리의 결정에 포함되고, 이로써 하나의 거리 값이 측정 점들의 전체에 대하여 결정됨을 의미한다. Physical averaging of the ranging data means, in particular, that the distance determination is not carried out separately for each measurement point, for example to form an average distance value from the determined distances. Physical averaging, in particular, is that the intensity measurement data of the measurement light retroreflected from the workpiece being machined, the total of the ranging data recorded at several measurement points of the target position are included in the determination of the distance of the target position, whereby This means that one distance value is determined for all of the measurement points.

물리적 평균화로 인해, 목표 위치의 서로 다른 측정 점들에서 기록되는 거리 측정 데이터의 전체는, 특히 하나의 평가 단계에서, 함께 평가될 수 있고, 이로써 거리 값은 빠르고 간이한 방식으로 결정될 수 있다. Due to the physical averaging, all of the distance measurement data recorded at different measurement points of the target position can be evaluated together, in particular in one evaluation step, whereby the distance value can be determined in a fast and simple manner.

측정 광은, 특히 공초점 개구의 형태로, 복수의 홀들을 갖는 적어도 하나의 천공된 마스크를 이용해 수 개의 측정 점들에서 거리 측정 데이터의 동시 획득을 위해 복수의 부분 측정 광들로 분리될 수 있다. 적어도 하나의 천공된 마스크로, 수 개의 측정 점들에서 거리 측정 데이터의 획득에 필요한 부분 측정 광들이 이로써 간이한 방식으로 생성될 수 있다. The measurement light can be split into a plurality of partial measurement lights for simultaneous acquisition of ranging data at several measurement points using at least one perforated mask having a plurality of holes, in particular in the form of a confocal aperture. With at least one perforated mask, the partial measurement lights necessary for the acquisition of distance measurement data at several measurement points can thereby be generated in a simple manner.

부분 측정 광들은 공통 광검출기로 검출될 수 있다. 모든 부분 측정 광들을 위한 공통 광검출기의 사용은 수 개의 측정 점들로부터 거리 측정 데이터의 획득을 단순화시킨다. 공통 광검출기로 부분 측정 광들의 획득과 동시에, 광 세기들 또는 거리 측정 데이터의 물리적 평균화가 발생한다. 이것은 공통 광검출기가 서로 다른 측정 점들로부터 역반사되는 광들을 구별하지 않기 때문이다. 거리 측정 데이터의 평균화는 이로써 계산 단계를 수행할 필요 없이 자동으로 발생한다. Partial measurement lights can be detected with a common photodetector. The use of a common photodetector for all partial measurement lights simplifies the acquisition of distance measurement data from several measurement points. Simultaneously with the acquisition of the partial measurement lights with a common photodetector, a physical averaging of the light intensities or distance measurement data takes place. This is because the common photodetector does not distinguish between lights that are retroreflected from different measurement points. The averaging of the distance measurement data thus takes place automatically without the need to perform a calculation step.

제2 측면에 따르면, 작업편의 제어되는 기계가공을 위한 장치가 제안된다. According to a second aspect, an apparatus for controlled machining of a workpiece is proposed.

이 장치는 기계가공되는 작업편을 기계가공 또는 레이저 가공하기 위해 레이저 광 빔을 생성하기 위한 레이저 광원을 포함한다. 특히, YAG 레이저 또는 섬유 레이저와 같은, 근적외선 스펙트럼 범위에서 방출하는 고체-상태 레이저 뿐만 아니라, 예를 들어 CO₂ 레이저와 같은, 기체 레이저가 레이저 빔을 생성하는 데 사용될 수 있다. The apparatus comprises a laser light source for generating a laser light beam for machining or laser machining the workpiece to be machined. In particular, solid-state lasers emitting in the near-infrared spectral range, such as YAG lasers or fiber lasers, as well as gas lasers, such as, for example, CO ₂ lasers, can be used to generate the laser beam.

이 장치는 기계가공되는 작업편의 목표 위치에서 레이저 광 초점에 레이저 광 빔을 포커싱하기 위한 레이저 타겟팅 광학계를 더 포함한다. 레이저 타겟팅 광학계는 특히 포커싱 및 정렬 광학계로서 구성될 수 있는데, 이것은 레이저 빔의 타겟팅되는 정렬 및 포커싱을 가능하게 한다. 레이저 타켓팅 광학계는 특히 레이저 빔 스캐너로서, 특히 갈보 스캐너로서 구성될 수 있는데, 레이저 빔의 정렬은 전기적으로 제어되는 미러들을 이용해 수행될 수 있다. The apparatus further includes laser targeting optics for focusing the laser light beam to a laser light focus point at a target position of the workpiece being machined. The laser targeting optics can in particular be configured as focusing and alignment optics, which enable targeted alignment and focusing of the laser beam. The laser targeting optics can in particular be configured as a laser beam scanner, in particular as a galvo scanner, wherein the alignment of the laser beam can be performed using electrically controlled mirrors.

이 장치는 또한 거리 측정 장치에 의해 획득되는 거리 측정 데이터에 기초하여 기계가공되는 작업편의 목표 위치와 레이저 타겟팅 광학계 간의 거리를 결정하기 위한 거리 측정 장치, 및 검출된 거리 측정 데이터에 기초하여 레이저를 재포커싱하거나(refocusing) 및/또는 레이저 광 초점에 대하여 기계가공되는 작업편을 포지셔닝하기 위한 포지셔닝 장치를 포함한다. The device also includes a distance measuring device for determining a distance between a laser targeting optical system and a target position of the workpiece to be machined based on distance measuring data obtained by the distance measuring device, and a laser measuring device based on the detected distance measuring data. and a positioning device for refocusing and/or positioning a workpiece to be machined with respect to a laser light focus.

이 장치는 획득되는 거리 측정 데이터를 평가하고 또한 획득되는 거리 측정 데이터에 기초하여 포지셔닝 장치를 제어하도록 구성되는 평가 제어 유닛을 더 포함한다. The apparatus further includes an evaluation control unit, configured to evaluate the obtained distance measurement data and control the positioning device based on the obtained distance measurement data.

거리 측정 장치는 측정 광을 생성하기 위한 측정 광원을 가지고 또한 가변 초점 거리 측정 광 광학계의 초점 거리가 가변 초점 거리 측정 광 광학계의 서로 다른 초점 거리 값들에서 거리 측정 데이터를 획득하기 위해 시간에 따라 변할 수 있는 이러한 방식으로 가변 초점 거리 측정 광 광학계를 갖는 광학-공초점 거리 측정 장치로서 구성된다. The distance measuring device has a measuring light source for generating a measuring light, and the focal length of the variable focal distance measuring optical system may be changed with time to obtain distance measuring data at different focal length values of the variable focal distance measuring optical system. In this way, it is configured as an optical-confocal distance measuring device having a variable focal distance measuring optical system.

시간에 따라 가변 초점 거리 측정 광 광학계의 초점 거리를 변화시키는 것에 의해, 거리 측정 장치의 유효 측정 범위에서의 증가가 달성될 수 있고 이로써 레이저 타겟팅 광학계와 기계가공되는 작업편의 목표 위치 간의 거리 또한 큰 초점 거리를 갖거나 또는 작은 개구수를 갖는 레이저 가공 장치들의 경우에 있어서 광학 공초점 센서로 정확하게 결정될 수 있다. By changing the focal length of the variable focal length measuring optical system with time, an increase in the effective measuring range of the ranging device can be achieved, whereby the distance between the laser targeting optical system and the target position of the workpiece to be machined is also large. It can be precisely determined with an optical confocal sensor in the case of laser processing devices with a distance or with a small numerical aperture.

가변 초점 거리 측정 광학계는 또한 광학적 분산이 없거나 또는 낮은 광학적 분산을 갖는 광학 요소들을 사용하여 거리 측정들을 수행하는 것을 가능하게 해주어, 특히 광학적 분산이 없거나 또는 낮은 광학적 분산을 가지는, 레이저 빔 안내에 필요한 광학 요소들은, 또한 측정 광의 빔 안내를 위해 사용될 수 있다. Variable focal length measurement optics also make it possible to perform distance measurements using optical elements with no or low optical dispersion, in particular the optics necessary for guiding a laser beam, with no optical dispersion or low optical dispersion. Elements can also be used for guiding the beam of measurement light.

거리 측정 장치의 측정 광 광학계는 레이저 타겟팅 광학계의 적어도 일 부분을 포함할 수 있다. The optical optical system for measuring the distance may include at least a portion of the laser targeting optical system.

거리 측정 장치의 측정 광 광학계를 위해 레이저 타겟팅 광학계를 사용함으로써, 필요한 광학 구성요소들의 수가 감소될 수 있거나 또는 장치의 구조는 상당히 단순해질 수 있다. 따라서, 거리 센서는 또한 이미 존재하는 레이저 가공 시스템에 용이하게 통합될 수 있다. By using the laser targeting optics for the measuring optical optics of the distance measuring device, the number of necessary optical components can be reduced or the structure of the device can be significantly simplified. Thus, the distance sensor can also be easily integrated into existing laser machining systems.

거리 측정 장치는 기계가공되는 작업편으로부터 역반사되는 측정 광의 세기를 검출하기 위한 광검출기를 포함할 수 있고 거리가 작업편으로부터 역반사되는 측정 광의 검출되는 세기의 시간에 따른 전개(development)에 기초하여 결정될 수 있는 방식으로 구성될 수 있다. The distance measuring device may comprise a photodetector for detecting an intensity of the measuring light that is retroreflected from the workpiece being machined and the distance is based on the development over time of the detected intensity of the measuring light that is retroreflected from the workpiece. It can be configured in a way that can be determined by

특히, 가변 초점 거리 측정 광학계의 초점 거리의 제어되는 시간적 변화로, 세기의 검출의 시간에 있어서의 점들은 가변 초점 거리 측정 광학계의 특정 초점 거리들에, 이로써 특정 거리들에 할당될 수 있고, 이로부터 레이저 타겟팅 광학계와 목표 위치 간의 거리는 추론될 수 있다. In particular, with a controlled temporal change of the focal length of the variable focal length measurement optics, points in the time of detection of the intensity can be assigned to particular focal lengths of the variable focal length measurement optics, thereby to particular distances, whereby The distance between the laser targeting optical system and the target position can be inferred.

광대역 적외 광원, 특히 근적외 스펙트럼 범위에서 방출하는 광원은 측정 광원으로서 사용될 수 있다. 특히, 대략 950 nm의 피크 파장을 가지고 또한 대략 50 nm의 스펙트럼 반폭을 갖는 근적외선 LED가 측정 광을 생성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 LED 측정 광은 교란 간섭 또는 반점 효과들을 방지 또는 감소시키기에 충분히 광대역이다. 한편, 이러한 LED 측정 광은 색상 초점 천이 또는 초점 천이와 같은, 낮은 원치 않는 분산 효과들을 억제 또는 방지하기에 충분히 협대역이다. A broadband infrared light source, in particular a light source emitting in the near-infrared spectral range, can be used as the measurement light source. In particular, a near-infrared LED having a peak wavelength of approximately 950 nm and a spectral half-width of approximately 50 nm may be used to generate the measurement light. This LED measurement light is sufficiently broadband to prevent or reduce disturbing interference or speckle effects. On the other hand, this LED measurement light is narrow enough to suppress or prevent low unwanted dispersion effects, such as color focus shift or focus shift.

가변 초점 거리 측정 광학계는 튜닝가능한, 특히 주기적으로 튜닝가능한 측정 광학계로서 구성될 수 있다. 초점 거리가 튜닝될 때, 가변 초점 거리 측정 광학계의 최소 초점 거리와 최대 초점 거리 간의 초점 거리 범위는 측정 광학계의 초점이 예를 들어 +/- 7 mm의, 광학 센서의 전체 측정 범위를 커버하도록 커버된다. 가변 초점 거리 측정 광학계의 초점 거리를 주기적으로 튜닝함으로써, 평가는 기록되는 측정 데이터의 결정되는 거리들에의 명확하고 신뢰성 있는 할당이 가능하게 되는 이러한 방식으로 초점 거리의 시간적 변화와 동기화될 수 있다. The variable focal length measuring optics may be configured as tunable, in particular periodically tunable, measuring optics. When the focal length is tuned, the focal length range between the minimum and maximum focal lengths of the variable focal length measurement optics covers the entire measurement range of the optical sensor, for example +/- 7 mm in focus of the measurement optics. do. By periodically tuning the focal length of the variable focal length measuring optics, the evaluation can be synchronized with the temporal change of the focal length in such a way that an unambiguous and reliable assignment of the recorded measurement data to determined distances is possible.

특히, 가변 초점 거리 광학계는 거리 측정 장치의 이미징 시스템의 발산 부분에 배치될 수 있다. 발산 부분(divergent part)은 측정 광 광학계가 발산하는 측정 빔을 형성하는 거리 측정 장치의 이미징 시스템의 일 부분이다. 이미징 시스템의 발산 부분에 있어서, 가변 초점 거리 측정 광학계는 특히 가변 초점 거리 광학계의 자유 개구가 최적으로 사용될 수 있는 이러한 방식으로 위치될 수 있다. In particular, the variable focal length optics may be disposed in the diverging portion of the imaging system of the distance measuring device. The divergent part is a part of the imaging system of the distance measuring device in which the measuring optical optical system forms a diverging measuring beam. In the divergent part of the imaging system, the variable focal length measuring optics can be positioned in such a way that the free aperture of the variable focal length optics can be optimally used.

가변 측정 거리 측정 광학계는 가변 초점 거리 렌즈를 포함할 수 있다. 가변 초점 거리 렌즈로, 특히 전기적으로 제어가능한 가변 초점 거리 렌즈로, 측정 광학계의 초점 거리는 단순한 방식으로 변경될 수 있다. 가변 초점 거리 렌즈의 자유 개구는 1과 10 mm 사이의, 특히 2와 6 mm 사이의 범위에서 직경을 포함할 수 있다. 가변 초점 거리 렌즈는 특히 광 결합 점 근방에 또는 측정 광이 발산하여 빠져나오는 섬유 끝 근방에 배치될 수 있다. The variable measuring distance measuring optical system may include a variable focal length lens. With variable focal length lenses, in particular with electrically controllable variable focal length lenses, the focal length of the measuring optics can be changed in a simple manner. The free aperture of the variable focal length lens may comprise a diameter in the range between 1 and 10 mm, in particular between 2 and 6 mm. The variable focal length lens may be placed in particular near the light coupling point or near the end of the fiber from which the measurement light diverges and exits.

일부 실시예들에 있어서, 이 장치는 측정 광을 복수의 부분 측정 광들로 분리하기 위한 복수의 홀들을 갖는 적어도 하나의 천공된 마스크를 포함한다. 부분 측정 광들로, 거리 측정 데이터는 동시에 수 개의 측정 점들에서 획득될 수 있다. In some embodiments, the apparatus includes at least one perforated mask having a plurality of holes for separating the measurement light into a plurality of partial measurement lights. With partial measurement lights, distance measurement data can be acquired at several measurement points at the same time.

일 실시예에 있어서, 이 장치는 측정 광을 커플링 인 및 커플링 아웃하기 위한 광 결합 점을 갖는 광섬유를 포함하는데, 이 적어도 하나의 천공된 마스크는 광 결합 점에 배치된다. 이 천공된 마스크의 배치는 섬유 커플러를 갖는 장치들에 적절하고, 이때 광 결합 점은 측정 광원에 의해 생성되는 광을 커플링 아웃하고 또한 기계가공되는 작업편으로부터 역반사되는 측정 광을 커플링 인하도록 구성된다. 이 경우에 있어서, 서로 다른 측정 점들에서 거리 측정 데이터의 획득은 하나의 천공된 마스크를 가지고 간이한 방식으로 수행될 수 있다. In one embodiment, the apparatus comprises an optical fiber having a light coupling point for coupling in and out of the measurement light, wherein the at least one perforated mask is disposed at the light coupling point. The arrangement of this perforated mask is suitable for devices with a fiber coupler, where the light coupling point couples out the light generated by the measurement light source and also couples down the measurement light that is retroreflected from the workpiece being machined. is composed of In this case, acquisition of distance measurement data at different measurement points can be performed in a simple manner with one perforated mask.

특히, 천공된 마스크는 광 결합 점 상에 직접 또는 광섬유의 끝에 직접 배치될 수 있다. 천공된 마스크를 광 결합 점 상에 배치하는 것은 천공된 마스크에 의해 광 결합 점을 빠져나오는 측정 광 모두를 필수적으로 캡쳐함으로써 천공된 마스크의 효율적 사용을 허용한다.In particular, the perforated mask can be placed directly on the light coupling point or directly at the end of the optical fiber. Placing the perforated mask on the light coupling point allows efficient use of the perforated mask by essentially capturing all of the measurement light exiting the light coupling point by the perforated mask.

광 결합 점 또는 광섬유의 끝 및 천공된 마스크는 천공된 마스크가 필수적으로 완전히 조명되는 이러한 방식으로 치수가 정해질 수 있다. 이것은 천공된 마스크의 영역이 특히 효율적으로 사용될 수 있음을 의미한다. The light coupling point or tip of the optical fiber and the perforated mask can be dimensioned in such a way that the perforated mask is essentially fully illuminated. This means that the area of the perforated mask can be used particularly efficiently.

일부 실시예들에 있어서, 이 장치는 광 배출단을 갖는 제1 광섬유 및 광 진입단을 갖는 제2 광섬유를 포함하고, 제1 천공된 마스크는 광 배출단에 배치되고 제2 천공된 마스크는 광 진입단에 배치된다. 천공된 마스크들의 이러한 배치는 빔 분리기를 갖는 장치들에 적절하고, 이 빔 분리기는 측정 광원에 의해 생성되는 측정 광을 거리 측정 장치의 이미징 시스템으로 커플링 인하고 또한 기계가공되는 작업편으로부터 역반사되는 측정 광을 커플링 아웃하도록 구성된다. In some embodiments, the apparatus comprises a first optical fiber having a light exit end and a second optical fiber having a light entry end, wherein the first perforated mask is disposed at the light exit end and the second perforated mask comprises a light exit end. placed at the entrance. This arrangement of perforated masks is suitable for devices having a beam splitter, which couples in the measuring light generated by the measuring light source into the imaging system of the distance measuring device and also retroreflects from the workpiece being machined. and to couple out the measurement light.

2 개의 천공된 마스크들은 2 개의 천공된 마스크들의 홀들이 쌍으로 초점을 공유하여 정렬되는 이러한 방식으로 위치될 수 있다. 2 개의 천공된 마스크들의 홀들의 쌍으로 공초점적 정렬로 인해, 제1 천공된 마스크의 홀들에 생성되는 부분 측정 광 빔들은 제2 천공된 마스크의 대응하는 홀들에 묶여서(bundled), 천공된 마스크들에 의해 야기되는 광 손실들은 최소화될 수 있다. The two perforated masks can be positioned in such a way that the holes of the two perforated masks are aligned with a shared focal point in pairs. Due to the confocal alignment of the holes in the two perforated masks to the pair, the partial measurement light beams generated in the holes of the first perforated mask are bundled into the corresponding holes of the second perforated mask, so that the perforated masks are The optical losses caused by ? can be minimized.

개별 광섬유들을 이용하는 대신, 광섬유 번들들이 서로 다른 측정 점들에서 거리 측정 데이터를 기록하기 위해 다수의 부분 측정 광들을 생성하는 데 사용될 수 있다. 광섬유 번들들이 이미 많은 부분 측정 광들을 제공하기에, 천공된 마스크들은 더 이상 필요치 않다. 측정 광을 부분 측정 광들로 분기시키기 위한 광섬유 번들들은 섬유 커플러를 갖는 장치에 또한 빔 분리기를 갖는 장치에 모두 사용될 수 있다. 광섬유 번들들을 사용함으로써, 장치의 구조 및 작동은 이로써 단순화될 수 있다. Instead of using individual optical fibers, fiber bundles can be used to generate multiple partial measurement lights to record distance measurement data at different measurement points. Perforated masks are no longer needed, as fiber optic bundles already provide large fractional measurement lights. Fiber optic bundles for splitting the measurement light into partial measurement lights can be used both in devices with fiber couplers and in devices with beam splitters. By using fiber optic bundles, the structure and operation of the device can be simplified thereby.

일부 실시예들에 있어서, 이 장치는 카메라가 기계가공 중, 전 및/또는 후에 기계가공되는 작업편의 가공 위치를 시각적으로 검사하는 데 사용될 수 있도록 구성되는 카메라를 포함한다. In some embodiments, the apparatus comprises a camera configured such that the camera can be used to visually inspect a machining position of a workpiece being machined during, before and/or after machining.

일부 실시예들에 있어서, 이 장치는 프로세스 광의 존재를 검출하도록 구성되는 검출기를 포함하는데, 이때 프로세스 광은 레이저 광의 스펙트럼 분포 외부에 존재한다. In some embodiments, the apparatus comprises a detector configured to detect the presence of process light, wherein the process light is outside the spectral distribution of the laser light.

실시예들은 도면들을 참조하여 이하에서 더 상세하게 설명되는데, 동일한 참조 부호들은 동일하거나 또는 유사한 구성요소들을 표시하기 위해 사용된다.
도 1은 일 실시예에 따른 작업편의 제어되는 기계가공하기 위한 장치를 대략적으로 보여준다.
도 2는 일 실시예에 따른 천공된 마스크를 보여준다.
도 3은 다른 실시예에 따른 천공된 마스크를 보여준다.
도 4는 일 실시예에 따른 반달 렌즈의 대략적인 측면도이다.
도 5는 도 4의 반달 렌즈의 대략적인 상면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 거리 측정 장치의 일 부분에서의 가능한 빔 경로를 대략적으로 보여준다.
도 7은 도 6에 따른 부분에서의 다른 가능한 빔 경로를 대략적으로 보여준다.
도 8은 도 6에 따른 부분에서의 다른 가능한 빔 경로를 대략적으로 보여준다.
도 9는 반달 렌즈로부터 역반사되는 광의 세기의 시간에 따른 전개를 보여준다.
도 10은 다른 실시예에 따른 작업편의 제어되는 기계가공을 위한 장치를 대략적으로 보여준다.
도 11은 일 실시예에 따른 작업편의 제어되는 기계가공을 위한 방법의 흐름도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 작업편의 제어되는 기계가공을 위한 장치를 대략적으로 보여준다. Embodiments are described in more detail below with reference to the drawings, in which like reference numerals are used to denote the same or similar components.
1 schematically shows an apparatus for controlled machining of a workpiece according to an embodiment;
2 shows a perforated mask according to one embodiment.
3 shows a perforated mask according to another embodiment.
4 is a schematic side view of a half moon lens according to an embodiment.
5 is a schematic top view of the half-moon lens of FIG. 4 .
6 schematically shows a possible beam path in a part of a distance measuring device according to an embodiment.
7 schematically shows another possible beam path in the part according to FIG. 6 .
8 schematically shows another possible beam path in the part according to FIG. 6 .
9 shows the evolution of the intensity of light retroreflected from a half-moon lens over time.
10 schematically shows an apparatus for the controlled machining of a workpiece according to another embodiment.
11 is a flow diagram of a method for controlled machining of a workpiece according to one embodiment.
12 schematically shows an apparatus for the controlled machining of a workpiece according to another embodiment.

도 1은 일 실시예에 따른 작업편의 제어되는 기계가공하기 위한 장치를 대략적으로 보여준다. 장치(1)은 기계가공되는 작업편(4)을 기계가공하기 위한 레이저 광 빔(3)을 생성하기 위한 레이저 광원(2)을 포함한다. 나아가, 장치(1)는 기계가공되는 작업편(4)의 목표 위치(6)에 레이저 광 빔(3)을 초점(F)에 조준 또는 선택적으로 포커싱하기 위한 레이저 타겟팅 광학계(5)를 포함한다. 1 schematically shows an apparatus for controlled machining of a workpiece according to an embodiment; The apparatus 1 comprises a laser light source 2 for generating a laser light beam 3 for machining a workpiece 4 to be machined. Furthermore, the apparatus 1 comprises laser targeting optics 5 for aiming or selectively focusing the laser light beam 3 to a focal point F at a target position 6 of the workpiece 4 being machined. .

장치(1)는 기계가공되는 작업편(4)의 목표 위치(6)와 레이저 타겟팅 광학계(5) 간의 거리를 결정하기 위한 거리 측정 장치(7)를 포함한다. 거리 측정 장치(7)는 광학적-공초점 거리 측정 장치로서 구성되고 또한 측정 광을 생성하기 위한 측정 광원(8) 및 작업편(4)으로부터 역반사되는 측정 광을 검출하기 위한 광검출기(9)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 거리 측정 장치(7)는 제로 평면(0) 주위 +/- 7 mm의 거리 측정 범위(H)를 가진다. The device 1 comprises a distance measuring device 7 for determining the distance between the target position 6 of the workpiece 4 to be machined and the laser targeting optics 5 . The distance measuring device 7 is configured as an optically-confocal distance measuring device and also has a measuring light source 8 for generating a measuring light and a photodetector 9 for detecting a measuring light retroreflected from the work piece 4 . includes In this embodiment, the ranging device 7 has a ranging range H of +/- 7 mm around the zero plane 0 .

측정 광원(8)은 Y-커플러의 형태로 섬유 커플러(12)의 제1 연결점(11)에서 제1 광섬유(10)에 연결된다. 광검출기(9)는 섬유 커플러(12)의 제2 연결점(14)에서 제2 광섬유(13)에 연결된다. 제1 단을 갖는 제3 광섬유(16)는 섬유 커플러(12)의 제3 연결 점(15)에 연결되는데, 이때 제3 광섬유(16)의 제2 단은 측정 광을 커플링 인 및 아웃하기 위한 광 결합 점(17)으로서 형성된다. 이 실시예에 있어서, 제1 광섬유(10), 제2 광섬유(13) 및 제3 광섬유(16)는 근적외선 스펙트럼 범위에서 광대역 광을 전송할 수 있는 다중-모드 섬유들로서 형성된다. The measuring light source 8 is connected to the first optical fiber 10 at a first connection point 11 of the fiber coupler 12 in the form of a Y-coupler. The photodetector 9 is connected to the second optical fiber 13 at the second connection point 14 of the fiber coupler 12 . A third optical fiber 16 having a first end is connected to a third connection point 15 of a fiber coupler 12 , wherein a second end of the third optical fiber 16 is used to couple the measurement light in and out. formed as a light coupling point 17 for In this embodiment, the first optical fiber 10 , the second optical fiber 13 and the third optical fiber 16 are formed as multi-mode fibers capable of transmitting broadband light in the near infrared spectral range.

시준 렌즈(18)는 광 결합 점(17)의 하류에 배치되고, 가변 초점 거리의 렌즈(19)는 광 결합 점(17)과 시준 렌즈(18) 사이에 배치된다. 광 결합 점(17)은 측정 광이 발산하는 방식으로 광 결합 점(17)으로부터 빠져나가는 이러한 방식으로 구성되고, 이로써 발산하는 측정 광 빔은 광 결합 점(17)과 시준 렌즈(18) 사이의 영역으로 귀결된다. 이 실시예에 있어서, 가변 초점 거리 렌즈(19)는 옵토튠(Optotune)사의 전기적으로 제어가능한 가변 초점 거리 렌즈 EL-03-10이다. A collimating lens 18 is disposed downstream of the light coupling point 17 , and a variable focal length lens 19 is disposed between the light coupling point 17 and the collimating lens 18 . The light coupling point 17 is configured in such a way that the measuring light exits from the light coupling point 17 in such a way that the diverging measuring light beam is formed between the light coupling point 17 and the collimating lens 18 . end up in the area. In this embodiment, the variable focal length lens 19 is an electrically controllable variable focal length lens EL-03-10 from Optotune.

제1 편향판(30)은 측정 광을 레이저 광 빔(3)의 빔 경로로 및 레이저 타겟팅 광학계(5)로 각각 결합하고 결합해제하기 위한 레이저 광 빔(3)의 빔 경로에 배치된다. 편향판(30)은 측정 광이 레이저 광 빔(3)에 동축으로, 특히, 측정 광과 레이저 광 빔에 공통인 광학축(A)을 따라, 레이저 광 빔의 빔 경로에서 전파될 수 있는 이러한 방식으로 구성될 수 있다. The first deflection plate 30 is disposed in the beam path of the laser light beam 3 for coupling and decoupling the measurement light to the beam path of the laser light beam 3 and to the laser targeting optical system 5, respectively. The deflection plate 30 is such 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. can be configured in this way.

장치(1)는 제2 편향판(31)을 더 포함하는데, 이것은 제1 편향판(30)과 레이저 타겟팅 광학계(5) 사이 레이저 광 빔의 빔 경로에 위치될 수 있다. 카메라(32)는 기계가공되는 작업편의 가공 위치가 카메라(32)의 도움으로 시각적으로 검사될 수 있는 이러한 방식으로 제2 시준 렌즈(33) 및 제2 편향판(31)을 통해 레이저 타겟팅 광학계(5)에 광학적으로 결합된다. 편향판들(30 및 31)은 레이저 광에 투명하거나 또는 부분적으로 투명한 판들로 구성되고, 이로써 레이저 광 빔의 빔 경로는 편향판들(30 및 31)에 의해 방해되지 않거나 또는 단지 약간만 방해된다. The device 1 further comprises a second deflection plate 31 , which may be positioned in the beam path of the laser light beam between the first deflection plate 30 and the laser targeting optics 5 . The camera 32 connects the laser targeting optics ( 5) is optically coupled. The deflection plates 30 and 31 are composed of plates which are transparent or partially transparent to the laser light, whereby the beam path of the laser light beam is not obstructed or only slightly obstructed by the deflection plates 30 and 31 .

일부 실시예들에 있어서, 카메라(32)에 대한 광은 레이저(2)와 편향판(30) 사이의 편향판(31)으로 전환된다. 레이저와 편향판(30) 사이에서 카메라 광을 분기시킴으로써, 카메라 광의 분기를 위한 편향판(31)에 의해 거리 측정은 영향받지 않는다. In some embodiments, light to camera 32 is diverted to deflector 31 between laser 2 and deflector 30 . By branching the camera light between the laser and the deflection plate 30 , the distance measurement is not affected by the deflection plate 31 for the branching of the camera light.

도 1에 도시된 배치에 있어서, 레이저 광 빔(3)은 편향판(30) 또는 편향판(31) 각각에 의해, 이로써 레이저 타겟팅 광학계(5)로 투과적으로(transmissively) 결합된다. 다른 실시예들에 있어서, 레이저 광 빔(3)은 반사적으로(reflectively) 또는 레이저 빔 미러를 이용해 레이저 타겟팅 광학계(5)로 결합된다. In the arrangement shown in FIG. 1 , the laser light beam 3 is transmissively coupled by a deflector 30 or a deflector 31 respectively, thereby to the laser targeting optics 5 . In other embodiments, the laser light beam 3 is coupled to the laser targeting optics 5 reflectively or using a laser beam mirror.

특히, 레이저 빔은 공통 광학축(A)에 수직하게 또는 측면으로 반사적으로 장치(1)의 광학 시스템으로 결합될 수 있다. 이러한 배치에 있어서, 예를 들어, 레이저(2)가 카메라(32) 및 시준 렌즈(33) 대신 배치될 수 있고, 레이저 빔 미러가 편향판(31) 대신 배치될 수 있다. 측정 광에 적어도 부분적으로 투명한 레이저 빔 미러가 레이저 빔 미러로서 사용될 수 있다. 여기서 설명되는 원리들이 실현될 수 있는 광 빔 경로의 다른 구성들 또한 가능하다. 한정적이지 않은 실시예에 있어서, 측정 광은 공통 광학축(A)을 따라서 또는 동축으로 레이저 빔의 빔 경로에 결합된다. In particular, the laser beam can be coupled into the optical system of the device 1 reflectively laterally or perpendicular to the common optical axis A. In this arrangement, for example, the laser 2 may be arranged instead of the camera 32 and the collimating lens 33 , and a laser beam mirror may be arranged instead of the deflection plate 31 . A laser beam mirror that is at least partially transparent to the measurement light can be used as the laser beam mirror. Other configurations of the light beam path in which the principles described herein may be realized are also possible. In a non-limiting embodiment, the measurement light is coupled to the beam path of the laser beam along or coaxially with a common optical axis A.

레이저 타겟팅 광학계(5)의 일부 실시예들에 있어서, 포커싱 렌즈(50)는 미러 쌍(51)의 하류에 위치되어 정렬되는 레이저 빔(3)이 목표 위치에서 포커싱 렌즈(50)에 의해 포커싱될 수 있기 전에 레이저 빔(3)은 미러 쌍(51)에 의해 먼저 정렬된다. In some embodiments of the laser targeting optics 5 , the focusing lens 50 is positioned downstream of the mirror pair 51 so that the aligned laser beam 3 is to be focused by the focusing lens 50 at the target position. The laser beam 3 is first aligned by a mirror pair 51 before being able to.

도 1의 실시예에 따른 장치(1)는 또한 평가 제어 유닛(40)을 포함한다. 평가 제어 유닛(40)은 검출되는 거리 측정 데이터를 평가하기 위한 평가 유닛(41), 가변 초점 거리 렌즈(19)의 초점 거리를 제어하기 위한 렌즈 제어 유닛(42), 뿐만 아니라 레이저 초점에 대하여 기계가공되는 작업편을 포지셔닝하기 위한 포지셔닝 제어 유닛(43)을 포함한다. 평가 유닛(41)은 신호 라인(44)을 통해 광검출기(9)의 출력에 연결된다. 렌즈 제어 유닛(42)은 렌즈 제어 라인(45)을 통해 가변 초점 거리 렌즈(19)의 제어 포트에 연결된다. 포지셔닝 유닛(43)은 기계가공되는 작업편(4)을 포지셔닝하기 위한 포지셔너(47)에 포지셔닝 제어 라인(46)을 통해 연결된다. The device 1 according to the embodiment of FIG. 1 also comprises an evaluation control unit 40 . The evaluation control unit 40 includes 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, as well as a machine for laser focus. and a positioning control unit 43 for positioning the workpiece to be machined. The evaluation unit 41 is connected to the output of the photodetector 9 via a signal line 44 . The lens control unit 42 is connected to the control port 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.

이 실시예에서 사용되는 레이저 광원은 1030 nm와 1070 nm 사이의 파장 범위에서 광학적 복사(optical radiation)를 생성하는 YAG 레이저이다. The laser light source used in this embodiment is a YAG laser that generates optical radiation in the wavelength range between 1030 nm and 1070 nm.

다른 고체-상태 레이저들, 특히 근적외선 스펙트럼 범위에서 방출하는 레이저들, 또는 기체 레이저들, 예를 들어 CO₂ 레이저들 또한 레이저 광원들로서 사용될 수 있다. 근적외선 스펙트럼 범위에서 방출하는 레이저들은 물질 가공에 매우 적합하다. 이것은 이 레이저들이 물질 가공에 필요한 광학적 복사의 고전력 밀도들 및 kW 범위의 전력들을 제공할 수 있기 때문이다. 장치(1)는 레이저(2)의 전력을 제어하도록 구성되는 레이저 전력 제어, 및 레이저 포커싱을 제어하도록 구성되고 또한 레이저의 빔 경로에 배치되는 제어가능한 포커싱 광학계를 포함하는 레이저 포커싱 제어를 더 포함한다. 레이저 전력 제어 및 레이저 포커싱 제어는 표현의 단순함을 위해 도 1에 도시되지 않는다. Other solid-state lasers, particularly those emitting in the near infrared spectral range, or gas lasers, for example CO ₂ lasers, may also be used as laser light sources. Lasers emitting in the near-infrared spectral range are well suited for material processing. This is because these lasers can provide the high power densities of optical radiation required for material processing and powers in the kW range. The apparatus 1 further comprises a laser power control configured to control the power of the laser 2 and a laser focusing control comprising controllable focusing optics configured to control the laser focusing and disposed in the beam path of the laser. . Laser power control and laser focusing control are not shown in FIG. 1 for simplicity of representation.

이 실시예에서 사용되는 측정 광원은 대략 950 nm의 피크 파장을 가지고 또한 대략 50 nm의 스펙트럼 반폭을 가지는 광대역 근적외선 LED이다. 이러한 LED 측정 광은 교란 간섭 또는 반점 효과들을 방지 또는 감소시키기에 충분히 광대역이다. 한편, 이러한 LED 측정 광은 색상 초점 천이와 같은, 낮은 원치 않는 분산 효과들을 억제 또는 방지하기에 충분히 협대역이다. The measurement light source used in this embodiment is a broadband near-infrared LED having a peak wavelength of approximately 950 nm and a spectral half-width of approximately 50 nm. This LED measurement light is sufficiently broadband to prevent or reduce disturbing interference or speckle effects. On the other hand, this LED measurement light is narrow enough to suppress or prevent low unwanted dispersion effects, such as color focus shift.

도 1의 실시예에 있어서, 레이저 타겟팅 광학계(5) 또는 스캐너는 포커싱 렌즈(50) 및 기계가공되는 작업편(4)의 목표 위치(6)로 포커싱된 방사를 안내하고 또한 필요하다면, 기계가공되는 작업편(4)의 가공 필드로 포커싱된 레이저 빔으로 이동하기 위한 제어가능한 미러들의 쌍(51)을 포함한다. 미러들의 쌍(51)은 특히 간이한 방식으로 전기적으로 제어될 수 있는 갈보 미러들의 쌍으로 구성될 수 있다. In the embodiment of FIG. 1 , laser targeting optics 5 or scanner guides the focused radiation to a target position 6 of a focusing lens 50 and workpiece 4 being machined and, if necessary, machining. It comprises a pair of controllable mirrors 51 for moving the focused laser beam into the machining field of the workpiece 4 being The pair of mirrors 51 can consist of a pair of galvo mirrors which can be electrically controlled in a particularly simple manner.

포커싱 렌즈(50)는 대략 180 mm의 초점 거리를 가진다. 레이저 타겟팅 광학계(5)로 진입하기 전 레이저 빔(3)의 직경은 대략 10 mm이다. 레이저 타겟팅 광학계(5)는 레이저 빔(3)이 대략 80 mm X 80 mm의 가공 필드를 처리할 수 있는 이러한 방식으로 치수가 정해진다. The focusing lens 50 has a focal length of approximately 180 mm. The diameter of the laser beam 3 before entering the laser targeting optical system 5 is approximately 10 mm. The laser targeting optics 5 are dimensioned in such a way that the laser beam 3 can process a processing field of approximately 80 mm by 80 mm.

일부 실시예들에 있어서, 레이저 타겟팅 광학계(5)는 텔레센트릭 레이저 타겟팅 광학계로서 구성된다. 레이저 타겟팅 광학계의 텔레센트릭 구성은 레이저 빔으로 이 장치에서 서로 다른 거리들에서 기계가공되는 작업편을 가공하는 것을 가능하게 한다. In some embodiments, laser targeting optics 5 is configured as telecentric laser targeting optics. The telecentric configuration of the laser targeting optics makes it possible to machine the workpiece being machined at different distances in this device with a laser beam.

포지셔너(47)는 특히, 레이저 빔 초점에 대하여 기계가공되는 작업편(4)을 위치시키거나 및/또는 방향짓도록 구성될 수 있고 또한 특히, 하나 또는 그 이상의 액츄에이터들을 포함할 수 있는데, 이것들은 포지셔닝 제어 유닛(46)으로부터의 하나 또는 그 이상의 제어 신호들로 기계가공되는 작업편(4)의 포지셔닝 또는 지향을 위해 제어될 수 있다. 작업편의 지향의 가능성은 좌표 축들에 의해 도 1에 상징적으로 표현된다. The positioner 47 may in particular be configured to position and/or orient the workpiece 4 to be machined with respect to the laser beam focus and may in particular comprise one or more actuators, which may include: One or more control signals from a positioning control unit 46 can be controlled for the positioning or orientation of the workpiece 4 being machined. The possibility of orientation of the workpiece is represented symbolically in FIG. 1 by the coordinate axes.

일부 실시예들에 있어서, 도 1에 도시된 예에서와 같이, 장치(1)는 거리 측정 장치(7)의 빔 경로에 배치되는 천공된 마스크(60) 또는 개구(aperture)를 포함한다. 천공된 마스크(60)는 복수의 홀들(61)을 포함하는데, 이 홀들은 이하의 도 2 및 도 3에서 명확하게 볼 수 있다. 천공된 마스크(60)는 측정 광이 천공된 마스크(60)에 의해 기계가공되는 작업편(4)의 표면 상의 복수의 위치들에서 거리 측정 데이터의 동시 획득을 위해 복수의 부분들로 분기되도록 광 결합 점(17)과 가변 초점 거리 렌즈(19) 사이에 위치된다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 천공된 마스크는 광 결합 점(17)으로 작용하는 섬유의 끝에 직접 배치되고, 이로써 섬유의 끝은 또한 천공된 마스크(60)를 위한 홀더로서 기능한다. In some embodiments, as in the example shown in FIG. 1 , the device 1 comprises a perforated mask 60 or aperture disposed in the beam path of the distance measuring device 7 . The perforated mask 60 includes a plurality of holes 61, which can be clearly seen in FIGS. 2 and 3 below. The perforated mask 60 is configured such that the measurement light is split into a plurality of parts for simultaneous acquisition of distance measurement data at a plurality of locations on the surface of the workpiece 4 machined by the perforated mask 60 . It is located between the bonding point 17 and the variable focal length lens 19 . In the embodiment shown in FIG. 1 , the perforated mask is placed directly on the end of the fiber acting as the light coupling point 17 , whereby the end of the fiber also functions as a holder for the perforated mask 60 .

일부 실시예들에 있어서, 천공된 마스크가 그 끝에 배치되는 광섬유는 천공된 마스크(60)를 실질적으로 완전히 조명하고 또한 천공된 마스크(60)의 실질적으로 모든 홀들(61)에 대하여 역반사되는 광을 캡쳐하기에 충분한 직경을 가진다. In some embodiments, an optical fiber having a perforated mask disposed thereon substantially fully illuminates the perforated mask 60 and light that is retro-reflected for substantially all holes 61 of the perforated mask 60 . It has a diameter sufficient to capture

일부 실시예들에 있어서, 천공된 마스크(60)를 갖는 섬유(16) 대신, 도 1의 섬유(16)와 유사한 섬유 커플러에 결합되는 섬유 번들이 사용된다. In some embodiments, instead of fiber 16 with perforated mask 60 , a fiber bundle coupled to a fiber coupler similar to fiber 16 of FIG. 1 is used.

도 1에 도시된 예와 같은, 일부 실시예들에 있어서, 작업편의 제어되는 기계가공을 위한 장치(1)는 가변 초점 거리 렌즈(19)와 시준 렌즈(18) 사이에 위치되는 반달 렌즈(80)를 포함한다. In some embodiments, such as the example shown in FIG. 1 , the apparatus 1 for controlled machining of a workpiece comprises a half-moon lens 80 positioned between a variable focal length lens 19 and a collimating lens 18 . ) is included.

반달 렌즈(80)는 실질적으로 구형의 오목 표면(81) 및 실질적으로 구형의 볼록 표면(82)을 포함한다. 반달 렌즈(80)의 오목 표면(81) 또는 오목 면은 가변 초점 거리 렌즈(19)를 향하고 반달 렌즈(80)의 볼록 표면(82) 또는 볼록 면은 시준 렌즈(18)를 향한다. 도시된 실시예에 있어서, 반달 렌즈(80)는 중심에 원형의 홀(83)을 포함한다. The half moon lens 80 includes a substantially spherical concave surface 81 and a substantially spherical convex surface 82 . The concave surface 81 or concave surface of the vandal lens 80 faces the variable focal length lens 19 and the convex surface 82 or convex surface of the vandal lens 80 faces the collimating lens 18 . In the illustrated embodiment, the half moon lens 80 includes a circular hole 83 in the center.

장치(1)의 작동 시, 측정 광원(8)에서 생성되는 광의 일 부분은 제1 광섬유(10)를 관통해, 섬유 커플러(12)와 제3 광섬유(16)를 거쳐 광 결합 점(17)으로 안내된다. 측정 광은 광 결합 점(17)으로부터 발산적으로 빠져나가고, 그후 측정 광은 가변 초점 거리 렌즈(19)와 시준 렌즈(18)를 지나가고, 편향판(30)에 의해 레이저 광 빔(3)의 빔 경로로 결합된다. 레이저 광 빔(3)의 빔 경로에 결합되는 측정 광은 그후 레이저 타겟팅 광학계(5)를 지나 기계가공되는 작업편(4)으로 갈 수 있다. In operation of the device 1 , a portion of the light generated by the measuring light source 8 passes through the first optical fiber 10 , passes through the fiber coupler 12 and the third optical fiber 16 , to the optical coupling point 17 . is guided to The measuring light exits divergently from the light coupling point 17 , and then the measuring light passes through the variable focal length lens 19 and the collimating lens 18 , and the laser light beam 3 is coupled to the beam path. The measurement light, which is coupled to the beam path of the laser light beam 3 , can then pass through the laser targeting optics 5 to the workpiece 4 to be machined.

측정 광이 작업편(4)에 도달할 때, 측정 광의 일 부분은 역반사되어 레이저 타겟팅 광학계(5), 시준 렌즈(18), 가변 초점 거리 렌즈(19) 및 광 결합 점(17)을 거쳐 제3 광섬유(16)에 도달할 수 있다. 측정 광의 일 부분은 이로써 섬유 커플러(12)에서 제2 섬유(13)를 거쳐 광검출기(9)로 전환된다. 광검출기(9)는 신호 라인(44)을 통해 측정 신호를 평가를 위해 평가 유닛(41)으로 공급한다. 평가 유닛(41)은 광검출기(9)에 의해 검출되는 광의 세기의 시간에 따른 전개를 평가하도록 구성된다. 평가 유닛(41)은 또한 세기의 시간에 따른 전개로부터 기계가공되는 작업편의 목표 위치와 레이저 카겟팅 광학계들 간의 거리들을 추론하도록 구성된다. When the measurement light arrives at the workpiece 4 , a portion of the measurement light is retroreflected and passes through the laser targeting optics 5 , the collimating lens 18 , the variable focal length lens 19 and the light coupling point 17 . A third optical fiber 16 may be reached. A portion of the measurement light is thereby diverted from the fiber coupler 12 via the second fiber 13 to the photodetector 9 . The photodetector 9 supplies a measurement signal via a signal line 44 to the evaluation unit 41 for evaluation. The evaluation unit 41 is configured to evaluate the evolution over time of the intensity of the light detected by the photodetector 9 . The evaluation unit 41 is also configured to infer distances between the target position of the workpiece to be machined from the time-dependent evolution of the intensity and the laser carting optics.

특히, 가변 초점 거리 렌즈(19)는 가변 초점 거리 렌즈의 굴절력이 예를 들어 +/- 13 디옵터 만큼 조정되는 이러한 방식으로 주기적으로 제어될 수 있고, 이로써 측정 광의 초점은 대략 +/- 7 mm 만큼 광학축을 따라 천이된다. 주기 내의 서로 다른 2 개의 시간들에서, 측정 빔 초점은 기계가공되는 작업편 또는 측정되는 객체의 표면 상에 있고, 이로써 기계가공되는 작업편의 표면 상의 측정 광 스팟으로부터의 반사는 광 결합 점(17) 또는 섬유 끝에 정확하게 이미징되어, 광검출기에 의해 검출되는 광에 있어서의 세기 최대를 야기시킨다. In particular, the variable focal length lens 19 can be controlled periodically in such a way that the refractive power of the variable focal length lens is adjusted, for example, by +/- 13 diopters, whereby the focus of the measuring light is approximately +/- 7 mm. Transitions along the optical axis. At two different times within the period, the measuring beam focus is on the surface of the workpiece being machined or the object being measured, so that the reflection from the measuring light spot on the surface of the workpiece being machined is the light coupling point (17). or precisely imaged at the end of the fiber, resulting in an intensity maximum in the light detected by the photodetector.

기계가공되는 작업편의 거리는 광검출기에 의해 검출되는 광의 세기 최대값들이 관찰되는 시간들에 기초하여, 미리 결정된 관계 또는 측정 광의 초점의 위치들 및 주기 시간들 간의 캘리브레이션 측정들에 의해 결정될 수 있는 관계를 이용해 결정될 수 있다. The distance of the workpiece to be machined represents a relationship that can be determined by calibration measurements between period times and positions of the focal point of the measurement light or a predetermined relationship, based on the times at which the intensity maxima of the light detected by the photodetector are observed. can be determined using

특히, 기계가공되는 작업편의 표면의 거리와 주기 시간 점 사이의 관계를 결정하기 위한 캘리브레이션 측정은 레이저 가공 전에 또는 미리 먼저 수행될 수 있다. 캘리브레이션 측정은 레이저 타겟팅 광학계 또는 스캐너의 측면 위치들의 2차원 격자를 통해 수행될 수 있다. 결정된 관계를 이용해, 기계가공되는 작업편의 목표 위치(6)와 레이저 타겟팅 광학계(5) 간의 거리 또는 표면의 거리는 그후 주기 내에서 세기 최대의 시간 지점으로부터 결정될 수 있다. In particular, calibration measurements for determining the relationship between the distance of the surface of the workpiece to be machined and the cycle time point can be performed prior to or in advance of laser machining. Calibration measurements may be performed via laser targeting optics or a two-dimensional grating of lateral positions of the scanner. Using the determined relationship, the distance between the target position 6 of the workpiece to be machined and the laser targeting optics 5 or the distance of the surface can then be determined from the time point of intensity maximum within the period.

가변 초점 거리 렌즈(19)의 초점 거리의 주기적 변동 또는 변조는 렌즈 제어 유닛(42) 내의 톱니모양 곡선으로 도 1에 상징적으로 표현되어 있다. 가변 초점 거리 렌즈(19)의 초점 거리 변동의 주기들과 세기 최대값들의 발생 사이의 관계는 렌즈 제어 유닛(42)의 톱니 모양의 곡선과 평가 유닛(41)에 도시된 시간 좌표(t)를 갖는 세기 곡선 사이에서 연장되는 점선들에 의해 도 1에 대략적으로 도시되어 있다. The periodic variation or modulation of the focal length of the variable focal length lens 19 is symbolically represented in FIG. 1 by a serrated curve in the lens control unit 42 . The relationship between the periods of focal length fluctuations of the variable focal length lens 19 and the occurrence of intensity maxima can be determined using the jagged curve of the lens control unit 42 and the time coordinate t shown in the evaluation unit 41 . It is schematically illustrated in FIG. 1 by the dotted lines extending between the intensity curves with

천공된 마스크(60)에 의해 분기되는 측정 광은 기계가공되는 작업편(4)의 표면 상의 복수의 위치들에서 거리 측정 데이터의 동시 획득을 가능하게 한다. 특히, 작업편으로부터 역반사되는 측정 광 또한 결합 점(17)을 거쳐 천공된 마스크(60)의 홀들(61)을 지나 섬유(16)로 가서 광검출기(9)에 의해 검출될 수 있다. 광검출기(9)에 의해 검출되는 광 세기는 천공된 마스크(60)의 모든 홀들(61)을 거쳐 수집되는 모든 측정 점들로부터 역반사되는 광의 전체 세기에 대응하고, 이로써 서로 다른 점들로부터 역반사되는 광 사이의 세기 차이들의 물리적 평균화는 광학적 배치 때문에 발생한다. 거리 결정은 각 위치에 대하여 개별적으로 수행될 필요가 없기 때문에, 천공된 마스크(60)의 서로 다른 홀들(61)에 의해 검출되는 서로 다른 광 세기들의 물리적 평균화는 측정 데이터의 평가를 상당히 단순화시킬 수 있다. 차라리, 거리는 천공된 마스크(60)에 의해 생성되는 위치들 모두에 대하여, 물리적으로 평균화된 거리 측정 데이터, 특히 세기 데이터를 이용해 미리 결정될 수 있다. The measurement light branched by the perforated mask 60 enables simultaneous acquisition of distance measurement data at a plurality of positions on the surface of the workpiece 4 being machined. In particular, the measurement light retroreflected from the workpiece can also be detected by the photodetector 9 , passing through the bonding point 17 , through the holes 61 of the perforated mask 60 , to the fiber 16 . The light intensity detected by the photodetector 9 corresponds to the total intensity of the light retroreflected from all measurement points collected through all the holes 61 of the perforated mask 60 , thereby being retroreflected from different points. The physical averaging of intensity differences between lights occurs because of the optical arrangement. The physical averaging of the different light intensities detected by the different holes 61 of the perforated mask 60 can significantly simplify the evaluation of the measurement data, since the distance determination does not have to be performed individually for each location. have. Rather, the distance may be predetermined for all of the positions created by the perforated mask 60 using physically averaged distance measurement data, in particular intensity data.

반달 렌즈(80)의 배치로 인해, 반달 렌즈(80)의 표면들(81 및 82)로부터 역반사되는 광은 광 결합 점(17)을 거쳐 섬유(16)로 진입하여 광검출기(9)에 의해 검출될 수 있다. Due to the disposition of the half moon lens 80 , the light retroreflected from the surfaces 81 and 82 of the half moon lens 80 enters the fiber 16 via the optical coupling point 17 and enters the photodetector 9 . can be detected by

특히, 가변 초점 거리 렌즈(19)로부터 나가는 광선들이 반달 렌즈(80)의 2 개의 표면들(81 및 82) 중 하나를 수직으로 타격할 때, 반달 렌즈(80)의 대응하는 표면(81 또는 82)으로부터의 광의 최대 비율은 가변 초점 거리 렌즈(19)를 통해 섬유(16)로 역반사된다. 이러한 빔 구성은 이로써 역반사되는 광의 대응하는 세기 피크에 의해 검출될 수 있고, 반달 렌즈(80)의 2 개의 표면들(81 및 82) 각각은 그 자체 세기 피크에 대한 책임이 있다. In particular, when the rays exiting the variable focal length lens 19 strike one of the two surfaces 81 and 82 of the vandal lens 80 perpendicularly, the corresponding surface 81 or 82 of the vandal lens 80 . ) is reflected back to the fiber 16 through the variable focal length lens 19 . This beam configuration can thereby be detected by the corresponding intensity peak of the retroreflected light, each of the two surfaces 81 and 82 of the half moon lens 80 being responsible for its own intensity peak.

일부 실시예들에 있어서, 반달 렌즈는 가변 초점 거리 렌즈(19)의 튜닝 동안 반복되는 시간 주기의, 피크들이 시작과 끝에서 각각 발생하도록 치수가 정해진다. 2 개의 피크들 각각의 위치는 항상 가변 초점 거리 렌즈(19)의 초점 거리의 상수 값에 이로써 동일한 거리에 대응한다. 온도 변화들의 영향 하에서, 특히 시간에 따른 전개와 거리 값 사이의 관계는 변할 수 있다. 튜닝가능한 렌즈는 상당한 영향을 미치는데, 이로써 가변 초점 거리 렌즈(19)의 초점 거리와 제어 값 사이의 관계는 온도 변화들 하에서 변할 수 있다. 반달 렌즈(80)에 의해 야기되는 세기 피크들 각각은 가변 초점 거리 렌즈(19)의 동일한 초점 거리에서 발생하기 때문에, 가변 초점 거리 렌즈(19) 또는 시간 진행과 거리 사이의 관계는 이 피크들에 기초하여 정확하게 캘리브레이션될 수 있다. 이것은 가변 초점 거리 렌즈(19)와는 달리, 반달 렌즈(80)가 무시할 만한 온도 종속성을 가지기 때문이다. In some embodiments, the half-moon lens is dimensioned such that during tuning of the variable focal length lens 19 , peaks of a repeated time period occur at the beginning and at the end, respectively. The position of each of the two peaks always corresponds to a distance equal to the constant value of the focal length of the variable focal length lens 19 . Under the influence of temperature changes, in particular the relationship between the evolution over time and the distance value may change. The tunable lens has a significant effect, whereby the relationship between the focal length of the variable focal length lens 19 and the control value can change under temperature changes. Since each of the intensity peaks caused by the half-moon lens 80 occurs at the same focal length of the variable focal length lens 19, the relationship between the variable focal length lens 19 or time advance and distance depends on these peaks. can be accurately calibrated based on This is because, unlike the variable focal length lens 19 , the half moon lens 80 has a negligible temperature dependence.

반달 렌즈(80) 중심에 있는 원형 홀(83)을 통해, 측정 광의 광선들은 방해받지 않고 반달 렌즈를 통해 지나가고, 이로써 외곽 광선들(edge rays)만 반달 렌즈(80)에 의해 역반사될 수 있다. 렌즈 면적 또는 홀 크기 각각을 선택함으로써, 반사들의 세기는 반달 렌즈(80)로부터 역반사되는 광의 세기가 캘리브레이션 신호로서 기능하기에 충분히 높지만, 기계가공되는 물체로부터 역반사되는 측정 광의, 측정 신호 또는 세기 신호 각각이 반달 렌즈의 반사들에 의해 가려질 만큼 높지 않도록 조정될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 홀(83)은 측정 광의 주요 부분이 반사 없이 반달 렌즈(80)의 홀(83)을 통해 지나가도록 치수가 정해진다. Through the circular hole 83 in the center of the half moon lens 80 , the rays of the measurement light pass through the half moon lens undisturbed, so that only the edge rays can be retroreflected by the half moon lens 80 . . By selecting each of the lens area or hole size, the intensity of the reflections is high enough for the intensity of the light retroreflected from the half moon lens 80 to function as a calibration signal, but the intensity of the measured signal or intensity of the measured light retroreflected from the object being machined. Each signal can be adjusted so that it is not high enough to be obscured by the reflections of the half-moon lens. In some embodiments, the hole 83 is dimensioned such that a major portion of the measurement light passes through the hole 83 of the half moon lens 80 without reflection.

일부 실시예들에 있어서, 개구는 반달 렌즈(80)의 하류에 배치되는데, 이것은 측정 광의 내부 빔 부분은 통과를 허용하고 측정 광의 외부 빔 부분은 차단하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 특히 반달 렌즈(80)에 의해 영향받는 빔들은 측정으로부터 배제될 수 있다. In some embodiments, the aperture is disposed downstream of the half moon lens 80 , which is configured to allow an inner beam portion of the measurement light to pass and block the outer beam portion of the measurement light. In this way, beams that are particularly affected by the vandal lens 80 can be excluded from the measurement.

일부 실시예들에 있어서, 반달 렌즈(80)는 홀이 없는데, 이때 반달 렌즈(80)는 2 개의 표면들(81, 82) 중 적어도 하나에 코팅을 포함한다. 코팅의 두께 또는 반사도 각각은 측정 신호가 반달 렌즈의 반사 성분들에 의해 가려지지 않도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 반달 렌즈(80)는 그 반사 성분이 측정 광의 파장 범위의 4% 미만인 반사방지 코팅을 포함한다. In some embodiments, the half moon lens 80 is holeless, wherein the half moon lens 80 includes a coating on at least one of the two surfaces 81 , 82 . Each of the thickness or reflectivity of the coating can be selected such that the measurement signal is not obscured by the reflective components of the half moon lens. In some embodiments, the half moon lens 80 includes an antireflective coating whose reflective component is less than 4% of the wavelength range of the measurement light.

일부 실시예들에 있어서, 반달 렌즈(80)는 원형 홀(83) 및 코팅 모두를 포함하는데, 이때 원형 홀(83)의 치수 및 코팅의 두께는 측정 신호를 가리거나 또는 과도하게 영향을 미치지 않고도 충분히 강한 캘리브레이션 신호를 획득하도록 선택될 수 있다. In some embodiments, the half-moon lens 80 includes both a circular hole 83 and a coating, wherein the dimensions of the circular hole 83 and the thickness of the coating can be determined without obscuring or unduly affecting the measurement signal. It can be chosen to obtain a sufficiently strong calibration signal.

도 2는 일 실시예에 따른 천공된 마스크를 보여준다. 2 shows a perforated mask according to one embodiment.

도 2의 천공된 마스크(60)는 실질적으로 사각형의 개구의 형태이고 또한 복수의 원형 홀들(61)을 포함한다. 이 실시예들에 있어서, 원형 홀들(61)은 6각 격자로 개구의 전체 표면에 실질적으로 고르게 분포된다. 6각 격자로 홀들(61)의 분포는 홀들의 높은 밀도를 가능하게 하고 이로써, 측정 광이 천공된 마스크에 의해 많은 측정 점들에서 거리 측정 데이터를 획득하기 위한 많은 부분들로 분리될 수 있다. 동시에, 주어진 밀도에 있어서, 인접 홀들 간의 거리는 6각 격자가 선택될 때 최대이고, 이로써 홀들 간의 혼선은 최소가 된다. The perforated mask 60 of FIG. 2 is in the form of a substantially rectangular opening and includes a plurality of circular holes 61 . In these embodiments, the circular holes 61 are distributed substantially evenly over the entire surface of the opening in a hexagonal grid. The distribution of holes 61 with a hexagonal grating enables a high density of holes, whereby the measurement light can be separated by a perforated mask into many parts for obtaining 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 grating is selected, whereby crosstalk between holes is minimum.

도 3은 다른 실시예에 따른 천공된 마스크를 보여준다. 3 shows a perforated mask according to another embodiment.

도 3의 천공된 마스크(60)는 실질적으로 사각 개구의 형태이고 복수의 홀들(61)을 포함하는 도 2의 천공된 마스크(60)와 유사하다. 도 2의 천공된 마스크(60)와 달리, 도 3의 천공된 마스크의 홀들(61)은 사각형이고 바둑판 패턴으로 개구의 전체 표면에 실질적으로 고르게 분포된다. The perforated mask 60 of FIG. 3 is similar to the perforated mask 60 of FIG. 2 which is in the form of a substantially rectangular opening and includes a plurality of holes 61 . Unlike the perforated mask 60 of FIG. 2 , the holes 61 of the perforated mask of FIG. 3 are square and distributed substantially evenly over the entire surface of the opening in a checkerboard pattern.

도 2 및 도 3에 도시된 천공된 마스크들(60)의 충전 정도는 바람직하게 30%과 70% 사이, 특히 대략 50%이고, 이로써 천공된 마스크들을 타격하는 광의 대략 50%는 천공된 마스크들을 통과한다. The degree of filling of the perforated masks 60 shown in FIGS. 2 and 3 is preferably between 30% and 70%, in particular approximately 50%, such that approximately 50% of the light hitting the perforated masks causes the perforated masks to pass through

도 2 및 도 3에 도시된 실시예들의 대안으로서, 천공된 마스크는 또한 필수적으로 원형일 수 있다. 원형의 천공된 마스크는 특히 원형의 단면을 갖는 광섬유의 끝에 정확하게 배치되기에 적절하다. As an alternative to the embodiments shown in FIGS. 2 and 3 , the perforated mask may also be essentially circular. A circular perforated mask is particularly suitable for positioning precisely at the end of an optical fiber having a circular cross-section.

도 4는 일 실시예에 따른 반달 렌즈의 대략적인 측면도이다. 4 is a schematic side view of a half moon lens according to an embodiment.

도 4의 도면에서 명확히 볼 수 있는 바와 같이, 반달 렌즈(80)는 실질적으로 구형의 오목 표면(81) 및 실질적으로 구형의 볼록 표면(82)을 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 반달 렌즈(80)는 그 중심에 원형 홀(83)을 포함한다. As can be clearly seen in the view of FIG. 4 , the half moon lens 80 includes a substantially spherical concave surface 81 and a substantially spherical convex surface 82 . In the illustrated embodiment, the half moon lens 80 includes a circular hole 83 in its center.

도 5는 도 4의 반달 렌즈의 대략적인 상면도이다. 5 is a schematic top view of the half-moon lens of FIG. 4 .

도 5의 상면도에 있어서, 반달 렌즈(80)의 원형 홀(83)을 특히 잘 볼 수 있다. 상기의 도 1의 설명에서 이미 언급된 바와 같이, 반달 렌즈(80)는 다른 형태들을 가질 수 있다. 특히, 2 개의 표면들(81, 82) 중 적어도 하나는 코팅을 포함할 수 있다. 나아가, 원형 홀(83)의 치수 및/또는 코팅의 두께 또는 반사도는 표면들(81, 82)에서의 역반사가 측정 신호를 가리거나 또는 거리 측정에 손상을 주지 않고 충분한 세기의 캘리브레이션 피크들을 생성하도록 선택될 수 있다. In the top view of FIG. 5 , the circular hole 83 of the half moon lens 80 can be seen particularly well. As already mentioned in the description of FIG. 1 above, the half moon lens 80 may have other shapes. In particular, at least one of the two surfaces 81 , 82 may comprise a coating. Furthermore, the dimensions of the circular hole 83 and/or the thickness or reflectivity of the coating can cause calibration peaks of sufficient intensity without retroreflection at the surfaces 81 , 82 obscuring the measurement signal or impairing the distance measurement. may be chosen to

도 6은 일 실시예에 따른 거리 측정 장치의 일 부분에서의 가능한 빔 경로를 대략적으로 보여준다. 6 schematically shows a possible beam path in a part of a distance measuring device according to an embodiment.

도 6에 도시된 부분은 가변 초점 거리 렌즈(19), 반달 렌즈(80), 및 도 1에 도시된 광섬유(13)의 결합 점(17)을 포함한다. The portion shown in FIG. 6 includes a variable focal length lens 19 , a half moon lens 80 , and a bonding point 17 of the optical fiber 13 shown in FIG. 1 .

광 결합 점(17)으로부터 멀리 향하는 긴 화살표들은 광 결합 점(17)으로부터 나가는 측정 광 빔을 나타내고, 이것은 가변 초점 거리 렌즈(19)를 통해 또한 부분적으로 반달 렌즈(80)를 통해 방사된다. 반달 렌즈(80)로부터 광 결합 점(17)으로 다시 향하는 화살표들은 오목 표면(81)으로부터 또는 볼록 표면(82)으로부터 각각 반사되는 광선들을 나타낸다. 표면들(81 및 82)의 필수적으로 구형인 곡률로 인해, 반사되는 광선들은 개별적인 초점에 번들링된다. The long arrows pointing away from the light coupling point 17 indicate the measuring light beam exiting the light coupling point 17 , which is emitted through the variable focal length lens 19 and also partially through the half moon lens 80 . Arrows pointing back from the half-moon lens 80 to the light coupling point 17 indicate rays that are reflected from the concave surface 81 or from the convex surface 82 respectively. Due to the essentially spherical curvature of surfaces 81 and 82, the reflected rays are bundled into separate foci.

도 6에 도시된 경우에 있어서, 반달 렌즈(80)의 오목 표면(81)으로부터 반사되는 광은 광 결합 점(17)의 광 배출 표면에 포커싱되고, 반달 렌즈(80)의 볼록 표면(82)으로부터 역반사되는 광의 초점은 광 결합 점(17) 또는 광 진입 표면 상에 있다. 도시된 빔 경로는 특히 가변 초점 거리 렌즈(19)의 소정의 초점 거리에서 발생할 수 있다. In the case shown in FIG. 6 , light reflected from the concave surface 81 of the half moon lens 80 is focused on the light exit surface of the light coupling point 17 , and the convex surface 82 of the half moon lens 80 . The focal point of the retroreflected light from is on the light coupling point 17 or light entry surface. The illustrated beam path can occur in particular at a given focal length of the variable focal length lens 19 .

도 7는 도 6에 따른 부분에 있어서의 다른 가능한 빔 경로를 대략적으로 보여준다. 7 schematically shows another possible beam path in the part according to FIG. 6 .

도 7의 빔 경로는 도 6에 도시된 빔 경로에 필수적으로 대응한다. 도 6에 도시된 경우와는 달리, 가변 초점 거리 렌즈(19)는 서로 다른 초점 거리 값을 가져서 역반사되는 2 개의 빔들 어느 하나도 광 결합 점(17)에 번들링되지 않는다. The beam path of FIG. 7 essentially corresponds to the beam path shown in FIG. 6 . Unlike the case shown in FIG. 6 , the variable focal length lens 19 has different focal length values so that neither of the two retroreflected beams is bundled into the light coupling point 17 .

도 8은 도 6에 따른 부분에 있어서의 다른 가능한 빔 경로를 대략적으로 보여준다. FIG. 8 schematically shows another possible beam path in the part according to FIG. 6 .

도 8에 도시된 빔 경로는 반달 렌즈(80)의 볼록 표면(82)으로부터 역반사되는 광이 광 결합 점(17)의 광 배출 표면에 포커싱될 때 가변 초점 거리 렌즈(19)의 초점 거리에 대응하는 한편, 반달 렌즈(80)의 오목 표면(81)으로부터 역반사되는 광의 초점은 광 결합 점(17) 또는 광 진입 표면으로부터의 광 초점 아래에 있다. The beam path shown in FIG. 8 is at the focal length of the variable focal length lens 19 when light retroreflected from the convex surface 82 of the vandal lens 80 is focused on the light exit surface of the light coupling point 17 . Correspondingly, the focus of the light retroreflected from the concave surface 81 of the half moon lens 80 is below the light focus from the light coupling point 17 or light entry surface.

도 6, 7 및 도 8에 도시된 측정 광의 가능한 광선 구성들은 반달 렌즈(80)의 작동을 보여준다. 예를 들어, 가변 초점 거리 렌즈(19)가 주기적으로 튜닝될 때, 초점 거리는 최소 초점 거리와 최대 초점 거리 사이의 모든 값들에 대해 주기적으로 순환할 것이고, 이렇게 하는 동안 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 광선 구성들은 주기적으로 발생할 것이다. 도 7에 도시된 빔 구성 또는 유사한 빔 구성은, 반달 렌즈(80)에 의해 역반사되는 빔들이 전혀 광 결합 점(17)에 포커싱되지 않을 때, 가변 초점 거리 렌즈(19)의 다양한 설정들에서 발생할 수 있다. 대조적으로, 도 6 및 도 8에 도시된 빔 구성들은 가변 초점 거리 렌즈(19)의 초점 거리의 매우 구체화된 값들에서만 발생할 수 있다. 광섬유(13)의 광 결합 점(17)에서 반달 렌즈(80)의 표면들(81 및 82)로부터 역반사되는 광의 포커싱으로 인해, 반달 렌즈(80)로부터 역반사되는 광의 그렇지 않은 것보다 더 큰 비율이 도 6 및 도 8에 도시된 빔 구성들에 있어서의 광 결합 점에 결합된다. 커플링 인되는 광의 양에 있어서의 이러한 증가는 광검출기에 의해 검출되는 광의 세기에 있어서의 대응하는 증가에 의해 검출될 수 있다. 대응하는 세기 피크들은 광 검출기에 의해, 예를 들어 도 1에 따른 배치에 있어서의 광검출기(9)에 의해 검출될 수 있고, 또한 거리 측정 장치(7)를 캘리브레이션하기 위한 캘리브레이션 피크들로서 사용될 수 있다. 특히, 각각의 세기 피크의 시간적 위치는 가변 초점 거리 렌즈(19)의 대응하는 초점 거리 또는 거리 측정 장치(7)의 대응하는 측정 거리를 추론하는 데 사용될 수 있다. The possible beam configurations of the measurement light shown in FIGS. 6 , 7 and 8 show the operation of the half moon lens 80 . For example, when the variable focal length lens 19 is tuned periodically, the focal length will cycle periodically for all values between the minimum and maximum focal lengths, while doing so in FIGS. 6, 7 and 8 . The beam configurations shown in will occur periodically. The beam configuration shown in FIG. 7 or a similar beam configuration can be used at various settings of variable focal length lens 19 when the beams retroreflected by vandal lens 80 are not focused on the light coupling point 17 at all. can occur In contrast, the beam configurations shown in FIGS. 6 and 8 can only occur at highly specified values of the focal length of the variable focal length lens 19 . Due to the focusing of the light retroreflected from the surfaces 81 and 82 of the half moon lens 80 at the light coupling point 17 of the optical fiber 13 , a greater than otherwise large amount of the light retroreflected from the half moon lens 80 . The ratio is coupled to the light coupling point in the beam configurations shown in FIGS. 6 and 8 . This increase in the amount of light coupled in can be detected by a corresponding increase in the intensity of light detected by the photodetector. Corresponding intensity peaks can be detected by means of a photodetector, for example by means of a photodetector 9 in the arrangement according to FIG. 1 , and can also be used as calibration peaks for calibrating the distance measuring device 7 . . In particular, the temporal position of each intensity peak can be used to infer the corresponding focal length of the variable focal length lens 19 or the corresponding measurement distance of the distance measuring device 7 .

도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 부분은 천공된 마스크(60)를 가지지 않는다. 반달 렌즈(80)의 작동에 관한 도 6, 도 7 및 도 8의 상기의 설명들 또한 천공된 마스크(60)가 측정 광을 수 개의 부분들로 분리하고 서로 다른 위치들로부터 거리 측정 데이터를 획득하는 데 사용될 때 이에 따라서 적용하는데, 이것은 예를 들어, 결합 점(17)과 가변 초점 거리 렌즈(19) 사이에 배치될 수 있다. The portion shown in FIGS. 6 , 7 and 8 does not have a perforated mask 60 . 6, 7 and 8 above descriptions of the operation of the half moon lens 80 also the perforated mask 60 separates the measurement light into several parts and obtains distance measurement data from different positions This applies accordingly when used to

도 9는 반달 렌즈로부터 역반사되는 광의 세기의 시간에 따른 전개를 보여준다. 9 shows the evolution of the intensity of light retroreflected from a half-moon lens over time.

특히, 도 9는 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 배치에 있어서의 측정되는 광 세기의 시간 종속성을 보여주는데, 이때 광섬유(16)에 결합되는, 기계가공되는 작업편(4)과 반달 렌즈(80)에 의해 역반사되는 광의 일 부분의 세기는 튜닝 주기 동안 측정된다. 튜닝 주기는 여기서 최소에서 최대까지의 구동 값 또는 최대에서 최소까지의 구동 값의 진행에 대응한다. 시간(t) 및 세기(I)는 임의의 단위들로 도 9에 도시되어 있다. 소정의 시간 값들에 대하여, 세기의 시간 종속성(I(t))은 구별되는 세기 피크들 또는 캘리브레이션 피크들을 보인다. 특히, 곡선 I(t)는 첨예한 좌측 피크(a), 첨예한 우측 피크(c) 및 약간 넓은 중간 피크(m)를 포함한다. 첨예한 좌측 피크(a)는 반달 렌즈(80)의 오목 표면(81)으로부터의 반사가 광섬유(16)의 광 결합 점(17)에 포커싱되고 이로써 포커싱되는 방식으로 광섬유(16)에 진입할 때 도 6에 도시된 빔 구성에 대응한다. 2 개의 피크들((a) 및 (c)) 사이에서, 도 7에 도시된 빔 구성이 광 결합 점(17)이 반달 렌즈(80)의 오목 표면(81)으로부터 그리고 볼록 표면(82)으로부터 역반사되는 광의 2 개의 초점들 사이에 놓일 때 발생한다. 이 경우에 있어서, 오목 표면(81)으로부터의 반사 또는 볼록 표면(82)으로부터의 반사 어느 것도 광섬유(16)에 적절하게 결합되지 않을 수 있다. 이 간격에서, 피크(m)이 발생하는데, 이것은 기계가공되는 작업편(4)으로부터 반사되는 광으로부터 유래하고 작업편(4)의 거리가 결정되는 것을 허용한다(측정 피크). 우측 피크(c)는 반달 렌즈의 볼록 표면(82)으로부터의 반사가 광 결합 점(17)에서 광섬유(16)로 번들링되는 방식으로 진입할 때 도 8에 도시된 빔 구성에 대응한다. 특히, 도시된 주기의 시작과 끝 각각에 있는 첨예한 피크들((a) 및 (c)) 각각은 잘 정의된 시간적 위치를 가져서 이 피크들이 거리 측정 장치의 정밀한 캘리브레이션의 기초로서 기능할 수 있다. 세기 곡선의 특징적인 전개에 기초하여, 피크들((a) 및 (c))은 용이하게 확인되어 각각의 빔 구성에 할당될 수 있다. In particular, FIG. 9 shows the time dependence of the measured light intensity in the arrangement shown in FIGS. 6 , 7 and 8 , with a machined workpiece 4 and a half moon lens coupled to an optical fiber 16 . The intensity of the portion of light that is retroreflected by 80 is measured during the tuning period. A tuning period here corresponds to a progression of a minimum to maximum drive value or a maximum to minimum drive value. Time (t) and intensity (I) are shown in FIG. 9 in arbitrary units. For given time values, the time dependence I(t) of the intensity shows distinct intensity peaks or calibration peaks. In particular, curve I(t) contains a sharp left peak (a), a sharp right peak (c) and a slightly broad middle peak (m). The sharp left peak (a) is when the reflection from the concave surface 81 of the half moon lens 80 enters the optical fiber 16 in such a way that it is focused on the light coupling point 17 of the optical fiber 16 and thereby is focused. It corresponds to the beam configuration shown in FIG. 6 . Between the two peaks (a) and (c), the beam configuration shown in FIG. 7 indicates that the light coupling point 17 is from the concave surface 81 and from the convex surface 82 of the half moon lens 80 . Occurs when a retroreflected light lies between two foci. In this case, neither the reflection from the concave surface 81 nor the reflection from the convex surface 82 may be properly coupled to the optical fiber 16 . At this interval, a peak m occurs, which originates from the light reflected from the workpiece 4 being machined and allows the distance of the workpiece 4 to be determined (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 half-moon lens enters in a bundled manner into the optical fiber 16 at the light coupling point 17 . In particular, each of the sharp peaks (a) and (c)) at the beginning and end of the illustrated period, respectively, has a well-defined temporal position so that these peaks can serve as the basis for precise calibration of the distance measuring device. . Based on the characteristic development of the intensity curve, the peaks (a) and (c) can be readily identified and assigned to each beam configuration.

도 10은 다른 실시예에 따른 작업편의 제어되는 기계가공을 위한 장치를 대략적으로 보여준다. 도 10의 장치(1)는 필수적으로 도 1에 도시된 장치(1)에 대응하지만, 섬유 커플러 대신, 제1 광섬유(10)의 광 배출단(91)을 통한 측정 광을 커플링 인하고 기계가공된 작업편(4)으로부터 역반사되는 측정 광을 커플링 아웃하도록 구성되는 빔 분리기(90)를 포함한다. 빔 분리기(90)를 통해 커플링 아웃되는 측정 광은 광검출기에 의해 검출되기 위해 제2 섬유(13)의 광 진입단(92)으로 결합될 수 있다. 제1 광섬유(10)의 광 배출단(91) 및 제2 광섬유(13)의 광 진입단(92)은 서로 초점을 공유하도록(confocal) 설정된다. 빔 분리기를 이용함으로써, 섬유 커플러들 내에서 발생하는 방해하는 산란광 효과들은 방지될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 빔 분리기(90)는 빔 분리기 큐브로서 구성된다. 빔 분리기 큐브들은 견고하고 낮은 산란 손실을 가진다. 10 schematically shows an apparatus for the controlled machining of a workpiece according to another embodiment. The device 1 of FIG. 10 essentially corresponds to the device 1 shown in FIG. 1 , but instead of a fiber coupler, it couples in the measurement light through the light exit end 91 of the first optical fiber 10 and mechanically and a beam splitter 90 configured to couple out measurement light retroreflected from the machined workpiece 4 . The measurement light coupled out through the beam splitter 90 may be coupled to the light entry end 92 of the second fiber 13 to be detected by a 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 to confocal with each other. By using a beam splitter, disturbing scattered light effects occurring within the fiber couplers can be avoided. In some embodiments, beamsplitter 90 is configured as a beamsplitter cube. Beam splitter cubes are robust and have low scattering losses.

일부 실시예들에 있어서, 빔 분리기(90)를 갖는 장치(1)는 적어도 하나의 천공된 마스크를 포함한다. In some embodiments, the apparatus 1 with the beam splitter 90 comprises at least one perforated mask.

도 10에 도시된 예에 있어서, 장치(1)는 2 개의 실질적으로 동일하게 형성된 천공된 마스크들(60)을 포함하는데, 하나의 제1 천공된 마스크(60)는 제1 섬유(10)의 광 배출단(91)의 하류에 연결되고 제2 천공된 마스크(60)는 제2 광섬유(13)의 광 진입단(92)의 상류에 연결된다. 천공된 마스크들(60)은 제1 및 제2 광섬유들(10, 13)의 섬유 끝들에 직접 배치된다. In the example shown in FIG. 10 , the device 1 comprises two substantially identically formed perforated masks 60 , one first perforated mask 60 being the first perforated mask of the first fiber 10 . The second perforated mask 60 is connected downstream of the light exit end 91 and is connected upstream of the light entry end 92 of the second optical fiber 13 . Perforated masks 60 are placed directly on the fiber ends of the first and second optical fibers 10 , 13 .

천공된 마스크들(60)은 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 천공된 마스크들에 유사할 수 있고 이하에서 설명된다. 천공된 마스크들(60)은 2 개의 천공된 마스크들(60)의 홀들(61)(미도시)이 공초점적으로 서로 정렬되도록 배치되고 정렬된다. The perforated masks 60 may be similar to the perforated masks shown in FIGS. 1 , 2 and 3 and are described below. The perforated masks 60 are arranged and aligned such that the holes 61 (not shown) of the two perforated masks 60 are confocally aligned with each other.

도 11은 일 실시예에 따른 작업편의 제어되는 기계가공을 위한 방법의 흐름도이다. 11 is a flow diagram of a method for controlled machining of a workpiece according to one embodiment.

작업편의 제어되는 기계가공을 위한 방법(100)은 수 개의 단계들을 포함하는데, 이 단계들은 또한 다른 순서들로 수행될 수 있고, 필요하다면 반복될 수 있다. 이 방법은 예를 들어, 도 1 또는 도 2에 따른 장치를 이용해, 수행될 수 있다. The method 100 for controlled machining of a workpiece includes several steps, which steps may also be performed in other sequences and may be repeated if necessary. This method can be performed, for example, using the apparatus according to FIG. 1 or 2 .

단계(110)에서, 레이저 광 빔은 기계가공되는 작업편의 목표 위치에 레이저 초점을 생성하기 위해 포커싱된다. 레이저 광 빔의 포커싱은 명확하게 기계가공되는 작업편의 목표 위치에 레이저 빔을 포커싱하기 위해 특히 레이저 타겟팅 광학계로 수행될 수 있다. 단계 110에서의 레이저 광 빔의 포커싱은 특히 낮은 레이저 전력에서 수행될 수 있어서, 단계 110에서는 기계가공되는 작업편(4)의 재료 가공이 전혀 발생하지 않거나 또는 단지 약간만 발생한다. 레이저 광 빔은 또한 예를 들어 편향판을 갖는, 그 빔이 레이저 빔과 동일선상에 있는 레이저 광 빔의 빔 경로로 결합되는, 보조 레이저, 예를 들어 HeNe 레이저를 이용해 포커싱될 수 있다. 2 개의 피봇가능한 갈보 미러들을 갖는 갈보 스캐너는 레이저 타겟팅 광학계 또는 스캐너로서 사용될 수 있다. In step 110, a laser light beam is focused to create a laser focus at a target location on the workpiece being machined. The focusing of the laser light beam can be carried out in particular with laser targeting optics in order to focus the laser beam on a target position of the workpiece to be clearly machined. The focusing of the laser light beam in step 110 can be carried out particularly at low laser power, so that no or only slight processing of the material of the workpiece 4 being machined occurs in step 110 . The laser light beam can also be focused using an auxiliary laser, for example a HeNe laser, for example having a deflection plate, the beam being coupled into the beam path of the laser light beam collinear with the laser beam. A galvo scanner with two pivotable galvo mirrors can be used as laser targeting optics or scanner.

단계(120)에서, 광학적 거리 측정 데이터는 기계가공되는 작업편의 목표 위치와 레이저 타겟팅 광학계 또는 레이저 타겟팅 광학계의 기준 점 또는 기준 평면 간의 거리를 결정하기 위한 광학적 거리 측정 장치를 이용해 획득된다. 거리 측정 장치는 측정 광, 특히 근적외선 스펙트럼 범위 내의 광대역 측정 광을 생성하기 위한 측정 광원을 가지고, 또한 가변 초점 거리 측정 광 광학계, 특히 가변 초점 거리 렌즈를 갖는 광학적-공초점 거리 측정 장치로서 구성될 수 있고, 이때 이 방법은 가변 초점 거리 측정 광 광학계의 서로 다른 초점 거리 값들에서 거리 측정 데이터를 획득하기 위해 시간에 따라 가변 초점 거리 측정 광 광학계의 초점 거리를 변경하는 단계를 포함할 수 있다. In step 120, optical ranging data is obtained using an optical ranging device for determining a distance between a target position of the workpiece being machined and a reference point or reference plane of the laser targeting optics or laser targeting optics. The distance measuring device may be configured as an optical-confocal distance measuring device having a measuring light source for generating measuring light, in particular a broadband measuring light within a near-infrared spectral range, and also having a variable focal length measuring optical system, in particular a variable focal length lens. , wherein the method may include changing a focal length of the variable focal length measurement optical system over time to obtain distance measurement data at different focal length values of the variable focal length measurement optical system.

거리 측정 데이터의 획득은 특히 기계가공되는 작업편으로부터 역반사되는 측정 광의 세기의 획득을 포함할 수 있고, 이로써 거리는 세기에 기초하여, 특히 작업편으로부터 역반사되는 측정 광의 세기의 시간에 따른 전개에 기초하여 결정된다. Acquisition of the distance measurement data may in particular include obtaining the intensity of the measurement light retroreflected from the workpiece being machined, whereby the distance is based on the intensity, in particular the evolution over time of the intensity of the measurement light retroreflected from the workpiece. is determined based on

단계(130)에서, 기계가공되는 작업편은 획득된 거리 측정 데이터에 기초하여 레이저 초점에 대하여 위치된다. 일부 실시예들에 있어서, 기계가공되는 작업편을 위치시키는 것에 더하여 또는 그 대신, 레이저가 재포커싱된다. In step 130, the workpiece to be machined is positioned with respect to the laser focus based on the obtained distance measurement data. In some embodiments, in addition to or instead of positioning the workpiece to be machined, the laser is refocused.

단계(140)에서, 기계가공되는 작업편의 목표 위치는 포커싱된 레이저 빔으로 기계가공된다. In step 140, a target position of the workpiece being machined is machined with a focused laser beam.

일부 실시예들에 있어서, 시간에 따라 가변 초점 거리 측정 광학계의 초점 거리를 변경하는 단계는 가변 초점 거리 측정 광학계의 서로 다른 초점 거리들에서 거리 측정 데이터를 획득하기 위해 가변 초점 거리 측정 광학계의 초점 거리를 튜닝, 특히 주기적으로 튜닝하는 단계를 포함한다. In some embodiments, changing the focal length of the variable focal length measurement optics over time comprises: a focal length of the variable focal length measurement optics to obtain distance measurement data at different focal lengths of the variable focal length measurement optics tuning, in particular periodically tuning.

가변 초점 거리 측정 광학계의 초점 거리 변동은 특히 가변 초점 거리 광학 요소, 특히 가변 초점 거리 렌즈의 도움으로 수행될 수 있다. The focal length variation of the variable focal length measuring optics can in particular be carried out with the aid of a variable focal length optical element, in particular a variable focal length lens.

측정 주기는 통상 25 ms 동안 지속될 수 있다. 측정 주기 동안, 가변 초점 거리 렌즈의 초점 전력은, 예를 들어 +/- 13 디옵터의 범위에서, 튜닝될 수 있고, 측정 광의 초점은 대략 +/- 7 mm 만큼 측정 광 광학계의 광학축을 따라 또는 축상으로 천이될 수 있다. The measurement period can typically last for 25 ms. During the measurement period, the focal power of the variable focal length lens can be tuned, for example in the range of +/- 13 diopters, and the focus of the measurement light is along or on-axis of the optical axis of the measurement optical system by approximately +/- 7 mm. can be transferred to

주기 시간들 및 초점의 위치들 간의 알려진 관계를 이용해, 기계가공되는 작업편의 거리는 세기 최대값들을 이용해 결정될 수 있다. Using the known relationship between the cycle times and the positions of the focus, the distance of the workpiece to be machined can be determined using the intensity maxima.

주기 시간들 및 거리들 간의 관계를 결정하기 위해, 일부 실시예들에 있어서 캘리브레이션 측정이, 특히 레이저 가공 전에 수행된다. In order to determine the relationship between cycle times and distances, in some embodiments a calibration measurement is performed, in particular prior to laser machining.

도 12는 또 다른 실시예에 따른 작업편의 제어되는 기계가공을 위한 장치를 대략적으로 보여준다. 도 12의 장치(1)는 필수적으로 도 10에 도시된 장치에 대응하지만, 레이저(2)를 이용한 작업편의 가공에 의해 생성되는 프로세스 광을 검출할 수 있는 광검출기(161)를 추가적으로 포함하고 있다. 12 schematically shows an apparatus for the controlled machining of a workpiece according to another embodiment. The device 1 of FIG. 12 essentially corresponds to the device shown in FIG. 10 , but additionally includes a photodetector 161 capable of detecting process light generated by machining the workpiece with a laser 2 . .

나아가, 도 12에 따른 장치(1)는 특정 스펙트럼 범위에서 프로세스 광을 반사하지만, 레이저 광은 반사되지 않도록 구성되는, 파장-종속적인 반사율을 갖는 광학 필터(162)를 포함한다. 이에 더하여, 광학 필터(162)는 실질적으로 측정 광 모두를 전송하도록 구성되어 측정은 필터에 의해 영향받지 않는다.Furthermore, the device 1 according to FIG. 12 comprises an optical filter 162 having a wavelength-dependent reflectance, which is configured to reflect process light in a specific spectral range, but not to reflect laser light. In addition, the optical filter 162 is configured to transmit substantially all of the measurement light so that the measurement is not affected by the filter.

작업편을 기계가공할 때 레이저(2)에 의해 생성되는 프로세스 광은 레이저 타겟팅 광학계(5) 및 측정 광 광학계를 거쳐 광학 필터(162)에 도달하고, 광학 필터(162)에 의해 반사되어 빔 분리기들(90)로 안내되는데, 빔 분리기들은 차례로 이를 반사하여 광검출기(161)로 안내한다. 광학 필터(162)의 반사적 특성들로 인해, 작업편(4)에 의해 반사되거나 또는 산란되고 또한 레이저 타겟팅 광학계(5)를 통해 광학 필터(162)로 복귀하는 레이저 광은 광검출기(161)로 안내되지 않는다. The process light produced by the laser 2 when machining the workpiece passes through the laser targeting optics 5 and the measuring optical optics to reach the optical filter 162 , where it is reflected by the optical filter 162 and splits the beam. 90 , the beamsplitters in turn reflect it and guide it to the photodetector 161 . Due to the reflective properties of the optical filter 162 , the laser light reflected or scattered by the workpiece 4 and returning to the optical filter 162 through the laser targeting optics 5 is directed to the photodetector 161 . not guided

레이저 광이 작업편에 최상으로 포커싱되는 거리를 결정할 때, 프로세스 광이 검출된다. 측정 광을 위한 광원(8)이 꺼질 때, 이것은 측정 광 및 레이저 광 어떤 것도 광검출기(161)에 의해 검출되어 프로세스 광으로 잘못 해석되지 않음이 보장된다. Process light is detected when determining the distance at which the laser light is best focused on the workpiece. When the light source 8 for the measurement light is turned off, it is ensured that neither the measurement light nor the laser light is detected by the photodetector 161 and misinterpreted as process light.

일부 실시예들에 있어서, 광검출기(161)는 프로세스 광의 존재 또는 부재만을 점검할 뿐 프로세스 광의 발생 위치에 대한 위치 정보를 제공하지 않는다. 이러한 이유로, 프로세스 광은 광검출기(161)에 포커싱되어야 하는 것은 아니다. 이것은 이로써 광검출기(161)는 그 정확한 위치가 결정적이지 않기 때문에 조정될 필요가 없어, 구조적 구현을 용이하게 한다. In some embodiments, the photodetector 161 only checks for the presence or absence of the process light and does not provide positional information about the location of the process light's origin. For this reason, the process light does not have to be focused on the photodetector 161 . This allows the photodetector 161 to not have to be adjusted since its exact position is not critical, thus facilitating structural implementation.

도 12에 도시된 실시예의 대안으로, 천공된 마스크(60)에는 부분적으로 반사성 있는 레이어가 제공되고 이로써 천공된 마스크(60)는 프로세스 광만 반사시킬 뿐, 레이저 광 및 측정 광은 반시시키지 않는 반사 필터로서 행동할 수 있다. 이 실시예에 있어서, 필터(162) 형태의 추가적인 구성요소는 이로써 생략될 수 있다. As an alternative to the embodiment shown in FIG. 12 , the perforated mask 60 is provided with a partially reflective layer such that the perforated mask 60 reflects only the process light, but not the laser light and the measurement light, a reflective filter. can act as In this embodiment, an additional component in the form of a filter 162 can thereby be omitted.

일부 실시예들에 있어서, 프로세스 광은 광검출기(9)에 의해 검출된다. 이 실시예에 있어서, 광학 필터(162)는 프로세스 광 및 측정 광 모두가 투과되지만 레이저 광은 투과되지 않는다. 측정 광원(8)이 꺼질 때, 광검출기(9)는 이로써 프로세스 광을 검출하는 데 사용될 수 있다. In some embodiments, the process light is detected by the photodetector 9 . In this embodiment, the optical filter 162 transmits both the process light and the measurement light but not the laser light. When the measurement light source 8 is turned off, the photodetector 9 can thereby be used to detect the process light.

적어도 하나의 예시적인 실시예를 상기의 설명에서 볼 수 있지만, 다양한 변화들 및 변형들이 있을 수 있다. 상기에서 언급된 실시예들은 단지 예시들일 뿐 본 개시의 범위, 적용가능성 또는 구성을 어떠한 방식으로든 한정하고자 하는 것은 아니다. 이보다는, 상기의 설명은 숙련자들에게 적어도 하나의 예시적인 실시예를 구현하기 위한 계획을 제공하고, 이때 예시적인 실시예에서 설명된 요소들의 기능 및 배치에 수많은 변화들이 첨부된 청구항들의 보호 범위 및 법적 등가물을 벗어나지 않으면서 행해질 수 있다. While at least one exemplary embodiment can be seen in the description above, various changes and modifications are possible. The above-mentioned embodiments are merely examples and are not intended to limit the scope, applicability or configuration of the present disclosure in any way. Rather, the above description provides those skilled in the art for implementing at least one exemplary embodiment, wherein numerous changes in the function and arrangement of elements described in the exemplary embodiment are subject to the protection scope of the appended claims and It can be done without departing from its legal equivalent.

1 장치(Device)
2 레이저(Laser)
3 레이저 광 빔(Laser light beam)
4 작업편(Workpiece)
5 레이저 타겟팅 광학계(Laser targeting optics)
6 목표 위치(Target position)
7 거리 측정 장치(Distance measuring device)
8 측정 광원(Measuring light source)
9 광검출기(Photodetector)
10 제1 광섬유(First optical fibre)
11 제1 연결점(First connection point)
12 섬유 커플러(Fibre coupler)
13 제2 광섬유(Second optical fibre)
14 제2 연결점(Second connection point)
15 제3 연결점(Third connection point)
16 제3 광섬유(Third optical fibre)
17 광 결합 점(Light coupling point)
18 시준 렌즈(Collimating lens)
19 가변 초점 거리 렌즈(Variable focal length lens)
30 편향판(Deflection plate)
31 편향판(Deflection plate)
32 카메라(Camera)
33 시준 렌즈(Collimating lens)
40 평가 제어 유닛(Evaluation control unit)
41 평가 유닛(Evaluation unit)
42 렌즈 제어 유닛(Lens control unit)
43 포지셔닝 제어 유닛(Positioning control unit)
44 신호 라인(Signal line)
45 렌즈 제어 라인(Lens control line)
46 포지셔닝 제어 라인(Positioning control line)
47 포지셔닝 장치(Positioning device)
50 포커싱 렌즈(Focusing lens)
51 미러 쌍(Mirror pair)
60 천공된 마스크(Perforated mask)
61 홀(Hole)
80 반달 렌즈(Meniscus lens)
81 오목 표면(Concave surface)
82 볼록 표면(Convex surface)
83 원형 홀(Circular hole)
90 빔 분리기(Beam splitter)
91 제1 광섬유의 끝(End of the first optical fibre)
92 제2 광섬유의 끝(End of the second optical fibre)
100 방법(Method)
110 포커싱(Focusing)
120 거리 측정 데이터 획득(Acquiring distance measurement data)
130 포지셔닝(Positioning)
140 기계가공(Machining)
161 광검출기(Photodetector)
162 광학 필터(Optical filter)
A 광학축(Optical axis)
F 초점(Focal point)
H 측정 범위(Measuring range)
O 제로 평면(Zero plane)
T 시간 좌표(Time coordinate)
X, Y, Z 공간 좌표들(Spatial coordinates)1 Device
2 Laser
3 Laser light beam
4 Workpiece
5 Laser targeting optics
6 Target position
7 Distance measuring device
8 Measuring light source
9 Photodetector
10 First optical fiber
11 First connection point
12 Fiber coupler
13 Second optical fiber
14 Second connection point
15 Third connection point
16 Third optical fiber
17 Light coupling point
18 Collimating lens
19 Variable focal length lens
30 Deflection plate
31 Deflection plate
32 Camera
33 Collimating lens
40 Evaluation control unit
41 Evaluation unit
42 Lens control unit
43 Positioning control unit
44 Signal line
45 Lens control line
46 Positioning control line
47 Positioning device
50 Focusing lens
51 Mirror pair
60 Perforated mask
61 Hole
80 Meniscus lens
81 Concave surface
82 Convex surface
83 Circular hole
90 Beam splitter
91 End of the first optical fiber
92 End of the second optical fiber
100 Method
110 Focusing
120 Acquiring distance measurement data
130 Positioning
140 Machining
161 Photodetector
162 Optical filter
A Optical axis
F Focal point
H Measuring range
O Zero plane
T Time coordinate
X, Y, Z spatial coordinates

Claims

A method for controlled machining of a workpiece, comprising:
- focusing the laser light beam (3) to create a laser focus (F) at a target position (6) of the workpiece (4) to be machined using the laser targeting optics (5);
- acquiring distance measurement data using an optical distance measuring device 7 to determine the distance between the target position 6 of the workpiece 4 being machined and the laser targeting optics 5, and
- machining a target position (6) of a workpiece (4) to be machined with said focused laser light beam (3),
The distance measuring device 7 is configured as an optical-confocal distance measuring device having a variable focal distance measuring optical system 19 and also having a measuring light source 8 for generating a measuring light, wherein the method comprises the variable focal distance measuring device changing the focal length of the variable focal length measurement optical system (19) over time to obtain distance measurement data at different focal length values of the focal length measurement optical system (19), and also the work piece Method, characterized in that laser light reflected by (4) and/or process light generated during machining of the workpiece (4) are detected.

2. The method according to claim 1, wherein the distance between the laser focus (F) and the workpiece (4) varies and the presence of the process light is registered as a function of the distance between the laser focus (F) and the workpiece (4), the A method, wherein the distance is determined using the distance measuring device (7).

Method according to claim 1 or 2, wherein the power of the laser light beam (3) is varied and the limit power is determined when the process light is first generated.

4. The process light according to claim 3, wherein for each of the different distances between the workpiece (4) and the laser focus (F), the laser light beam (3) varies, and also for each distance, the limiting power is equal to that of the process light. The method, each determined when it occurs for the first time.

5. The method according to any one of the preceding claims, further comprising positioning a workpiece (4) to be machined with respect to the laser focus (F), based on the obtained distance measurement data. How to.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein acquiring distance measurement data comprises detecting the intensity of the measurement light reflected back from the workpiece (4) being machined, and wherein the distance determined on the basis of the evolution over time of the intensity of the measurement light retroreflected from the workpiece (4) being

7. The variable focal length measuring optical optical system (19) according to any one of claims 1 to 6, wherein changing the focal length of the variable focal length measuring optical system (19) with time comprises different focal lengths of the variable focal distance measuring optical optical system (19). A method, comprising tuning, in particular a periodic tuner, of the focal length of said variable focal ranging optical optics (19) to obtain ranging data in the field.

8. A half moon according to claim 7, wherein the method further comprises the step of performing a calibration measurement to determine a relationship between cycle time and distance, said calibration measurement being disposed downstream of said variable focal length measuring optics (19). A method comprising detecting reflections of a lens (80).

9. A method according to any one of the preceding claims, wherein the acquisition of the ranging data takes place at several measuring points at the target position (6).

The method according to claim 9, wherein the acquisition of distance measurement data at the several measurement points is performed sequentially within a measurement period, and the measurement points are arranged along a scan path at the target position (6).

11. A spiral according to claim 10, wherein the scan path is a circle surrounding the target position (6) of the workpiece (4) being machined or a spiral centered at the target position (6) of the workpiece (4) to be machined. A method of having the form of

10. The method of claim 9, wherein the acquisition of the ranging data at several measurement points occurs substantially simultaneously and the determination of the distance occurs based on physically averaged ranging data.

13. The method of claim 12, wherein the measurement light is split into a plurality of partial measurement lights using at least one perforated mask (60) having a plurality of holes (61) for simultaneous acquisition of distance measurement data at several measurement points. , Way.

14. The method of claim 13, wherein the partial measurement lights are simultaneously detected with a shared photodetector.

An apparatus for controlled machining of a workpiece, comprising:
- a laser light source 2 for generating a laser light beam 3 for machining the workpiece 4 to be machined,
- laser targeting optics 5 for focusing the laser light beam 3 on a laser light focus F at a target position 6 of the workpiece 4 being machined,
- a distance measuring device for determining a distance between the target position 6 of the workpiece 4 to be machined and the laser targeting optical system 5 on the basis of the distance measuring data obtained by the distance measuring device 7 (7),
- a positioning device 47 for positioning the workpiece to be machined with respect to the laser light focus F, and
- an evaluation control unit 40, configured to evaluate the obtained ranging data and to control the positioning device 47 based on the obtained ranging data,
The distance measuring device 7 is configured such that the focal length of the variable focal length measuring optical system can be changed over time to obtain distance measurement data at different focal length values of the variable focal distance measuring optical system, the variable focus configured as an optically-confocal distance measuring device having a ranging light optics ( 19 ) and also having a measuring light source ( 8 ) for generating a measuring light, wherein the laser light reflected by the workpiece ( 4 ) and/or Device, characterized in that the process light generated during machining of the workpiece (4) can be detected.

Device according to claim 15, characterized in that the measuring optical optics of the distance measuring device (7) comprise laser targeting optics (5).

17. The distance measuring device (7) according to claim 15 or 16, wherein the distance measuring device (7) comprises a photodetector (9) for detecting the intensity of the measuring light reflected back from the machined workpiece (4), and wherein the distance is A device, configured in this way, which can be determined on the basis of the evolution over time of the detected intensity of the measurement light retroreflected from the piece (4).

18. The device according to any one of claims 15 to 17, comprising a second detector, in particular a further photodetector (161), configured so that the presence of process light can be detected.

19. The apparatus of claim 18, wherein the apparatus comprises an optical filter (162) having a wavelength-dependent reflectivity configured to reflect process light within a specified spectral range when transmitting substantially all of the measurement light.

The apparatus according to any one of claims 15 to 17, wherein the measuring light source (8) can be switched off or on and the photodetector (9) is configured to detect the presence of process light when the measuring light source is switched off.

Device according to any one of claims 15 to 20, wherein the measuring light source (8) consists of a broadband infrared light source, in particular a near infrared light source.

Device according to any one of claims 15 to 21, wherein the focal length of the variable focal length measuring optical system (19) is tunable, in particular periodically tunable.

23. Device according to any one of claims 15 to 22, wherein the variable focal distance measuring optical optics (19) are arranged in a diverging part of the imaging system of the distance measuring device (7).

Device according to any one of claims 15 to 23, wherein the variable focal length measuring optical system (19) comprises a variable focal length lens (19).

25. The at least one perforated mask (60) according to any one of claims 15 to 24, wherein the device (1) has a plurality of holes (61) for separating the measurement light into a plurality of partial measurement lights. ), comprising a device.

26. The device (1) according to claim 25, wherein the device (1) comprises an optical fiber (16) having a light coupling point (17) for coupling in and out of the measurement light, the at least one perforated mask (60). ) is disposed at the light coupling point (17).

27. The perforated mask (60) according to claim 26, wherein the perforated mask (60) is provided with a partially reflective layer such that the perforated mask (60) acts as a reflective filter reflecting only the process light and not the laser light and the measurement light. , Device.

28. The device according to claim 26 or 27, wherein the device comprises a first optical fiber (10) having a light exit end (91) and a second optical fiber (13) having a light entry end (92), the first perforated A mask (60) is disposed at the light exit end (91) and a second perforated mask (60) is disposed at the light entry end (92).