CN106796097B - 用于在激光加工工件时进行受温度补偿的干涉仪式间距测量的装置和方法 - Google Patents

用于在激光加工工件时进行受温度补偿的干涉仪式间距测量的装置和方法 Download PDF

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Abstract

在用于在激光加工工件(2)时测量工件(2)的反射的工件表面(2a)与反射的基准面(2b)之间的间距(A)的装置(3)中，干涉仪(5)具有分束器(6)，该分束器将干涉仪光(7)分到测量臂(9)上作为测量射束(10)并且分到基准臂(11)上作为基准射束(12)，并且具有探测器(13)，该探测器探测在工件表面(2a)上被反射的测量射束(10)和在基准面(2b)处被反射的基准射束(12)，其中，测量臂(9)和基准臂(11)在干涉仪光(7)的相干长度内是等长的。根据本发明设置，测量臂(9)具有测量光纤(14)而基准臂(11)具有基准光纤(15)，测量光纤(14)和基准光纤(15)在其整个长度上或在其部分长度上，尤其是在光纤(14，15)长度不同的情况下在较短光纤的整个长度上，平行地在彼此旁延伸并且与彼此处于热接触中，测量臂(9)具有第一表面区域(2a)作为反射的工件表面而基准臂(11)具有工件(2)的第二表面区域(2b)作为反射的基准面，并且，在工件(2)与测量光纤(14)和/或基准光纤(15)的位于工件侧的端部之间布置有转向光具(16)，该转向光具使测量射束(10)和/或基准射束(15)共同地或各自分开地运动经过测量面和/或基准面(2a，2b)。

Description

用于在激光加工工件时进行受温度补偿的干涉仪式间距测量 的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种装置，其用于在激光加工工件时测量在工件的反射的工件表面与反射的基准面之间的间距，该装置具有干涉仪，该干涉仪具有：分束器，所述分束器将干涉仪光分到测量臂上作为测量射束以及分到基准臂上作为基准射束；和探测器，该探测器探测在工件表面上被反射的测量射束和在基准面上被反射的基准射束，其中，测量臂和基准臂在干涉仪光的相干长度之内是等长的。
背景技术
干涉仪用于在激光加工过程期间进行间距测量。为此，将两个干涉仪臂(＝测量臂)中的一个的辐射与加工激光近乎同轴地对准工件，该工件用作干涉镜。优选，将测量射束在聚焦之前例如通过激光加工头中的分束器在空间上与加工射束叠加并且由加工光具聚焦到测量部位上。另一个干涉仪臂(基准臂)被定位在测量器具中(具有射束源，分束器，探测器和分析处理单元)。典型地，两个干涉仪臂具有近似相等的光程长度。对于干涉仪式的间距测量重要的是了解光程的改变。在现实中，测量臂中的光程不仅可能由于待测量的间距而改变，而且也可能由于干涉仪臂的光路中的(无意的)变化而改变。例如，在光纤引导的干涉仪中，由于所感测的焊接部位上方的测量光纤端部的变热而造成与基准光纤的温度差并从而造成由温度引起的干涉信号变化，该干涉信号变化导致间距测量时的测量误差。此外常常需要相对测量，以便确定工件的两个点(或面)之间的间距，例如孔相对于构件表面的焊入深度或毛细管深度。
发明内容
而本发明的任务是，在开头提到的类型的测量装置方面排除由温度引起的测量误差并且感测工件表面的形貌或者执行在空间上求平均。
根据本发明，该任务以下述方式解决：测量臂具有测量光纤而基准臂具有基准光纤，并且，测量光纤和基准光纤在其整个长度上或部分长度上，尤其在光纤的长度不同的情况下在较短光纤的整个长度上，平行地并排延伸并且相互处于热接触中，所述测量臂具有第一表面区域作为反射的工件表面而基准臂具有工件的第二表面区域作为反射的基准面，并且，在工件与测量光纤和/或基准光纤的工件侧端部之间布置有转向光具，所述转向光具使测量射束和/或基准射束共同运动经过测量面和/或基准面或各自分开地运动经过测量面和/或基准面。
根据本发明，测量光纤和基准光纤相互热耦合，使得并不出现值得一提的温度差，而是***地补偿传送路程中的温度波动。测量射束和基准射束通过对应的光纤紧密地在彼此旁地但是分开地被引导，使得光路略微地相互错开。其结果是，两个射束的干涉信号仅取决于工件表面和基准面之间的相对间距，因为测量臂和基准臂中的光程长度波动由于所述平行的实施方案而在最大程度上被补偿。由此可使基准射束转向到构件表面(基准面)上并且使测量射束转向到测量点或测量面上。转向光具使得能使测量射束和/或基准射束共同地或分开地运动经过测量面或基准面，以便实施一维或二维测量。由此可感测工件表面的形貌或执行在空间上求平均。
在有利的实施方式中，测量光纤和基准光纤是两个独立的光纤，它们在其整个长度上或在部分长度上，尤其在光纤的长度不同的情况下在较短光纤的整个长度上，相互贴靠。这两个光纤例如可在共同的光导缆线或防护软管中在热接触中被引导。在另一有利实施方式中，测量光纤和基准光纤通过双包层光纤的芯和内包层形成。
针对对两个表面区域之间的间距的测量，测量臂具有一个表面区域作为反射的工件表面，而基准臂具有工件的另一个表面区域作为反射的基准面，使得由干涉仪测量的间距相对于工件表面被测量并且与沿着测量光纤和基准光纤的光程长度波动无关。
此外，有利地可在工件与测量光纤和/或基准光纤的工件侧端部之间布置成像光具，该成像光具使测量射束和/或基准射束以确定的照明图案(例如点、线或圆)在工件表面上成像。
有利的是，测量光纤和基准光纤在其工件侧端部处相互隔开最大为数毫米的间距，使得测量射束和基准射束对准工件的不同的表面区域。基准射束可射向构件表面而测量射束可射向待测量的面。由于光纤端部隔开间距，所以两个光纤仅在部分长度上相互贴靠。
特别优选的是，测量装置布置在激光加工机的加工头中，以便测量加工头到工件的间距。测量射束可以并且必要时基准射束也可以通过加工头的分束器与加工射束在空间上叠加并且由加工光具聚焦到测量部位上。
本发明也涉及一种用于在激光加工工件时借助光纤引导的干涉仪来测量工件的反射的工件表面和反射的基准面之间的间距的方法，其中，干涉仪的测量射束和基准射束在测量光纤和基准光纤中被引导，其中，所述测量光纤和所述基准光纤在其整个长度上或部分长度上，尤其在光纤的长度不同的情况下在较短光纤的整个长度上，平行地并排延伸并且相互处于热接触中，其中，使测量射束和/或基准射束共同地或各自分开地通过测量面和/或基准面转向。
最后，本发明还涉及一种用于在激光加工工件时借助干涉仪测量工件的两个表面区域之间的间距的方法，其中，干涉仪的测量射束和基准射束在所述两个表面区域上被反射，其中，使测量射束和/或基准射束共同地或各自分开地通过测量面和/或基准面转向。优选，干涉仪光在工件的存在于两个表面区域之间的台阶处在几何上被分成测量射束和基准射束。
本发明的其他优点由权利要求书、说明书和附图得到。之前提到的以及之后会提到的特征可自身单独使用或在多个特征的情况下以任意组合使用。所示出的和所描述的实施方式不应理解为穷举，而是仅具有用于说明本发明的示例性特征。
附图说明
附图示出:
图1根据本发明的用于测量与工件的间距的测量装置，其具有热耦合的测量光纤和基准光纤；
图2根据本发明的用于测量工件的两个表面区域之间的间距的另一测量装置，其具有热耦合的测量光纤和基准光纤；
图3a，3b根据本发明的用于通过测量射束和基准射束测量工件的两个表面区域之间的间距的测量装置，所述测量射束和基准射束以自由射束传播(Freistrahlpropagation)(图3a)的方式以及在共同的传送光纤(图3b)中被引导；以及
图4a，4b根据本发明的用于测量工件的两个表面区域之间的间距的测量装置，具有传送光纤，所述传送光纤布置在分束器之前(图4a)或之后(图4b)。
在后面的附图描述中，相同或功能相同的构件设有一致的附图标记。
具体实施方式
激光加工机(未示出)的图1所示的加工头1用于借助加工激光射束(未示出)来加工工件2并且具有测量装置3，该测量装置用于测量工件2的反射的工件表面2a与加工头1，更准确地说与加工头1的基准面4之间的间距A。
测量装置3包括干涉仪5，其具有分束器6，该分束器将干涉仪光源8的干涉仪光7分到测量臂9上作为测量射束10以及分到基准臂11上作为基准射束12，并且包括探测器13，该探测器探测在工件表面2a上被反射的测量射束10和在基准面4上被反射的基准射束12。测量臂9具有测量光纤14而基准臂11具有基准光纤15，这两者长度相等并且在其整个长度上平行地并排延伸并且相互处于热接触中。基准面4通过基准光纤15的面向工件2的镜面化的光纤端部形成。替代地，基准面也可通过基准臂11中的独立的镜形成。与图1所示的不同，测量光纤和基准光纤14，15也可以长度不相等，其中，在该情况下所述两个光纤14，15在较短光纤的整个长度上，但是仅在较长光纤的部分长度上平行地并排延伸并且相互处于热接触中。
在测量臂9中，测量射束10通过测量光纤14被引导，在工件表面2a上被反射，而被反射的测量射束10重新耦合到测量光纤14中并且通过分束器6朝探测器13转向。在基准臂11中，基准射束12通过基准光纤15被引导，在基准光纤15的基准面4上被反射并且被反射的基准射束12通过分束器6朝探测器13转向。又会聚的测量射束和基准射束14，15被探测器13探测，并且根据干涉可确定工件表面2a和基准面4之间的间距A。由于两个光纤14，15热耦合，所以不会造成值得一提的温度差并从而不会在绝对间距测量时造成由温度引起的测量误差。
所述两个光纤14，15例如可作为独立光纤在一个共同的光导缆线或软管中在热接触的情况下被引导。替代地，测量光纤14也可通过双包层光纤的芯形成而基准光纤15则通过双包层光纤的内包层形成。
与图1不同，在图2所示的测量装置3中，测量臂9具有工件2的第一表面区域2a作为反射的工件表面而基准臂11具有该工件的第二表面区域2b作为反射的基准面。测量射束和基准射束10，12通过对应的光纤14，15紧密并排地，但是分开地被引导向工件2，使得光路略微相互错开。由此可将基准射束12转向到第一表面区域2a(例如作为基准面的工件表面)以及将测量射束10转向到测量点或测量面2b。又会聚的被反射的测量射束和基准射束14，15被探测器13探测，并且根据它们的干涉确定两个工件表面2a，2b之间的间距A。由于两个光纤14，15的热耦合而不会造成值得一提的温度差并从而不会在相对间距测量时造成由温度引起的误差。
在工件2与测量光纤和基准光纤14，15的工件侧端部之间布置有转向光具或成像光具16。借助转向光具16可使测量射束和/或基准射束10，12共同地或分开地运动经过所述两个表面区域2a，2b，以便实施一维或二维测量。由此例如可感测工件表面的形貌并且执行在空间上求平均。借助成像光具16可成形测量射束和/或基准射束10，12，以便在所述表面区域2a，2b上产生确定的照明图案(例如点、线或圆)。
用于测量与工件的间距的基准面可如在图2中以虚线标明的那样通过可摆动到基准臂11中的镜4形成。由此可在两个运行方式——温度补偿地测量与工件的间距和温度补偿地测量两个表面区域之间的间距——之间转换。干涉仪5的测量范围通过干涉仪光源8的光谱宽度和测量臂与基准臂9，11的光程长度差确定。为了能够适配所述测量范围，可将基准臂11的镜4沿着光学轴线移动并从而适配基准臂11的路程长度。
与图2所示不同，测量光纤和基准光纤14，15在其工件侧端部处可相对彼此隔开最大数毫米的间距，使得测量射束和基准射束10，12射到工件2的相应地隔开间距的表面区域2a，2b上。
所述射束***不必强制通过测量装置3的光学元件进行，而是可通过工件2上的不同反射位置得到。在图3a所示的测量装置3的情况下，通过分束器17以自由射束传播的方式入射的干涉仪光7在工件2的存在于两个表面区域2a，2b之间的台阶18处才在几何上分成测量射束10和基准射束12，即干涉仪光7在表面区域2a作为测量射束10被反射而在另一表面区域2b上作为基准射束12被反射。当例如在激光深焊时干涉仪光7在工件表面上的光点大于焊接毛细管的直径时，干涉仪光7的一部分从焊接毛细管的周围环境中的工件表面被反射而另一部分在焊接毛细管中被反射，由此干涉仪光7“自然地”分成测量射束和基准射束10，12。又会聚的被反射的测量射束和基准射束10，12通过分束器17朝探测器13转向。根据在那里探测的干涉可以确定两个工件表面2a，2b之间的间距A。
与图3a不同，在图3b所示的测量装置3中干涉仪光7通过传送光纤19被引导向工件2，并且在两个表面区域2a，2b上被反射的测量射束和基准射束10，12通过传送光纤19引导返回分束器17。
在图4a，4b所示的测量装置3的情况下，干涉仪光7***成测量射束和基准射束10，12在独立的分束器6中进行，该分束器在图4a中布置在传送光纤19之前而在图4b中布置在该传送光纤之后。在图4b中，分束器5也用于将测量射束和基准射束10，12对准工件2的不同的表面区域2a，2b。

Claims (5)

1.一种用于在激光加工工件(2)时测量所述工件(2)的反射的工件表面(2a)与反射的基准面(2b)之间的间距(A)的测量装置(3)，该测量装置具有干涉仪(5)，该干涉仪具有：分束器(6；18)，该分束器将干涉仪光(7)分到测量臂(9)上作为测量射束(10)以及分到基准臂(11)上作为基准射束(12)；和探测器(13)，该探测器探测在所述工件表面(2a)上被反射的测量射束(10)和在所述基准面(2b)上被反射的基准射束(12)，其中，所述测量臂(9)和所述基准臂(11)在所述干涉仪光(7)的相干长度之内是等长的，其中，
所述测量臂(9)具有测量光纤(14)而所述基准臂(11)具有基准光纤(15)并且所述测量臂(9)具有所述工件(2)的第一表面区域作为反射的工件表面，其特征在于，
所述测量光纤(14)和所述基准光纤(15)通过双包层光纤的芯和内包层形成，
所述测量光纤(14)和所述基准光纤(15)在所述测量光纤(14)和所述基准光纤(15)的长度相同的情况下在其整个光纤长度上或在所述测量光纤(14)和所述基准光纤(15)的长度不同的情况下在较短光纤的整个长度上平行地并排延伸并且相互处于热接触中，
所述基准臂(11)具有所述工件(2)的第二表面区域作为反射的基准面，并且
在所述工件(2)与所述测量光纤(14)的工件侧端部之间布置有转向光具(16)，该转向光具使所述测量射束(10)直接运动经过所述第一表面区域，以便实施所述第一表面区域的一维或二维测量。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量光纤(14)和所述基准光纤(15)是两个独立的光纤，所述两个独立的光纤在其整个长度上或在其部分长度上相互贴靠。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述测量光纤(14)和所述基准光纤(15)在其工件侧端部处相互隔开间距。
4.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置(3)布置在激光加工机的加工头(1)中。
5.一种用于在激光加工工件(2)时借助光纤受引导的干涉仪(5)测量工件(2)的反射的工件表面(2a)和反射的基准面(2b)之间的间距(A)的测量方法，其中，所述干涉仪(5)的测量射束(10)和基准射束(12)在测量光纤(14)中以及在基准光纤(15)中被引导，其中，所述测量光纤(14)和所述基准光纤(15)通过双包层光纤的芯和内包层形成，其中，所述测量光纤(14)和所述基准光纤(15)在所述测量光纤(14)和所述基准光纤(15)的长度相同的情况下在其整个光纤长度上或在所述测量光纤(14)和所述基准光纤(15)的长度不同的情况下在较短光纤的整个长度上平行地并排延伸并且相互处于热接触中，其中，通过转向光具(16)使所述测量射束(10)直接在所述工件表面(2a)上转向，该转向光具使所述测量射束(10)直接运动经过所述工件表面(2a)，以便实施所述工件表面的一维或二维测量。
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