DE4025577C2 - Vorrichtung zum berührungslosen Messen des Abstands von einem Objekt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Be­ arbeiten von Werkstücken mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus der DE 36 26 944 A1 ist eine Vorrichtung mit den vorgenannten Merkmalen bekannt. Bei dieser bekannten Vorrich­ tung wird außer dem Laserarbeitsstrahl ein im Querschnitt ringförmiger Beleuchtungs-Laserstrahl verwendet, der den Be­ reich um die Bearbeitungsstelle herum beleuchtet. Die Bear­ beitungsstelle und der beleuchtete Bereich werden von einer Fernsehkamera beobachtet und wenn sich eine außermittige, seitliche Verschiebung der beobachteten Kerbe ergibt, werden Steuerungssignale zum Nachführen bzw. Fokussieren des Laser­ strahls erzeugt. Damit wird der Auftreffort des fokussierten Laserstrahls auf dem Werkstück kontrolliert, und zwar hin­ sichtlich seiner Lage in der Horizontalen, als auch in der Tiefe gesehen.

Aus der US 3 912 922 ist eine Spurleseeinrichtung be­ kannt, bei der der abtastende Lichtstrahl möglichst genau auf der Schreibspur fokussiert werden soll. Die Vorrichtung sieht dazu vor, entweder die Lage des abzutastenden Werkstücks zu verändern, oder die Lage der Fokussierungsoptik zu beeinflus­ sen. Hierbei wird ein Detektor eingesetzt, bei dem das re­ flektierte Licht durch eine Blende auf einen lichtempfindli­ chen Sensor gelangt. Es sind zwei solcher Sensoren vorhanden, deren Signale der Steuerung der Lage des Schreibspurträgers oder der Lage der Fokussierungsoptik dienen. Eine Ermittlung von Brennpunktsabweichungen unter Heranziehung einer fokus­ sierenden Meßlinse findet nicht statt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß eine möglichst genaue Bestimmung des Abstands zwischen der Fokussierungsoptik einer Arbeitslichtquelle und dem zu bearbeitenen Werkstück ermöglicht wird, um dementspre­ chend den Bearbeitungsvorgang steuern zu können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Es ist zunächst von Bedeutung, daß der Meßstrahl unter Einbeziehung der Fokussierungsoptik auf das Werkstück fokus­ siert ist. Infolgedessen werden der Arbeitsstrahl und der Meßstrahl durch dieselbe Optik fokussiert. Eine besondere Ab­ stimmung einer separaten Optik zur Fokussierung des Meß­ strahls in Bezug auf die Fokussierungsoptik des Arbeitslasers entfällt. Des weiteren ist von Bedeutung, daß der Meßstrahl dem Arbeitsstrahl gleichachsig oder achsparallel angeordnet ist. Meßfehler durch Achswinkel entfallen bzw. es ist nicht erforderlich, zwischen Meßstrahl und Arbeitsstrahl vorhandene Achswinkel bei der Auswertung des Meßergebnisses zu berück­ sichtigen. Die Gleichachsigkeit zwischen Meßstrahl und Ar­ beitsstrahl hat den Vorteil, daß an der Bearbeitungsoptik keine weiteren Maßnahmen zur Ausrichtung des Meßstrahls in Bezug auf das Werkstück getroffen werden müssen. Bei Gleich­ achsigkeit von Meßstrahl und Arbeitsstrahl spielt darüber hi­ naus eine etwaige Neigung der Fokussierungsoptik des Arbeits­ lasers zur Oberfläche des Werkstücks bezüglich des Meßergeb­ nisses keine Rolle. Bei einem Messen mit dem Arbeitsstrahl parallelem Meßstrahl ist es zwar erforderlich, Maßnahmen zur Ausrichtung des Meßstrahls in Bezug auf das Werkstück zu treffen, es hat jedoch den Vorteil, daß außerhalb der Bear­ beitungsstelle des Arbeitsstrahls gemessen werden kann, was erforderlich ist, wenn die Reflexionseigenschaften der Bear­ beitungsstelle ungenügend sind, z. B. infolge der Ausbildung einer Dampfkapillaren an der Bearbeitungsstelle, oder wenn ein Abstand vor oder nach der Durchführung der Bearbeitung erfaßt werden muß, was asynchron zum Arbeitsstrahl gemacht werden kann.

Um die Sensorsignale des Detektors auszuwerten und damit den Abstand vom Werkstück zu bestimmen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise kann die Vorrichtung so ausge­ bildet sein, daß sie zur Bestimmung des Abstands der Fokus­ sierungsoptik von der Meßstelle des Werkstücks eine das re­ flektierte Licht durch eine Blende auf einen lichtempfind­ lichen Sensor fokussierende Meßlinse und einen von der Aus­ wertungseinheit beaufschlagbaren Blendenverstellantrieb zum Abgleich der Blendenposition auf maximales Sensorsignal auf­ weist. In diesem Fall ist die Verstellung der Blende ein Maß für die Abweichung des Fokus von der Oberfläche des Werk­ stücks und damit ein Maß für die entsprechende Abstands­ differenz, aus der der Abstand unter Berücksichtigung der Di­ mensionierung der Meßvorrichtung bestimmt werden kann.

In der Regel treten Abstandsänderungen in beiden Rich­ tungen senkrecht zum Werkstück auf. In diesem Fall ist es er­ forderlich, die Richtung einer Abstandsänderung zu kennen, um den Abstand ausgehend von der Dimensionierung der Meßvorrich­ tung zutreffend durch Addition oder Subtraktion der gemesse­ nen Abstandsänderung berechnen zu können. Daher ist die Vor­ richtung in diesem Fall so ausgebildet, daß sie zur Bestim­ mung des Abstands der Fokussierungsoptik von der Meßstelle des Werkstücks zwei jeweils von einem Strahlteiler mit re­ flektiertem Licht des Meßstrahls durch je eine Blende beauf­ schlagte Sensoren aufweist, wobei die Blende des einen Sen­ sors vor und die Blende des anderen Sensors hinter dem Brenn­ punkt (Brennweite f_L2) einer Meßlinse angeordnet ist, und wo­ bei die Differenz der Sensorsignale durch die Auswertungsein­ heit als Maß für den zu messenden Abstand und/oder die Rich­ tung der Abstandsänderung verwendbar ist.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Vorrichtung so ausgestaltet, daß der Meßstrahl zur Bestimmung des Abstands der Fokussierungsoptik von der Meßstelle des Werkstücks in Strahlungsrichtung sich ändernde, Abstände oder Abstandsände­ rungen des Werkstücks erfassen lassende Diverenzeigenschaften hat. Unterschiedliche Divergenzeigenschaften bedeuten, daß die Fokuslage in den Richtungen des Meßstrahls dementspre­ chend unterschiedlich ist. Dementsprechend ergeben sich für zwei oder mehr unterschiedliche Brennpunkte des Meßstrahls entsprechende zwei oder mehr Meßergebnisse, aus denen der Ab­ stand zum Werkstück berechnet werden kann. Dabei ist es nicht mehr erforderlich, eine mechanische Bewegung einer Blende der Meßvorrichtung durchzuführen, so daß sich die Meßvorrichtung dementsprechend vereinfacht.

Die vorgenannte Meßvorrichtung ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß der Meßstrahl einen vertikal zur Werkstücko­ berfläche periodisch schwingenden Brennpunkt hat, daß eine vor dem Sensor ortsfest angeordnete Blende vorhanden ist, und daß zur Bestimmung des Abstandes durch die Auswertungseinheit eine Zeitdifferenz zwischen einem Sensorkennwert und der Brennpunktlage vorgesehen ist. Die Brennpunktänderungen erge­ ben der periodischen Schwingung entsprechend schwingende Sig­ nale des Sensors von denen beispielsweise der Maximalwert als Sensorkennwert in Bezug auf die Brennpunktlage genommen wer­ den kann, um dementsprechend den Abstand zu bestimmen. Voraussetzung ist bei dieser Meßvorrichtung eine Einrichtung zur periodischen Brenn­ punktsänderung. Das kann in einfacher Weise mit periodisch schwingenden Fokussierelementen erreicht werden, aber auch durch feststehende, unterschiedlich vorfokussierende Strahlen­ bahnen, denen der Meßstrahl durch rotierende Elemente zugeführt wird, beispielsweise durch Lochblenden.

Wenn erreicht werden soll, daß der Meßstrahl ohne jegliche bewegliche Elemente unterschiedliche Divergenzeigenschaften aufweisen soll, wird die Vorrichtung so ausgebildet, daß der Meßstrahl ein Lichtstrahl mit vorbestimmt unterschiedlichen Wellenlängenanteilen und/oder Modulationsfrequenzanteilen ist, und daß die Auswertungseinheit aus den vom Sensor ermittelten Signalen unter deren Zuordnung zu den Wellenlängen oder den Mo­ dulationsfrequenzen das Abstandssignal ermittelt. Die Wellen­ längenanteile werden beispielsweise durch mehrere Lichtquellen und/oder durch Einschaltung von Filter in parallele Strahlen­ gänge erzeugt. Unterschiedliche Modulationsfrequenzanteile des Meßstrahls lassen sich auf elektrischem Wege vorbestimmen, so daß auch auf diesem Wege eine Vereinfachung des mechanischen Aufbaus der Meßvorrichtung erreichen läßt.

Zweckmäßigerweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß der Arbeitslaser gepulst betrieben wird, und daß der Meßstrahl zumindest in den Impulspausen des Arbeitsstrahls vorhanden ist. Die Verwendung des Meßstrahls in den Impulspausen gewährlei­ stet, daß der Arbeitsstrahl bzw. dessen Reflexionslicht die Messung nicht stört. Sofern eine solche Störung nicht zu be­ fürchten ist, z. B. weil der Meßstrahl eine andere Wellenlänge hat, oder weil der Meßstrahl andere, der Abstandsmessung die­ nende, vom Arbeitsstrahl nicht störbare Kriterien aufweist, kann der Meßstrahl auch während der Bearbeitung des Werkstücks zur Abstandsmessung benutzt werden.

Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß der Meßstrahl je Impulspause des Arbeitsstrahls mindestens einen entsprechend synchronisierten Meßimpuls aufweist und/oder daß der lichtempfindliche Sensor in den Impulspausen des Ar­ beitsstrahls zum Messen ansteuerbar ist. Die Synchronisation zwischen dem Arbeitsstrahl und dem Meßstrahl bzw. deren Impul­ sen bewirkt, daß die Messung so schnell wie möglich durchge­ führt wird und die zur Messung erforderliche Zeit zwischen zwei Impulsen des Arbeitsstrahls so gering wie möglich sein kann. Sofern der Meßstrahl dauernd vorhanden ist, also sowohl während der Arbeitsimpulse des Arbeitsstrahls, als auch in den Impul­ spausen, ist es zweckmäßig, daß der lichtempfindliche Sensor in den Impulspausen des Arbeitsstrahls angesteuert wird, damit nur dann gemessen wird. Durch die Ansteuerung kann auch die Meßzeit und/oder die Anzahl der Meßvorgänge während der Impulspausen des Arbeitsstrahls bestimmt werden.

Wenn der Meßstrahl einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist, wird dadurch eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Meßvorrichtung erreicht. Infolge des kreisringförmigen Quer­ schnitts des Meßstrahls ist der zentrale Bereich lichtfrei. Wenn dann der Kreisring so schmal wie möglich gehalten wird, fällt der Meßstrahl zur Gänze durch die Blende auf den Sensor, oder er wird durch entsprechende Strahlaufweitung entsprechend seiner geringen radialen Dimensionierung schnell vollständig ausgeblendet. Eine zentrale Lichtintensität, die eine vollstän­ dige Ausblendung durch die Blende verhindern würde, stört beim Meßvorgang nicht. Es ist auch möglich, einen Kreisringquer­ schnitt aufweisendes Reflexionslicht direkt zur Abstandsbestim­ mung zu verwenden, indem seine geometrischen Eigenschaften bei­ spielsweise mit einem sogenannten CCD-Array erfaßt werden. In diesem Fall kann eine Blende entfallen. Eine solche Anordnung kann auch bei einem vollkreisförmigen Meßstrahl verwendet wer­ den, durch die der Außendurchmesser als Kriterium für die Ab­ standsbestimmung erfaßt werden muß. Allgemein gilt, daß durch Intensitätsverteilungsmessungen und/oder Messungen der Radial­ erstreckungen des Strahlflecks Informationen über den Abstand gewonnen werden können.

Die Vorrichtung ist nicht darauf beschränkt, mit nur einem einzigen Meßstrahl arbeiten zu müssen. Vielmehr kann es vor­ teilhaft sein, wenn die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß dem Meßstrahl weitere Meßstrahlen achsparallel angeordnet sind und deren reflektiertes Licht jeweils für eine separate Abstands­ messung verwendet ist. Infolge der achsparallelen Anordnung mehrerer Meßstrahlen wird die Oberfläche des Werkstücks an meh­ reren Meßpunkten vermessen. Aus den mehreren Abstandsmeßwerten kann zum einen die Form der Oberfläche näherungsweise erfaßt werden, um dementsprechend Steuerungen des Bearbeitungsvorgangs vorzunehmen, beispielsweise eine Unterbrechung des Bearbei­ tungsvorganges, wenn sich kein definierter Abstandswert mehr ermitteln läßt, weil das Werkstück z. B. durchgeschnitten ist. Die ermittelten Abstandswerte können aber auch für komplizier­ tere Aufgaben eingesetzt werden, wie eine Steuerung der Aus­ richtung der Fokussieroptik zu einer Werkstückoberfläche. Bei­ spielsweise kann die Fokussieroptik und damit der Arbeitsstrahl in einem bestimmten Winkel und in einer bestimmten Richtung ge­ neigt zum Werkstück gehalten werden oder auch beispielsweise stets senkrecht zu einer gewölbten Fläche des Werkstücks. Vor­ teilhafterweise werden zur Erzeugung mehrerer achsparalleler Meßstrahlen interferometrische Systeme eingesetzt, wie Strahl­ teiler oder Beugungsgitter, welche dafür sorgen, daß alle Meß­ strahlen exakt dieselben Meßeigenschaften haben, also bei­ spielsweise dieselben Divergenzeigenschaften.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell­ ter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fokussierein­ richtung eines Lasers mit einer damit zusammen­ wirkenden Meßvorrichtung in Seitenansicht,

Fig. 2a bis 2c in drei schematischen Detailzeichnungen Dar­ stellungen zur Erläuterung der Ermittlung eines Ab­ standswertes unter Verwendung einer nachführbaren Blende,

Fig. 3a bis c in drei Detaildarstellungen schematische Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels der Meßvorrichtung mit zwei Sensoren,

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der zeitlichen Relationen zwischen einem Arbeitsstrahl und einem Meßstrahl,

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Meßvorrichtung mit unterschiedlichen Divergenz­ eigenschaften seines Meßstrahls,

Fig. 6 eine im Zusammenhang mit Fig. 5 zu sehende Darstel­ lung zur Erläuterung eines zeitlichen Zusammenhangs zwischen einem Sensorsignal und einem schwingenden Divergenzwinkel bzw. Brennpunkt,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Meßvorrichtung mit statischen Elementen für die Abstandsmessung mit Strahlen unterschiedlicher Divergenzeigenschaften, und

Fig. 8 die Einbindung einer als Tiefenmeßsystem ausgebilde­ ten Vorrichtung in eine Prozeßregelung bei der Bearbeitung eines Werkstücks durch Abtragen mit Laserstrahlung.

Gemäß Fig. 1 wird das Werkstück 10, nämlich ein Werkstück, mit einem Arbeitsstrahl 19 eines nicht dargestellten Lasers be­ strahlt. Der Arbeitsstrahl 19 wird durch einen partiellen Re­ flektor 22 vertikal zur Oberfläche des Werkstücks 10 ausgerich­ tet und durch die Fokussierungsoptik 18, nämlich eine Bearbei­ tungslinse 1 so fokussiert, daß sie an der Oberfläche des Werk­ stücks in üblicher Weise punktförmig konzentriert ist, um eine hohe Intensität zu erreichen. Die Ausrichtungsachse 23 ist ver­ tikal angeordnet.

Die Meßvorrichtung besteht aus einer nicht näher darge­ stellten optischen Einrichtung, beispielsweise einem nicht dar­ gestellten Meßlaser, dessen Meßstrahl 11 mit einem teiltrans­ mittierenden Spiegel 24 entsprechend der Ausrichtungsachse 23 vertikal auf die Oberfläche des Werkstücks 10 ausgerichtet ist. Der Meßstrahl 11 wird mit Hilfe der Bearbeitungslinse 1 eben­ falls so fokussiert, daß er auf der Oberfläche des Werkstücks 10 den gewünschten kleinen Meßlichtfleck bildet. Das Werkstück 10 bzw. das Werkstück reflektiert vom Meßstrahl 11 herrührendes Licht 13 durch die Bearbeitungslinse 1, den Reflektor 22 und den Spiegel 24 hindurch auf eine Meßlinse 2, welche reflektier­ tes Licht 13 des Meßstrahls 11 in ein Loch 14' einer Blende 14 fokussiert. Hinter dem Loch 14' ist ein Sensor 15 angeordnet, der gemeinsam mit der Blende 14 und der Meßlinse 2 einen Detek­ tor 25 bildet. Der Sensor 15 dieses Detektors 25 kann den Meß­ anforderungen entsprechend ausgebildet sein. Beispielsweise ist es möglich, den Sensor 15 als einzelne Fotodiode auszubilden, wenn es darauf ankommt, das Sensorsignal auf ein Maximum ab­ zugleichen. Es ist aber auch möglich, Zeilen- oder Flächensen­ soren ohne die Verwendung einer Blende einzusetzen, wenn es darauf ankommt, aus einer radialen Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts Kennwerte für Abstände oder Abstandsände­ rungen zu gewinnen.

In Fig. 2a bis 2c wird auf das Prinzip näher eingegangen, nach dem die Abstände oder Abstandsänderungen durch Ermitteln der Brennpunktsabweichung von der Oberfläche des Werkstücks be­ stimmt werden. Gemäß der Darstellung der Fig. 2a ist das Werk­ stück 10 entsprechend der Brennweite f_L1 von der Hauptebene der Linse 1 angeordnet. Die Linse 1 fokussiert also den z. B. durch einen HeNe-Laser erzeugten Meßstrahl 11 korrekt auf das Werk­ stück 10. Dessen Abstand von der Linse 1 bzw. deren Hauptebene ist exakt A = f_L1. Unter dieser Voraussetzung wird das vom Werk­ stück 10 reflektierte Licht 13 durch die Meßlinse 2 so fokus­ siert, daß der Brennpunkt genau im Loch der Blende 14 liegt. Dementsprechend hat der Sensor ein maximales Sensorsignal, da sämtliches reflektiertes Licht 13 auf den Sensor 15 fällt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2b ist das Werkstück 10 näher an der Hauptebene der Linse 1 angeordnet, als in Fig. 2a. Die Meßstelle 12 des Werkstücks 10 reflektiert Licht 13 infolgedes­ sen derart divergent, daß sich ein im Vergleich zur Fig. 2a auf­ weitender Strahl dieses reflektierten Lichts 13 ergibt. Die Meßlinse 2 fokussiert dieses Licht 13 infolgedessen näher an den Sensor 15, und zwar mit einem Unterschiedsbetrag Δa_B. Die­ ser Betrag Δa_B ist ein Maß für diejenige Abstandsdifferenz Δ_a0, um die das Werkstück 10 der Hauptebene der Laser 1 näher ist. Dementsprechend ist der Abstand A = f_L1 - Δa₀ ~ f_L2 - Δa_B. Die meßtechnische Ermittlung des Differenzabstands Δa_B erfolgt durch Abgleich des Sensorsignals des Sensors 15 auf ein Maxi­ mum, wozu die Blende 14 so verstellt wird, daß sie relativ zum Brennpunkt des Lichts 13 dieselbe Lage hat, wie in Fig. 2a.

Ähnliches gilt für den Fall, daß das Werkstück 10 von der Hauptebene der Linse 1 einen größeren Abstand aufweist, als in der Darstellung der Fig. 2a. Infolge des größeren Abstandes des Werkstücks 10 von der Hauptebene der Linse 1 ergibt sich eine Reflexion des Lichts 13 mit gegenüber der Fig. 2a geringerer Di­ vergenz, so daß die Meßlinse 2 eine Fokussierung mit ver­ gleichsweise dieser naheliegendem Brennpunkt vornimmt, wodurch das Sensorsignal des Sensors 15 ein Maximum aufweist, wenn die Blende 14 in der aus der Fig. 2c ersichtlichen Lage ist, in der sie um den Betrag Δa_B von der 0-Lage gemäß Fig. 2a abweicht. Es gilt: A = f_L1 + Δa₀ ~ f_L2 + Δa_B.

Die rechnerische Auswertung kann in jedem Fall durch eine hier nicht dargestellte Auswertungseinheit erfolgen, die die durch einen nicht dargestellten Blendenverstellantrieb beim Ab­ gleich des Sensorsignals des Sensors 15 auf ein Maximum er­ folgte Blendenverstellung Δa_B der Blende 14 unter Beachtung der Richtung der Abstandsänderung berechnet. Der Blendenverstellan­ trieb ist beispielsweise ein an sich bekannter Tauchspulenan­ trieb, der eine massearme Blende 14 so schnell verstellen kann, daß ausreichende Taktraten beim Messen erreichbar sind, z. B. in der Größenordnung von 1 kHz.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung, bei der zur Bestimmung des Abstands A und/oder einer Abstandsänderung eine mechanische Blendenverstellung nicht erforderlich ist. Diese Meßvorrichtung entspricht im wesentlichen derjenigen der Fig. 2 und ist ledig­ lich im Bereich des Detektors 25 anders ausgebildet. Es sind also außer dem Werkstück bzw. Werkstück 10 eine den Meßstrahl 11 fokussierende Linse 1 im Abstand von f_L1 zum Werkstück vor­ handen, wie ein teiltransmittierender Spiegel 24, der reflek­ tiertes Licht 13 zu der Meßlinse 2 gelangen läßt, welche dieses Licht fokussiert. Der fokussierte Strahl 13' wird zwei Sensoren 15, 15' zugeführt, indem ein teiltransmittierender Spiegel 26 od. dgl. als Strahlteiler eingesetzt wird. Den Sensoren 15,15' sind Blenden 14, 14 ' zugeordnet, wobei die Blende 14 zwischen dem Brennpunkt f_L2 und dem Sensor 15 angeordnet ist, während die Blende 14' zwischen dem Brennpunkt f_L2 und der Meßlinse 2 ange­ ordnet ist. Die Blenden 14, 14' sind jeweils mit einem Abstand Δs angeordnet. Da beide Blenden 14, 14' dieselbe Lochweite ha­ ben, blenden sie infolge ihrer Anordnung näher am Sensor 15 bzw. weiter vom Sensor 15' entfernt entsprechend unterschied­ lich ab. Das wird anhand der Darstellungen der Fig. 3b, c näher erläutert. Gemäß Fig. 3b ist das Werkstück 10 um den Betrag Δa₀ weiter als die Brennweite f_L1 von der Hauptebene der Linse 1 entfernt. Die Reflexion des Lichts 13 erfolgt also ähnlich der Darstellung in Fig. 2c mit geringerer Divergenz, als in Fig. 3a. Dementsprechend ergibt sich eine nahe an der Linse 2 gelegene Fokussierung, wodurch die Blende 14 mehr Licht vom Sensor 15 abblendet, als die näher an der Linse 2 gelegene Blende 14'. Infolgedessen gilt U₁₅ < U_15'.

Im Fall der Fig. 3c ist es umgekehrt. Das Werkstück 10 liegt um den Differenzabstand Δa₀ näher an der Hauptebene der Linse 1, so daß das reflektierte Licht 13 von der Meßlinse 2 mit vergleichsweise weit entfernt liegendem Brennpunkt gebün­ delt wird. Daher deckt nunmehr die Blende 14' mehr Licht ab, als die Blende 14, so daß für die Sensorsignale 15, 15 ' gilt: U₁₅ < U_15'. Die Sensorsignale U₁₅, U_15' bilden infolge der ungeän­ derten geometrischen Anordnung der Bauteile der Meßvorrichtung Maße für den Abstand des Werkstücks 10, wobei durch Differenz­ bildung der Sensorsignale auch die Richtung der Abstandsände­ rung Δa₀ bestimmt werden kann, also ob das Werkstück näher oder weiter entfernt zur Hauptebene der Linse 1 liegt, als es der durch f_L1 bestimmten Brennpunktslage entspricht.

In Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf der Laserpulse eines Arbeitslasers und der zeitliche Verlauf der Laserpulse eines Meßlasers dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der Arbeitslaser Laserstrahlimpulse 28 mit der Zeitdauer ta erzeugt, wobei aus 27 ersichtlicht ist, daß die Zeitdauer ta willkürlich bestimm­ bar ist. Zwischen den Arbeitsimpulsen 28 ergeben sich Impuls­ pausen 20. In Fig. 4 ist unter A dargestellt, daß kurze Laserim­ pulse als Meßimpulse 21 verwendet werden können. Mehrere Meßim­ pulse können für mehrere Messungen zwischen zwei Arbeitspulsen eingesetzt werden, oder für mehrere iterative Meßvorgänge zur Ermittlung eines einzigen Abstandswertes. Das setzt eine ent­ sprechende Synchronisation voraus, also ein Einschalten der Me­ ßimpulse 21 in Abhängigkeit von einem vorausgehenden Arbeitsim­ puls 28 und einem nachfolgenden Arbeitsimpuls 28'. Eine ent­ sprechende Synchronisation muß erfolgen, wenn statt eines Kurz­ laserimpulses 21 gemäß der Darstellung der Fig. 4 unter B ein langer Laserpuls des Meßlasers verwendet wird. In Fig. 4 soll die Linie 29 unter der Darstellung C andeuten, daß es auch mög­ lich ist, einen Meßlaser im Dauerstrich zu betreiben bzw. einen gepulsten Meßlaser ohne Synchronisation zum Arbeitslaser. Dann ist es für den Fall der Störmöglichkeit des Meßergebnisses durch reflektiertes Licht des Arbeitslasers sinnvoll, wenn der Sensor 15 bzw. 15' nur in den Impulspausen 20 des Arbeits­ strahls 19 angesteuert wird, um unerwünschte Einflußnahme auf das Meßergebnis auszuschalten.

In Fig. 5 wird erläutert, daß eine Messung eines Abstands oder einer Abstandsänderung des Werkstücks auch mit einem De­ tektor 25 durchgeführt werden kann, der auf reflektiertes Licht 13 eines Meßstrahls 11 reagiert, welcher in Strahlungsrichtung sich ändernde Divergenzeigenschaften hat. Zum Vergleich kann wieder die Fig. 1 herangezogen werden. Die dort wie auch in Fig. 5 dargestellten Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Meßstrahl 11 wird durch den teildurchlässigen Spiegel 24 in Richtung der Achse 23 auf das hier nicht darge­ stellte Werkstück gestrahlt.

Der Meßstrahl 11 besitzt unterschiedliche Divergenzwinkel. Divergenzwinkel 0 bedeutet strahlparallelen Verlauf des Meß­ strahls 11 bis zur Linse 1. Das ist mit ausgezogenen Strichen dargestellt und demgemäß fokussiert die Linse 1 den Meßstrahl mit der Brennweite f_L1. Wenn der Divergenzwinkel positiv ist, der Meßstrahl 11 sich also in seinem Verlauf aufweitet, fokus­ siert die Linse 1 diesen Meßstrahl entsprechend der gestrichel­ ten Darstellung in einen Brennpunkt h2, der von der Hauptebene der Linse 1 weiter entfernt ist, als f_L1. Entsprechend fokus­ siert die Linse 1 bei negativem Divergenzwinkel, für den der Strahlverlauf mit einer -+-Linie dargestellt ist, in einen Brennpunkt h1, der näher an der Hauptebene der Fokussierlinse 1 liegt, als es dem Brennpunkt f_L1 entspricht. Dementsprechend än­ dert sich die Reflexion des Lichts 13 bei ungeänderter Anord­ nung des Objekts 10. Mit Hilfe des Sensors 15 werden also je nach Divergenzwinkel unterschiedliche Sensorsignale erzeugt. Aus diesen kann der Abstand A des Werkstücks 10 nach einer Ei­ chung der Meßvorrichtung bestimmt werden, weil die Änderung des Divergenzwinkels bekannt ist. Dementsprechend kann nicht nur der Abstand A gemessen werden, sondern es können auch Ab­ standsänderungen und deren Richtungen festgestellt werden. Das gilt grundsätzlich, unabhängig davon, wodurch die Divergenz des Meßstrahls 11 erzeugt wird.

In Fig. 5 ist rechts unten noch dargestellt, daß der Diver­ genzwinkel schwingen kann. Die Schwingungsamplitude B bewegt sich also um f_L1 zwischen den hier angenommenen Grenzwerten h₁, h₂, die gemäß der Darstellung B(t) zu den angegebenen Zeiten t₀, t₁, t₂ erreicht werden. Diese Schwingung des Brennpunkts bzw. des Divergenzwinkels ist in Fig. 6 oben vergrößert dargestellt worden.

Darunter befindet sich eine Darstellung der zeitlichen Ab­ hängigkeit des Sensorsignals des Sensors 15 von der Zeit t für den Fall, daß das Werkstück die Höhenlage h₁ als Abstand von der Hauptebene der Fokussierlinse 1 hat. In diesem Fall ist das Sensorsignal maximal, wenn der Meßstrahl 11 die Fokuslage h₁ hat. Bei anderen Fokuslagen verkleinert sich das Sensorsignal, weil das reflektierte Licht 13 radial weiter streut, so daß der Sensor 15 nicht mit der in diesem Fall größtmöglichen Licht­ menge beleuchtet wird. Das Maximum 15 _s des Sensorssignals ist also ein Kennwert, der auf die Brennpunktlage gemäß Fig. 6, oberste Darstellung, in Bezug genommen werden kann. Fig. 6 zeigt hierfür die Zeitdifferenz Δt₁ zwischen dem Maximum 15 _s des Sen­ sorsignals und einem Maximum D_m(t).

In Fig. 6 unten ist der Verlauf des Sensorsignals in Abhän­ gigkeit von der Zeit t für den Fall dargestellt, daß das Werk­ stück 10 einen Abstand h₂ von der Hauptebene der Fokussierlinse 1 hat. das Maximum 15 _s des Sensorsignals ist in Bezug auf den Verlauf des Divergenzwinkels phasenverschoben, so daß sich auch eine größere Zeitdifferenz ergibt, nämlich Δt₂. Diese Zeitdif­ ferenz ist also ein Maß für den Abstand A des Werkstücks von der Hauptebene der Fokussierlinse 1.

Die Strahldivergenz kann gemäß Fig. 7 auch mit anderen Mit­ teln kombiniert werden, beispielsweise durch Lichtstrahlung un­ terschiedlicher Farbe mehrerer Laser und/oder durch mit unter­ schiedlichen Frequenzen moduliertem Licht mehrerer Laser. Fig. 7 zeigt zu diesem Zweck Laserstrahlung A mit Divergenzwinkel 0, Laserstrahlung B mit Divergenzwinkel < 0 und Laserstrahlung C mit Divergenzwinkel < 0. Der aus diesen Strahlungsanteilen ge­ bildete Meßstrahl 11 wird mit dem Spiegel 24 gemäß der Achse 23 durch die Fokussierlinse 1 so fokussiert, daß sich für die Strahlenanteile A, B, C die dargestellten Brennpunkte ergeben. Dementsprechend können, wie zu Fig. 5 bezüglich der unterschied­ lichen Divergenzwinkel dargelegt wurde, die entsprechend den unterschiedlichen Meßstrahlanteilen mit unterschiedlichen Brennpunkten bzw. Divergenzen zu dem gemäß Fig. 5 ausgebildeten Detektor 25 gelangen. Dieser liefert entsprechend den Anteilen mit unterschiedlicher Divergenz am reflektierten Licht 13 un­ terschiedliche Sensorsignale, die von der Auswertungseinheit 17 zur Bestimmung des Abstands A des nicht dargestellten Werk­ stücks benutzt werden können.

Die in Fig. 8 dargestellte Einbindung einer Abstandsmessung in ein Verfahren zum Abtragen von Werkstoff mit einem Laser­ strahl erfolgt so, daß die Meßvorrichtung als Tiefenmeßsystem 29 mit dem Abstand A die Ist-Tiefe liefert, die dem Prozeßreg­ ler 30 zugeführt wird. Der Prozeßregler 30 bildet bzw. berech­ net unter Verwendung einer von einer Maschinensteuerung 33 zur Verfügung gestellten Soll-Tiefe 31 eine Stellgröße, mit der eine Bearbeitungsanlage 32 beeinflußt wird, also beispielsweise ein Prozeßparameter eines Lasers. Dadurch wird erreicht, daß vom Werkstück bzw. Objekt 10 weiterhin Werkstoff im gewünschten Sinne mit Laserstrahlung abgetragen wird, oder daß die Abtra­ gung unterbrochen wird, wenn die Ist-Tiefe A gleich der Soll- Tiefe 31 ist.

Mit den erfindungsgemäßen Meßvorrichtungen ist es möglich, Autofokussysteme für alle Laserbearbeitungsverfahren zu reali­ sieren. Auch die Regelung des Düsenabstandes beim Laserstrahl­ schneiden und beim -Abtragen. Die Anwendungen sind nicht auf eindimensionale Aufgaben beschränkt, sondern es können auch die Lagen von Flächen im Raum erfaßt werden, wie die zu bearbei­ tende und die bearbeitete Werkstückoberfläche.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken (10)

• 1. mit einem Laserarbeitsstrahl (19) und einer Optik (18), die den Laserarbeitsstrahl (19) in einem definier­ ten Abstand von der Optik (18) fokussiert
• 2. mit einem Meßstrahl (11), der unter Einbeziehung der Optik (18) auf die Oberfläche des Werkstücks (10) ge­ richtet ist, wobei die Strahlengänge des Laserarbeits­ strahls (19) und des Meßstrahls (11) bezüglich der Optik (18) gleichachsig angeordnet sind
• 3. mit einem Detektor (25) zum Erfassen des von der Werk­ stückoberfläche in die Optik (18) reflektierten Lichts, aus dessen Signalen die Lage der Oberfläche des Werk­ stücks (10) mit einer Auswertungseinheit (17) ermittelt wird und
• 4. mit einer Einrichtung zur definierten Nachführung des Fokus des Arbeitslaserstrahls (19) bezüglich der Ober­ fläche des Werkstücks (10), dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Abtragsbearbeitung des Werkstücks (10) aus den Meßwerten des Detektors (25) die Abstände der Fokus­ sierungsoptik (18) von der Meßstelle auf dem Werkstück (10) als Ist-Tiefenwerte (A) ermittelt und
• 5. einem Prozeßregler (30) zugeführt werden, der diese Abstände (A) laufend mit den Werten für die Soll-Tiefe (31) vergleicht, die von einer Maschinensteuerung (33) zur Verfügung gestellt werden und der daraus die jewei­ lige Stellgröße für die Bearbeitungsanlage (32) berech­ net.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Bestimmung der Abstände (A) der Fokussie­ rungsoptik von der Meßstelle auf dem Werkstück (10) eine das reflektierte Licht (13) durch eine Blende (14) auf einen lichtempfindlichen Sensor (15) fokussierende Meß­ linse (2) und einen von der Auswertungseinheit (17) be­ aufschlagbaren Blendenverstellantrieb zum Abgleich der Blendenposition auf maximales Sensorsignal aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Bestimmung der Abstände (A) der Fokussie­ rungsoptik von der Meßstelle auf dem Werkstück (10) zwei jeweils von einem Strahlteiler (26) mit reflektiertem Licht (13) des Meßstrahls (11) durch je eine Blende (14, 14') beaufschlagte Sensoren (15, 15') aufweist, wobei die Blende (14) des einen Sensors (15) vor und die Blen­ de (14') des anderen Sensors (15') hinter dem Brennpunkt (Brennweite f_L2) einer Meßlinse (2) angeordnet ist, und wobei die Differenz der Sensorsignale (U₁₅; U_15') durch die Auswertungseinheit als Maß für die zu messenden Ab­ stände (A) und/oder die Richtung der Abstandsänderung (Δa) verwendbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (11) zur Bestimmung der Abstände (A) der Fokussierungsoptik von der Meßstelle auf dem Werk­ stück (10) in Strahlungsrichtung sich ändernde, Abstände oder Abstandsänderungen des Werkstücks (10) erfassen lassende Diverenzeigenschaften hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (11) einen vertikal zur Werkstückober­ fläche periodisch schwingenden Brennpunkt (f_s) hat, daß eine vor dem Sensor (15) ortsfest angeordnete Blende (14) vorhanden ist, und daß zur Bestimmung der Abstände (A) durch die Auswertungseinheit (17) eine Zeitdifferenz (Δt) zwischen einem Sensorkennwert und der Brennpunktla­ ge vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (11) ein Lichtstrahl mit vorbestimmt unterschiedlichen Wellenlängenanteilen und/oder Modula­ tionsfrequenzanteilen ist, und daß die Auswertungsein­ heit (17) aus den vom Sensor (15) ermittelten Signalen unter deren Zuordnung zu den Wellenlängen oder den Modu­ lationsfrequenzen die Abstandssignale ermittelt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitslaser gepulst betrieben wird, und daß der Meßstrahl (11) zumindest in den Im­ pulspausen (20) des Arbeitsstrahls (19) vorhanden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (11) je Impulspause (20) des Arbeits­ strahls (19) mindestens einen entsprechend synchroni­ sierten Meßimpuls (21) aufweist und/oder daß der licht­ empfindliche Sensor (15) in den Impulspausen (20) des Arbeitsstrahls (19) zum Messen ansteuerbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (11) einen kreis­ ringförmigen Querschnitt aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßstrahl (11) weitere Meß­ strahlen achsparallel angeordnet sind und deren reflek­ tiertes Licht jeweils für separate Abstandsmessungen verwendet ist.