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Die
Erfindung betrifft ein optisches Abstandsmeßverfahren und einen optischen
Abstandssensor, insbesondere zur Regelung des Abstands eines Bearbeitungskopfes
einer Werkstückbearbeitungsanlage
von der Oberfläche
eines zu bearbeitenden Werkstücks.
Weiter betrifft die Erfindung einen Laserbearbeitungskopf für eine Werkstückbearbeitungsanlage,
der zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Abstandsmeßverfahren mit
einem Abstandssensor ausgerüstet
ist.
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Um
Werkstücke
mittels eines Bearbeitungskopfes einer Werkstückbearbeitungsanlage in gleichbleibender
Qualität
zu bearbeiten, ist es erforderlich, daß der Bearbeitungskopf stets
in einem bestimmten Abstand zur Oberfläche des Werkstücks geführt wird.
Bei der Bearbeitung von Werkstücken
mittels Laserstrahl, also beim Laserschneiden oder Laserschweißen, ist
es beispielsweise erforderlich, daß der Arbeitsfokus des Laserstrahls
in einer bestimmten Position relativ zur Werkstückoberfläche gehalten wird.
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Zur
Regelung des Abstands eines Bearbeitungskopfes, wie beispielsweise
eines Laserbearbeitungskopfes ist es bekannt, die Kapazität zwischen
einer Meßsonde
und der Werkstückoberfläche zu erfassen,
um aus Kapazitätsänderungen
ein Stellsignal für
den Abstand des Bearbeitungskopfes abzuleiten. Eine derartige kapazitive
Abstandsmeßung
zur Regelung des Abstands zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf ist
beispielsweise aus der
DE
40 20 196 C2 bekannt.
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Die
kapazitive Abstandsmeßung
hat zwar den Vorteil, daß sie
unabhängig
von der Arbeitsrichtung des Bearbeitugskopfes ist, ist aber nur
bei leitenden Werkstücken
einsetzbar.
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Optische
Abstandsmeßverfahren
haben dem gegenüber
den Vorteil, daß sie
unabhängig
von der Leitfähigkeit
des zu bearbeitenden Werkstücks
eingesetzt werden können.
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Aus
der
DE 40 05 453 A1 ist
eine optische Einrichtung zur Abstandsme ßung bei der Lasermaterialbearbeitung
bekannt, bei der außen
an einer Laserbearbeitungsdüse
ein Meßlaser
angebracht ist, der neben der Wechselwirkungszone der Arbeitslaserstrahls
einen Meßpunkt
erzeugt wobei durch Auswertung des im Meßpunkt reflektierten Laserlichts
der Abstand ermittelt wird. Da bei dieser bekannten Abstandsmeßvorrichtung der
Meßpunkt
auf einer Seite neben der Wechselwirkungszone liegt, wird der Arbeitsfokus
des Arbeitslaserstrahls bei einem verkippten Werkstück entweder
etwas zu hoch oder etwas zu tief eingestellt.
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Aus
der WO 88/10406 A1 ist bereits eine Vorrichtung zur Messung von
Abständen
zwischen einem optischen Element mit großer chromatischer Aberration
und einem Gegenstand bekannt, bei dem eine linienförmige Lichtquelle
von einer farbfehlerbehafteten Linse auf eine Oberfläche abgebildet
wird, deren Profil zu erfassen ist. Das Bild der linienförmigen Lichtquelle
wird von der Linse dann auf einen Spalt eines Monochromators abgebildet,
der als Empfänger
eine zweidimensionale Schwarz-Weiß-CCD-Kamera aufweist. Die
Spalten- oder Y-Richtung entspricht dabei den einzelnen Punkten
oder Abschnitten des Spaltes, während
die Zeilen- oder H-Richtung der Wellenlänge λ zugeordnet ist.
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Jede
Zeile der CCD-Kamera zeichnet somit ein vollständiges Spektrum für einen
zugeordneten Spaltabschnitt auf. Die Abstände der einzelnen Oberflächenbereiche
voneinander bzw. von der Linse lassen sich daher aus den Maxima
der jeweiligen Spektren also aus der Intensitätsverteilung in Zeilenrichtung
ermitteln.
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Die
DE 197 13 362 A1 beschreibt
eine konfokale mikroskopische Anordnung, die zur Waferuntersuchung
eingesetzt wird. Bei dieser Anordnung wird ein Lochraster, das von
einer Weißlichtquelle
oder dergleichen beleuchtet wird, über eine Optik mit gezieltem
Farblängsfehler
auf eine zu beobachtende Oberfläche
abgebildet. Das an der Oberfläche
reflektierte Bild des Lochrasters wird wiederum auf das Lochraster
abgebildet und ortsgefiltert. Das Lochraster liefert somit ein Bild
des Objektes, in dem die Höheninformation
durch eine entsprechende Farbdarstellung optisch kodiert vorliegt.
Aus diesem Bild wird dann ein Spektrum erzeugt, das von einer Diodenzeile
aufgezeichnet wird, sodass aus der Lage und Höhe der Maxima die Flächenanteile
der jeweiligen Höhenniveaus
auf einem Wafer erfasst werden können.
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Aus
der
FR 2 707 018 A1 ist
es bei der Aufnahme dreidimensionaler Bilder bekannt, nur zwei Wellenlängenbereiche
auszuwerten, wobei die entsprechenden beiden Meßwerte zueinander in Beziehung
gesetzt werden.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein optisches
Abstandsmeßverfahren bereitzustellen,
daß unabhängig von
der Arbeitsrichtung eines Bearbeitungskopfes einer Werkstückbearbeitungsanlage
den Abstand einer Oberfläche
relativ zu einer Soll-Lage ermittelt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, einen optischen Abstandssensor zur Durchführung eines
derartigen Abstandsmeßverfahrens
bereitzustellen.
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Diese
Aufgaben werden durch das Abstandsmeßverfahren nach Anspruch 1
und den Abstandsensor nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildung der Erfindung sind in jeweiligen nachgeordneten
Ansprüchen
beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist also
vorgesehen, daß ein
als Meßobjekt
dienendes Leuchtobjekt auf eine Oberfläche, insbesondere auf die Oberfläche eines
zu bearbeitenden Werkstücks
abgebildet wird, daß das
Bild des Meßobjekts,
daß von
der Oberfläche
zurückgeworfen
wird, auf eine Empfangsanordnung ab gebildet wird, in der das einfallende
Bild einer dem Leucht- oder Meßobjekt
entsprechenden Ortsfilterung unterzogen wird und in der der ortsgefilterte
Lichtstrom für
zwei Wellenlängenbereiche
erfaßt
wird, um entsprechende Lichtstrom-Meßsignale zu liefern. Die zwei
Lichtstrom-Meßsignale
für jeden
der Wellenlängenbereiche
werden dann mit den entsprechenden Wellenlängenbereichen zugeordneten
Soll-Werten verglichen, die einer vorgebbaren Soll-Lage der Oberfläche entsprechen,
um ein dem Abstand der Oberfläche
von der Soll-Lage entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen.
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Um
das dem Abstand der Oberfläche
von der Soll-Lage entsprechende Ausgangssignal zu bilden, wird also
zunächst
durch Erfassung des ortsgefilterten Lichtstroms der von einer Defokussierung
abhängige Kontrast
des Leuchtobjektbildes in der Ebene der Ortsfilterung ermittelt,
um ein dieser Defokussierung entsprechendes Meßsignal zu bilden. Da der Kontrast
eines Bildes unabhängig
davon abnimmt, in welcher Richtung das Bild gegenüber der
Beobachtungsebene verschoben wird, ist ein derartiges Lichtstrom-Meßsignal
zunächst
nur geeignet, eine Verschiebung einer Oberfläche gegenüber ihrer Soll-Lage festzustellen,
ohne die Richtung der Verschiebung angeben zu können. Um hier Abhilfe zu schaffen,
nutzt die Erfindung den Farbfehler einer optischen Abbildung, also
die Tatsache, daß eine
optische Linse für
unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche
Brennweiten besitzt. Da aufgrund des Farbfehlers die Bilder eines
Objektes für
verschiedene Wellenlängenbereiche
in unterschiedlichen Ebenen liegen, ist auch der Kontrast der verschiedenen
Bilder in einer Beobachtungsebene, also in der Ebene der Ortsfilterung
verschieden, so daß es
durch einen Vergleich der mit dem Kontrast korrelierten Lichtstrom-Meßsignale
für verschiedene
Wellenlängenbereiche
mit entsprechenden Soll-Werten möglich
wird, nicht nur eine Verschiebung einer Oberfläche aus ihrer Soll-Lage heraus zu
erfassen, sondern auch die Richtung der Verschiebung anzugeben.
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Da
es für
die Regelung des Abstands zwischen Bearbeitungskopf und Werkstückoberfläche im Prinzip nur
erforderlich ist, zu wissen, ob der Abstand zu klein oder zu groß ist, ist
bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Ausgangssignal
zumindest die Richtung des Abstands der Oberfläche von der Soll-Lage angibt.
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Um
eine möglichst
zuverlässige
Aussage über
die Richtung des Abstands der Oberfläche von der Soll-Lage zu erhalten,
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß die
Wellenlängenbereiche
im Hinblick auf einen Farbfehler bei der Abbildung des Leuchtobjekts
so gewählt
sind, daß der
Abstand der Brennpunkte zweier aufeinander folgender Wellenlängenbereiche
entlang der optischen Achse der Abbildung kleiner oder gleich der halben
Breite der Verlaufskurve des ortsgefilterten Lichtstroms über einer
Defokussierung entlang der optischen Achse bei etwa 10 % des Maximalwertes
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das
Bild des Leuchtobjektes auf der Oberfläche des Werkstücks oder
dergleichen auf einen Bildsensor der Empfangsanordnung mit einer Vielzahl
von Empfängerelementen
abgebildet wird, und daß die
Ortsfilterung durch Auswahl von Empfängerelementen entsprechend
dem Leuchtobjekt durchgeführt
wird. Die Durchführung
der Ortsfilterung und die Erfassung des ortsgefilterten Lichtstroms
mit einer eine Vielzahl von Empfängerelementen
aufweisenden Empfangsanordnung hat den Vorteil, daß ein beliebiges
Leuchtobjekt eingesetzt werden kann und daß die Justierung des Abstandsmeßverfahrens
durch eine gezielte Auswahl der Empfängerelemente erfolgen kann,
die einen hohen Lichtstrom empfangen, während das Leuchtobjekt scharf
in die Beobachtungsebene abgebildet ist.
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Eine
praktische Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus,
daß die
Ortsfilterung mit einer Ortsfilterblende durchgeführt wird,
die dem Leuchtobjekt entspricht. Der Einsatz einer dem Leuchtobjekt
entsprechenden Ortsfilterblende ermöglicht es, das erfindungsgemäße Verfahren
auch in einer unwirtlichen Umgebung durchzuführen, da einfache und robuste
Sensorelemente zum Einsatz kommen können.
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Ein
optischer Abstandssensor, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren
auf besonders vorteilhafte Weise durchgeführt werden kann, umfaßt ein Leuchtobjekt,
das zumindest einen Lichtdurchlaßbereich aufweist, der wenigstens
auf zwei Seiten von lichtabschirmenden Bereichen begrenzt ist; eine
einen Farbfehler aufweisende Abbildungsoptik zur Abbildung des Leuchtobjekts
auf eine Oberfläche,
insbesondere auf eine Werkstückoberfläche, deren
Ist-Lage relativ zu einer Soll-Lage erfaßt werden soll; eine Empfangsanordnung, auf
die das Bild des Leuchtobjekts auf der Oberfläche von der Abbildungsoptik
abgebildet wird, wobei die Empfangsanordnung zur Ortsfilterung des
einfallenden Bildes entsprechend dem Leuchtobjekt zum Erfassen des ortsgefilterten
Lichtstroms für
zwei Wellenlängenbereiche,
und zum Erzeugen entsprechender Lichtstrom-Meßsignale dient; und eine Auswerteschaltung
zum Vergleichen der beiden Lichtstrom-Meßsignale mit zwei den entsprechenden
Wellenlängenbereichen
zugeordneten Soll-Werten, die einer vorgebbaren Soll-Lage der Oberfläche entsprechen
und zum Erzeugen eines dem Abstand der Oberfläche von der Soll-Lage entsprechenden
Ausgangssignals.
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Gemäß einer
ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Empfangsanordnung
ein Bildsensor mit einer Vielzahl von Empfängerelementen ist. Obwohl grundsätzlich als
Bildsensor jede Anordnung von Empfängerelementen dienen kann,
mit der eine ortsauflösende
Auswertung des einfallenden Lichtstroms möglich ist, ist es besonders
zweckmäßig einen
CCD-Bildwandler mit einer ein- oder zweidimensionalen Photodiodenanordnung
vorzusehen.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Empfangsanordnung
eine dem Leuchtobjekt entsprechende Ortsfilterblende, auf die das
auf der Oberfläche
erzeugte Bild des Leuchtobjekts abgebildet wird, und eine Photodetektoranordnung
zum Erfassen des ortsgefilterten Lichtstroms umfaßt, wobei
die Photodetektoranordnung zumindest einen ersten und einen zweiten
Photoempfänger
und eine Vorrichtung zur Lichtzerlegung umfaßt, die den Lichtstrom des
ersten Wellenlängenbereichs
auf den ersten Photoempfänger
und den Lichtstrom des zweiten Wellenlängenbereichs auf den zweiten
Photoempfänger
lenkt.
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Als
Vorrichtung zur Lichtzerlegung kann dabei entweder ein Beugungsgitter
oder Dispersionsprisma vorgesehen sein.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch auch möglich, daß die Photodetektoranordnung
einen Photoempfänger
und eine Zerhackerblende umfaßt,
die zumindest zwei Farbfilter aufweist, um die Lichtströme der verschiedenen
Wellenlängenbereiche
nacheinander zum Photoempfänger durchzulassen.
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Um
eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen, ist es zweckmäßig, daß eine Linse
vorgesehen ist, um den ortsgefilterten Lichtstrom auf die Photoempfängeranordnung
zu fokussieren.
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Als
Leuchtobjekt für
einen erfindungsgemäßen Abstandssensor
kann grundsätzlich
jedes Objekt eingesetzt werden, das einen hohen Kontrast, insbesondere
einen Kontrast 1 aufweist. Besonders zweckmäßig ist es, wenn als Leuchtobjekt
ein beleuchtetes Meßobjekt,
das eine Spaltblende, eine Ringspaltblende, ein eindimensionales
gerades Gitter oder ein aus Ringspalten aufgebautes Ringgitter sein
kann, vorgesehen ist. Als Alternative dazu kann als Leuchtobjekt
auch ein beleuchtetes, zweidimensionales Gitter eingesetzt werden.
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Wird
ein erfindungsgemäßer Abstandssensor
mit einem Laserbearbeitungskopf verwendet, der eine Abbildungsoptik
aufweist, die einen Arbeitslaserstrahl in einen Arbeitsbrennpunkt
auf einer Werkstückoberfläche fokussiert,
so ist es besonders vorteilhaft, wenn der Strahlengang der Abbildung
des Leuchtobjekts mittels einer Teilerfläche in den Arbeitsstrahlengang
eingekop pelt wird, so daß der
Arbeitsbrennpunkt im wesentlichen mit dem Bild des Leuchtobjekts
zusammenfällt.
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Auf
diese Weise lässt
sich das Bild des Leuchtobjekts besonders einfach in den Bereich
der Wechselwirkungszone abbilden, um eine von der Vorschubrichtung
des Laserbearbeitungskopfes unabhängige Abstandsregelung realisieren
zu können.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes
ist vorgesehen, daß die
Abbildungsoptik für
den Arbeitslaserstrahl zusammen mit einer Kollimatoroptik, in deren
Brennpunkt das Leuchtobjekt angeordnet ist, die Abbildungsoptik
für das
Leuchtobjekt bildet.
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Da
die Abbildungsoptik, die den Arbeitslaserstrahl in die Wechselwirkungszone
fokussiert, üblicherweise
nur für
eine Wellenlänge
bzw. einen relativ schmalen Wellenlängenbereich ausgelegt ist,
weist sie meistens einen relativ großen Farbfehler auf, so daß die zwei
geeigneten Wellenlängenbereiche
für die
Abstandsmessung ausgewählt
werden können,
deren Brennpunkte in zweckmäßigen Abständen zueinander
liegen.
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Die
Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1a eine
schematische Schnittdarstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit
einem erfindungsgemäßen Abstandssensor,
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1b eine
schematische vereinfachte Schnittdarstellung eines anderen Laserbearbeitungskopfes mit
einem erfindungsgemäßen Abstandssensor,
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2a eine
schematische Darstellung der verschiedenen Strahlengänge des
erfindungsgemäßen Abstandssensors
zur Erläuterung
des Meßprinzips,
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2b eine
vereinfachte schematische Darstellung einer Empfangsanordnung mit
einer Vorrichtung zur Lichtzerlegung für einen erfindungsgemäßen Abstandssensor,
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3 verschiedene
Diagramme zur Erläuterung
der Ortsfilterung, die den örtlichen
Verlauf der Beleuchtungsstärke
in der Beobachtungsebene vor und hinter dem Ortsfilter in Abhängigkeit
von der Lage der Oberfläche
relativ zu ihrer Soll-Lage darstellen,
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4 den
Verlauf des ortsgefilterten Lichtstroms über einer Defokussierung entlang
der optischen Achse für
eine Wellenlänge,
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5 den
Verlauf des ortsgefilterten Lichtstroms über einer Defokussierung für zwei Wellenlängen,
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6 ein
schematisches Blockschaltbild einer Auswerteschaltung für einen
erfindungsgemäßen Abstandssensor
und
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7 ein
Spannungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung
der Erzeugung eines Stellsignals.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind einander entsprechende
Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie 1a zeigt,
weist ein Laserbearbeitungskopf 10 ein Gehäuse 11,
in dem eine Abbildungsoptik 12 für einen Arbeitslaserstrahl 13 angeordnet
ist, und eine Laserbearbeitungsdüse 14 mit
einer Düsenöffnung 15 auf,
durch die hindurch der Laserstrahl 13 in einen eine Wechselwirkungszone
auf einer Oberfläche 16 eines
zu bearbeitenden Werkstücks 17 festlegenden
Arbeitsbrennpunkt 18 fokussiert wird.
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An
dem Gehäuse 11 des
Laserbearbeitungskopfes 10 ist ein optischer Abstandssensor 19 angebracht,
der eine Lichtquelle 20 aufweist, die von einem Kondensor 21 und
einem Kollimator 22 über
eine als Umlenkspiegel dienende Teilerfläche 23 in die Abbildungsoptik 12 des
Arbeitsstrahlengangs 13' abgebildet wird.
Um ein Leuchtobjekt zu bilden, ist von der Lichtquelle aus gesehen
hinter dem Kondensor 21 und vorzugsweise im Brennpunkt
des Kollimators 22 ein Leuchtobjekt 25 angeordnet,
das vom Kollimator 22 und von der Abbildungsoptik 12 des
Arbeitsstrahlengangs 13' in
den Bereich des Arbeitsbrennpunkts 18 auf die Oberfläche 16 abgebildet
wird. Auf diese Weise wird ein Meßstrahlengang 24 gebildet,
der in den Arbeitsstrahlengang 13' eingekoppelt ist.
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Ein
auf diese Weise erzeugtes Bild 26 des Leuchtobjekts 25 wird
im reflektiertem Meßstrahlengang 24' von der Abbildungsoptik 12,
die für
das Bild 26 einen Kollimator darstellt, und den Kollimator 22 über eine Strahlteilerfläche 27 auf
ein Ortsfiltergitter 28 abgebildet. In Lichtrichtung des
reflektierten Meßstrahlengangs 24' hinter dem
Ortsfiltergitter 28 ist eine Feldlinse 29 angeordnet,
die den durch das Ortsfiltergitter 28 hindurch tretenden
ortsgefilterten Lichtstrom auf eine Photoempfängeranordnung 30 fokussiert.
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Als
Ortsfiltergitter 28 ist ein Gitter gewählt, daß einem als Leuchtobjekt dienenden
Meßgitter
deckungsgleich entspricht, so daß das Bild des Bildes 26 auf
dem Ortsfiltergitter 28 mit diesem genau zur Deckung gebracht
wer den kann, wenn das Meßgitter 25 und
das Ortsfiltergitter 28 den gleichen optischen Abstand
zum Kollimator 22 aufweisen und wenn die Oberfläche 16 des
Werkstücks 17,
an der der Meßstrahlengang 24 reflektiert
wird, genau im Brennpunkt der Abbildungsoptik 12 liegt.
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Gemäß 1b ist
bei einem Laserbearbeitungskopf 10' der Abstandssensor 19 so
an einer Laserbearbeitungsdüse 14 bzw.
an deren Gehäuse
angebracht, daß der
Meßstrahlengang 24 hinter
der Abbildungsoptik 12, also zwischen Abbildungsoptik 12 und
Arbeitsbrennpunkt 18, mit Hilfe einer Strahlteilerfläche 23 in den
Arbeitsstrahlengang 13 eingekoppelt wird. In diesem Fall
wird die Lichtquelle 20 vom Kondensor 21 in eine Abbildungsoptik 22' des Meßstrahlengangs 24 abgebildet,
die das Meßgitter 25 über die
als Umlenkspiegel dienende Strahlteilerfläche 23 auf die Oberfläche 16 des
Werkstücks 17 abbildet.
Das Bild 26 des Meßgitters 11 wird
im reflektierten Meßstrahlengang 24' von der Abbildungsoptik 22' auf das Ortsfiltergitter 28 abgebildet.
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Zur
Erläuterung
des von der Erfindung genutzten Meßprinzips, das bei den Ausgestaltungen
der Erfindung nach 1a und 1b dasselbe
ist, sind die wesentlichen Elemente des Meßstrahlengangs nochmals in 2a schematisch
dargestellt. Insbesondere ist die Strahlführung des Beleuchtungstrahlengangs
gestrichelt dargestellt, während
der Abbildungs-Meßstrahlengang 24 mit
durchgezogenen Linien gezeigt ist.
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Liegt,
wie in 2a gezeigt, die den Meßstrahlengang
reflektierende Oberfläche 16 genau
im Brennpunkt der Abbildungsoptik 22' (oder im Brennpunkt der Abbildungsoptik 12 des
Arbeitsstrahlengangs 13')
so wird das auf der Oberfläche 16 erzeugte
Bild 26 genau auf das Ortsfiltergitter 28 der
Empfangsanordnung 31 abgebildet. Die Verteilung der Beleuchtungsstärke E1 in
x-Richtung einer durch das Ortsfiltergitter 28 festgelegten
Beobachtungsebene ist in 3 im ersten Diagramm links vom
schematisch angedeuteten Ortsfiltergitter 20 dargestellt.
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Verändert sich
die Lage der Oberfläche 16 in
Richtung z der optischen Ach se Z mehr und mehr, so verschmiert das
Bild des Bildes 26 in der Beobachtungsebene mehr und mehr
und der Kontrast nimmt entsprechend ab. Die Verteilungen der Beleuchtungsstärke E2,
E3, E4 für
zunehmende Abstände
der Oberfläche 16 von
ihrer Soll-Lage sind im zweiten, dritten bzw. vierten Diagramm auf
der linken Seite in 3 dargestellt. Man erkennt deutlich,
daß die
Beleuchtungsstärke
in den Bereichen, die den Schlitzen des Ortsfiltergitters 28 zugeordnet
sind, mehr und mehr abnimmt, während
sie umgekehrt in den Bereichen, die den Stegen des Gitters zugewiesen
sind, mehr und mehr zunimmt, daß also
der Kontrast mehr und mehr abnimmt. Bei weiterer Verschiebung der
Oberfläche 16 aus
Ihrer Soll-Lage heraus wird dann der Kontrast vollständig verschwinden, d.h.
die Beleuchtungsstärke
ist für
alle Bereiche die gleiche. Danach ergibt sich eine Kontrastumkehr,
d.h. daß die
Beleuchtungsstärke
E in den den Stegen zugeordneten Bereichen größer ist als in den Bereichen,
die den Schlitzen zugeordnet sind.
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Durch
die Ortsfilterung mit dem Meßgitter 25 entsprechenden
Ortsfiltergitter 28 wird dann das auf die Gitterstege 28 auftreffende
Licht ausgeblendet, so daß sich
hinter dem Ortsfiltergitter 28 eine Beleuchtungsstärkeverteilung
E' ergibt. Die vier
Diagramme E1', E2', E3', E4' auf der linken Seite
in 3 sind in dieser Reihenfolge den entsprechenden
Diagrammen auf der rechten Seite zugeordnet.
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Wird
der durch das Ortsfiltergitter 28 hindurch tretende Lichtstrom Φ gemessen,
so ergibt sich der in 4 gezeigte Verlauf des ortsgefilterten
Lichtstroms Φ in
Abhängigkeit
von der Lage der Oberfläche
relativ zur Brennpunktlage auf der optischen Achse, also der Verlauf
des durch das Ortsfiltergitter 28 hindurch gelassenen Lichtstroms über einer
Defokussierung.
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Soll
nun der ortsgefilterte Lichtstrom Φ für eine Abstandsmessung oder
für eine
Regelung der Lage einer Oberfläche 16 relativ
zum Brennpunkt der Abbildungsoptik 22' gemessen werden, so liefert ein
Meßwert Φm zwei Positionen zm1,
zm2, wenn der gemessene Lichtstrom Φm mit einer vorher aufgenommenen Eichkurve Φ verglichen
wird.
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Erfindungsgemäß wird nun
die Tatsache ausgenutzt, daß eine
optische Abbildung einen Farbfehler besitzt, wenn eine brechende
Optik verwendet wird, daß also
Linsen für
verschiedene Wellenlängen
unterschiedliche Brennweiten besitzen. Erfindungsgemäß werden
daher zwei Wellenlängenbereiche λ1, λ2 ausgewählt, für die bei
der verwendeten Abbildungsoptik die Brennpunkte so weit auseinander
liegen, daß sich
die Lichtstromkurven Φ so überlappen,
daß in
einem bestimmten Bereich um die Brennpunkte für die verschiedenen Wellenlängenbereiche λ1, λ2 herum
für jede
Lage der Oberfläche 16 zwei
Lichtstromwerte Φ ermittelt
werden können,
die eine eindeutige Aussage über
die Richtung des Abstandes der Oberfläche 16 von ihrer Soll-Lage
ermöglichen.
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Um
den Lichtstrom für
zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche λ1, λ2 erfassen
zu können,
ist es möglich,
eine lichtzerlegende Vorrichtung 32, wie ein Beugungsgitter
oder ein Dispersionsprisma anzuordnen, die dann das Licht der gewünschten
Wellenlängenbereiche λ1, λ2 auf
einen ersten und eine zweiten Photoempfänger 33, 34 lenkt.
Es ist aber auch möglich,
wie in 2a angedeutet, einen mit Farbfiltern
ausgerüsteten Chopper
oder Zerhackerblende vorzusehen, so daß das Licht der beiden unterschiedlichen
Wellenlängebereiche λ1, λ2 nacheinander
auf die Photoempfängeranordnung 30 auftrifft.
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Darüber hinaus
kann auch ein CCD-Bildwandler mit einem eindimensionalen oder einem
zweidimensionalen Photodiodenarray verwendet werden. Ein deratiger
CCD-Bildwandler eröffnet
dabei ferner die Möglichkeit,
die Ortsfrequenzfilterung ohne Ortsfilterblende bzw. Ortsfiltergitter 28 durchzuführen, da
nur die den Stegen des Meßgitters 25 bzw.
den lichtundurchlässigen
Bereichen eines anderen Meßobjekts
zugeordneten Photodiodenbereiche des Bildwandlers bei der Ermittelung
des ortsgefilterten Lichtstroms Φ unberücksichtigt gelassen
zu werden brauchen.
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Wird
das erfindungsgemäße Abstandsmeßverfahren
bei einer Laserbear beitungsanlage eingesetzt, so ist es zweckmäßig, wenn
vor dem Ortsfiltergitter 28 eine Blende angeordnet ist,
die ein Bild der Wechselwirkungszone in der Beobachtungsebene abschattet,
so daß Licht
aus der Wechselwirkungszone die eigentliche Meßung nicht stört.
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Um
ein Stellsignal für
eine Abstandsregelung insbesondere für die Regelung des Abstandes
zwischen einem Laserbearbeitungskopf und einer Werkstückoberfläche zu erhalten,
wird in einem ersten Meßschritt
zunächst
bei genau eingestelltem Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf 10 und
Oberfläche
der ortsgefilterte Lichtstrom Φ in
einem ersten Wellenlängenbereich λ1 und
einem zweiten Wellenlängenbereich λ2 gemessen und
die gemessenen Werte werden als Werte Φ1,soll, Φ2,soll abgespeichert. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn
das als Meßobjekt
dienende Meßgitter 25 so
auf die Oberfläche 16 abgebildet
wird, daß die
Bilder des Meßobjekts mit
den ausgewählten
Wellenlängen λ1, λ2 in
Lichtrichtung vor und hinter der Oberfläche 16 liegen. Die
Auswahl der Wellenlängenbereiche
und die genaue Lage der zugeordneten Bilder hängt dabei von der erforderlichen Lage
des Arbeitbrennpunktes 18 relativ zur Werkstückoberfläche 16 ab.
Insbesondere ist zweckmäßig, wenn die
verwendeten Wellenlängenbereiche λ1, λ2 so
gewählt
sind, daß die
Soll-Werte für
die ortsgefilterten Lichtströme Φ, die in
der Soll-Lage gemessen werden, im Überlappungsbereich der beiden
Lichtstromkurven liegen, wie in 5 dargestellt
ist.
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Nachdem
die Soll-Werte Φ1,soll, Φ2,soll gemessen und gespeichert wurden und
nachdem ein Minimalwert Φ1,2,min festgelegt wurde, der beispielsweise
etwa 10% des Maximums der Lichtstromkurve beträgt, um bei der Auswertung Rauschen
zu unterdrücken,
kann die Regelung des Abstandes gestartet werden. Hierzu wird in
schneller Folge jeweils der ortsgefilterte Lichtstrom Φ1, Φ2 für
die beiden Wellenlängenbereiche λ1, λ2 gemessen
und mit den Werten Φ1,min, Φ1,soll, Φ2,min und Φ2,soll verglichen,
um dann ein Stellsignal Uout gemäß folgender
Tabelle zu erzeugen.
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Die
Entscheidung zur Erzeugung der als Stellsignal dienenden Ausgangsspannung
Uout wird dabei zweckmäßigerweise
von einem Mikroprozessor durchgeführt. Hierzu liefern als Photoempfänger 33, 34 dienende
Photodioden eine dem empfangenen Lichtstrom Φ entsprechende Spannung an
Verstärker 35, 36,
deren Ausgangsspannung an einen Analog-Digitalwandler 37 angelegt
wird, um dem Mikroprozessor 38 digitalisierte Werte für den Lichtstrom Φ1 und Φ2 zuzuführen.
Der Mikroprozessor 38 berechnet dann gemäß der obigen
Entscheidungstabelle einen digitalen Wert für die Ausgangsspannung Uout,
der an einen Digital-Analogwandler 39 angelegt wird, um
eine analoge Ausgangsspannung Uout als Stellsignal für eine Abstandsregelung zu
liefern.
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Im
einfachsten Fall braucht die Ausgangsspannung Uout nur drei Werte
anzunehmen, einen Wert Umin, der kleiner als Usoll ist, den Wert
Usoll und einen Umax, der größer als
Usoll ist. Befindet sich die Oberfläche relativ zu ihrer Soll-Lage
z0 in einem Bereich 1 in 5,
so ist Φ1 größer als
der minimale Wert Φ1,min und Φ2 ist
0 oder kleiner als der minimale Wert Φ2,min;
damit ergibt sich entsprechend Zeile 1 der obigen Tabelle, daß für Uout ein
Wert Umin ausgegeben wird, durch den angezeigt wird, daß der Bearbeitungskopf 10 so
gegenüber
der Oberfläche 10 zu
verschieben ist, daß diese
in +z-Richtung verschoben wird. Ist der Wert Φ1 größer als
der Soll-Wert Φ1,soll und liegt ein Wert Φ2 vor, der zwar kleiner als der Soll-Wert, jedoch größer als
der Wert Φ2,min ist, so kann als Ausgangsspannung Uout
wieder Umin gewählt
werden. Jedoch ist es in diesem Fall zweckmäßig, zum Wert Umin eine Spannung
in Abhängigkeit
vom Wert Φ2 hinzu zu addieren, um anzuzeigen, daß der Abstand
zur Soll-Lage kleiner ist, und um die Verschiebegeschwindigkeit
verringern zu können.
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Für den Fall,
daß sowohl Φ1 als auch Φ2 ungefähr den entsprechenden
Soll-Werten für
die Soll-Lagen entsprechen, wird ein Ausgangswert Uout gleich dem
Wert Usoll geliefert, so daß keine
Nachregelung durchgeführt
wird. Entsprechend der vierten Zeile, die dem Bereich III in Figur
entspricht, wird als Stellsignal eine Spannung Uout geliefert, die
zwischen dem Wert Usoll und einem Umax ist, um anzuzeigen, daß eine Relativverschiebung
der Oberfläche
in –z-Richtung
erforderlich ist. Ist der Lichtstrom Φ1 kleiner
als der Soll-Wert Φ1,soll aber größer als der minimale Wert Φ1,min und ist gleichzeitig der Wert Φ2 größer als
der zugehörige Soll-Wert, so liegt die
Oberfläche
im Bereich III auf der z-Achse.
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Liefern
die Messungen für Φ1 einen Wert 0 oder kleiner als der minimale
Wert Φ1,min und ist Φ2 größer als Φ2,min dann wird hierdurch angezeigt, daß sich die
Oberfläche 16 im
Bereich IV auf der z-Achse befindet und in –z-Richtung verschoben werden muß.
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Sind
sowohl Φ1 als auch Φ2 beide
gleichzeitig kleiner als die ihnen zugeordneten minimalen Werte,
so ist der Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf und der zu
bearbeitenden Oberfläche
so weit von seinem Soll-Wert
entfernt, daß bei
Verwendung von nur zwei Wellenlängenbereichen λ1, λ2 für die beschriebene Regelung
die Erzeugung eines Regelsignals nicht mehr möglich ist. In diesem Falle
wird ein Fehlersignal geliefert, aufgrund dessen die weitere Bearbeitung
unterbrochen wird und der Laserbearbeitungskopf vom Werkstück entfernt
wird, um eine Kollision zwischen Laserbearbeitungsdüse 14 und
Werkstück 17 oder
eine fehlerhafte Bearbeitung zu verhindern.
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Für sehr genaue
Regelungen ist es ferner möglich,
vor dem Regelbetrieb nicht nur den Soll-Wert für den Lichtstrom der jeweiligen
verwendeten Wellenlängenbereiche λ1, λ2 zu
erfassen, sondern die vollständige Lichtstromkurve
auszumessen, wie sie in 4 gezeigt ist. In diesem Fall
lassen sich für
jeden gemessenen Lichtstromwert Φ1 und Φ2 jeweils zwei Orte auf der optischen Achse
bestimmen, wobei zwei der vier so bestimmten Orte übereinstimmen
und die Lage der überwachten
Oberfläche 16 beschreiben.
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Die
vorliegende Erfindung liefert also ein optisches Abstandsmeßverfahren,
das den Abstand zwischen einem Bearbeitungskopf einer Werkstückbearbeitungsanlage
und einer zu bearbeitenden Oberfläche vollständig unabhängig von der Vorschubrichtung
des Bearbeitungskopfes in einer Weise erfaßt, die es ermöglicht,
ein Stellsignal zu liefern, um den Abstand in Richtung auf seinen
Soll-Wert zu vergrößern oder
zu verkleinern, ohne das in jedem Fall eine absolute Abstandsmessung
erforderlich wäre.
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Für besonders
sensible und genaue Regelungen ist es jedoch auch möglich, die
absolute Lage der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks relativ
zum Bearbeitungskopf zu messen.
