[go: up one dir, main page]

JP7623718B2 - Method and apparatus for controlled machining of a workpiece by confocal distance measurement - Patents.com - Google Patents

Method and apparatus for controlled machining of a workpiece by confocal distance measurement - Patents.com Download PDF

Info

Publication number
JP7623718B2
JP7623718B2 JP2022541875A JP2022541875A JP7623718B2 JP 7623718 B2 JP7623718 B2 JP 7623718B2 JP 2022541875 A JP2022541875 A JP 2022541875A JP 2022541875 A JP2022541875 A JP 2022541875A JP 7623718 B2 JP7623718 B2 JP 7623718B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
focal length
distance
workpiece
measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022541875A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2023509081A (en
Inventor
デイツ,クリストフ
ローマン,フィーリップ
Original Assignee
プレシテック オプトロニク ゲーエムベーハー
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by プレシテック オプトロニク ゲーエムベーハー filed Critical プレシテック オプトロニク ゲーエムベーハー
Publication of JP2023509081A publication Critical patent/JP2023509081A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7623718B2 publication Critical patent/JP7623718B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046Automatically focusing the laser beam
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/50Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

本開示は、ワークピースのレーザー加工のための方法及び装置に関する。特に、本開示は、ワークピースの正確なレーザー加工のために、機械加工されるワークピースの位置を制御しながらワークピースをレーザー加工する方法に関する。 The present disclosure relates to methods and apparatus for laser machining of a workpiece. In particular, the present disclosure relates to a method for laser machining a workpiece while controlling the position of the workpiece being machined for precise laser machining of the workpiece.

レーザー光線又はレーザー光線によってワークピースを機械加工する方法が知られている。また、そのような方法を実施するための装置も知られている。レーザー光線でワークピースを正確に機械加工するためには、ワークピースの正確な位置決め又は対応するレーザー加工装置の正確な調整が必要であり、これは既知の方法及び既知の装置では、限られた程度でのみ可能である。 Laser beams or methods for machining a workpiece with a laser beam are known. Also known are devices for carrying out such methods. In order to accurately machine a workpiece with a laser beam, an accurate positioning of the workpiece or an accurate adjustment of a corresponding laser processing device is required, which is only possible to a limited extent with the known methods and known devices.

本開示の実施形態の1つの目的は、ワークピースの制御されたレーザー加工のための改良された方法及び改良された装置を提供することであり、それは高い機械加工精度及び装置の簡単な設計によって特徴付けられる。 One object of an embodiment of the present disclosure is to provide an improved method and an improved apparatus for controlled laser processing of a workpiece, which is characterized by high machining accuracy and a simple design of the apparatus.

第1の態様によれば、この目的を達成するために、ワークピースの制御された機械加工のための方法が提供される。この方法は、レーザー標的用光学系によって、レーザー光線又は機械加工用光線を集束させて、機械加工されるワークピースの標的位置にレーザーの焦点を生成することを含む。特に、レーザー光線の発生には、YAGレーザーやファイバーレーザーなどの近赤外スペクトル領域で発光する固体レーザーや、COレーザーなどのガスレーザーを用いることができる。 According to a first aspect, to achieve this object, a method for controlled machining of a workpiece is provided, which method comprises focusing a laser beam or machining beam by means of laser targeting optics to generate a laser focus at a target location of the workpiece to be machined. In particular, the generation of the laser beam can be achieved by solid-state lasers emitting in the near infrared spectral range, such as YAG lasers or fiber lasers, or gas lasers, such as CO2 lasers.

レーザー標的用光学系は、特に集束及びアライメント光学系として構成されてもよく、これによりレーザー光線の標的とされたアライメントや集束を行うことができる。レーザー標的用光学系は、特に、レーザー光線スキャナとして、特にガルバノスキャナとして構成されてもよく、それによればレーザー光線のアライメントは、電気的に制御可能なミラーを用いて実施されてもよい。 The laser targeting optics may in particular be configured as focusing and alignment optics, by means of which targeted alignment and focusing of the laser beam can be performed. The laser targeting optics may in particular be configured as a laser beam scanner, in particular as a galvanometer scanner, by means of which alignment of the laser beam can be performed by means of electrically controllable mirrors.

本発明の方法は、機械加工されるワークピースの標的位置と、レーザー標的用光学系、又はレーザー標的用光学系の固定基準点又は基準面との間の距離を決定するために、光学距離測定装置又は光学センサによって距離測定データを取得することを含む。 The method of the present invention includes obtaining distance measurement data by an optical distance measuring device or optical sensor to determine the distance between a target location on the workpiece being machined and the laser targeting optics or a fixed reference point or surface of the laser targeting optics.

本発明の方法は、機械加工されるワークピースの標的位置を、集束されたレーザー光線で機械加工することを更に含む。機械加工は、特に、レーザー溶接、レーザー切断及び/又は他のレーザー加工を含んでもよい。 The method of the present invention further includes machining the target location of the workpiece to be machined with a focused laser beam. The machining may include laser welding, laser cutting, and/or other laser processes, among others.

本発明の方法によれば、距離測定装置は、可変焦点距離光学系又は可変焦点距離測定光光学系を備えた光学共焦点距離測定装置として構成され、その方法は、可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を経時的に変動させて、可変焦点距離測定光光学系の異なる複数の焦点距離の値で距離測定データを取得することを含む。 According to the method of the present invention, the distance measurement device is configured as an optical confocal distance measurement device equipped with a variable focal length optical system or a variable focal length measurement optical system, and the method includes varying the focal length of the variable focal length measurement optical system over time to obtain distance measurement data at multiple different focal length values of the variable focal length measurement optical system.

可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を経時的に変動させることによって、可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を、所望の測定範囲を定めるような最小焦点距離と最大焦点距離との間で変動させてもよい。特に、焦点距離が大きい又は開口数が小さいレーザー加工装置の場合でさえ、レーザー標的用光学系と機械加工されるワークピースの標的位置との間の距離が光学共焦点センサで正確に決定され得るようにして、測定範囲が規定又は固定されることができる。測定した距離データを用いて、制御された精密な方法でワークピースを機械加工することができる。 By varying the focal length of the variable focal length measuring light optics over time, the focal length of the variable focal length measuring light optics may be varied between a minimum focal length and a maximum focal length that defines a desired measurement range. In particular, even in the case of laser processing machines with large focal lengths or small numerical apertures, the measurement range can be defined or fixed such that the distance between the laser targeting optics and the target location of the workpiece being machined can be accurately determined with an optical confocal sensor. The measured distance data can be used to machine the workpiece in a controlled and precise manner.

可変焦点距離測定光光学系はまた、光分散がないか又はごく僅かである光学素子で距離測定を行うことを可能にするので、レーザー光線誘導用に設けられた光学素子、特に光分散がないか又はごく僅かであるレーザー光線誘導用に設けられた光学素子をまた、測定光の光線誘導のためにも使用することができる。 Since the variable focal length measuring light optical system also makes it possible to carry out distance measurements with optical elements that have no or very little light dispersion, optical elements provided for laser beam guidance, in particular optical elements provided for laser beam guidance that have no or very little light dispersion, can also be used for beam guidance of the measuring light.

本発明の方法は、取得された距離測定データに基づいて、レーザーの焦点に対して機械加工されるワークピースを配置することを含むこともできる。機械加工されるワークピースを配置することは、ワークピース又はレーザー加工装置全体の空間的位置及び/又は空間的配向を変更することを含んでもよい。代わりに又は加えて、配置は、レーザー光線の再集束を含んでもよい。したがって、機械加工されるワークピースの正確な機械加工が可能となるように、必要に応じて機械加工されるワークピースが再配置されても、レーザーが再調整されてもよい。 The method of the present invention may also include positioning the workpiece to be machined relative to the focal point of the laser based on the acquired 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. Thus, the workpiece to be machined may be repositioned or the laser realigned as necessary to allow accurate machining of the workpiece to be machined.

レーザー加工装置のレーザー標的用光学系は、距離測定装置の測定光学系の一部を形成してもよい。特に、測定光は、測定光線が少なくとも部分的にレーザー光線と同軸に進むようにして、レーザー光線の光路に結合されてもよい。 The laser target optics of the laser processing device may form part of the measurement optics of the distance measuring device. In particular, the measurement light may be coupled into the optical path of the laser beam such that the measurement beam runs at least partially coaxially with the laser beam.

距離測定装置の測定光学系にレーザー加工装置のレーザー標的用光学系を用いることにより、本発明の方法を実施するために必要な光学部品の数を減らすことができ、したがって光学装置を簡素化することができる。従って、距離センサは、特に、既存のレーザー加工装置に容易に組み込まれることができる。 By using the laser target optical system of the laser processing device as the measurement optical system of the distance measuring device, the number of optical components required to carry out the method of the present invention can be reduced, and therefore the optical device can be simplified. Therefore, the distance sensor can be easily incorporated, in particular, into existing laser processing devices.

加工ステップの少なくとも一部は、機械加工されるワークピースのいくつかの標的位置で、実施されるか又は繰り返されてもよい。複数の位置で加工ステップを繰り返すことによって、機械加工されるワークピースの位置が再確認されて、必要に応じて修正されることができる。 At least some of the machining steps may be performed or repeated at several target locations of the workpiece to be machined. By repeating the machining steps at multiple locations, the position of the workpiece to be machined can be reconfirmed and corrected if necessary.

いくつかの実施形態では、距離測定データの取得は、ワークピースから反射されて戻る測定光の強度を取得することを含み、距離は、ワークピースから反射されて戻る測定光の強度の経時変化に基づいて決定される。 In some embodiments, obtaining the distance measurement data includes obtaining an intensity of the measurement light reflected back from the workpiece, and the distance is determined based on a change over time in the intensity of the measurement light reflected back from the workpiece.

特に、可変焦点距離測定光光学系の焦点距離の時間的変動を制御することにより、強度の検出の時点を可変焦点距離測定光光学系の特定の焦点距離に、したがって測定光の焦点位置に割り当て、そこからレーザー標的用光学系と標的位置との間の距離を推定することができる。これは、測定光の焦点面が、機械加工されるワークピース又は試験用装置の表面のそれぞれと一致する時に、強度の最大値が生じるからである。このような場合、機械加工されるワークピースの表面に生成された測定光点は、測定用光源の光出射開口部としても機能する距離測定装置の共焦点光誘導により、光検出器側に配置された開口部又は光結合点で結像し、それにより光検出器によって強度の最大値が検出される。 In particular, by controlling the temporal variation of the focal length of the variable focal length measuring light optics, the time point of intensity detection can be assigned to a specific focal length of the variable focal length measuring light optics and thus to the focal position of the measuring light, from which the distance between the laser target optics and the target position can be deduced. This is because an intensity maximum occurs when the focal plane of the measuring light coincides with the surface of the workpiece to be machined or the testing device, respectively. In such a case, the measuring light spot generated on the surface of the workpiece to be machined is imaged by the confocal light guidance of the distance measuring device, which also serves as the light exit aperture of the measuring light source, at an aperture or light coupling point arranged on the light detector side, whereby the intensity maximum is detected by the light detector.

測定光としては、広帯域の赤外光、特に、近赤外光を用いることができる。特に、ピーク波長が900nm~1000nm、特に940nm~960nmであり、スペクトル半値幅が40nm~60nm、特に45nm~55nmである近赤外線LED(Light Emitting Diode)を、測定光を発生させるために用いることができる。そのようなLED測定光は、混乱させる干渉又はスペックル効果を回避又は低減するのに十分に広帯域である。一方で、そのようなLED測定光は、色収差焦点シフトや焦点シフトなどの望ましくない分散効果を抑制する又は低く抑えるのに十分な狭帯域である。 As the measurement light, broadband infrared light, in particular near-infrared light, can be used. In particular, a near-infrared LED (Light Emitting Diode) with a peak wavelength of 900 nm to 1000 nm, in particular 940 nm to 960 nm, and a spectral half-width of 40 nm to 60 nm, in particular 45 nm to 55 nm, can be used to generate the measurement light. Such an LED measurement light is broadband enough to avoid or reduce disruptive interference or speckle effects. On the other hand, such an LED measurement light is narrowband enough to suppress or keep low undesirable dispersion effects such as chromatic aberration focus shift and focus shift.

更に、レーザー加工装置の光学部品、例えば、近赤外スペクトル領域用に構成されたレーザー標的用光学系のミラー及び/又はレンズが、近赤外線測定光による距離測定のために使用されてもよい。 Furthermore, optical components of the laser processing device, such as mirrors and/or lenses of the laser target optics configured for the near-infrared spectral region, may be used for distance measurement with near-infrared measurement light.

本発明の方法は、レーザー光の取得又は検出を更に含んでもよい。この場合、測定光に代えて又は測定光に加えてレーザー光が検出され、レーザー光はワークピースによって反射され、レーザー標的用光学系及び測定光学系を経て開口部を通って距離測定装置の検出器に導かれる。この方法では、レーザーの焦点がその開口部に結像される。可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を制御された方法で経時的に変動させ、開口部を通過したレーザー光線の強度が最大となった時を、すなわちレーザーの焦点が開口部にはっきりと結像した時を検出する。この方法では、例えば、第1ステップにおいて、レーザーをワークピースに集束させ、開口部を通過するレーザー光線の強度の最大値が生じる可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を測定してもよい。レーザーの焦点がワークピース表面でなく、その上下である時、開口部の面における像点の位置も変化する。したがって、可変焦点距離測定光光学系の異なる焦点距離で強度の最大値が生じる。この効果は、レーザーの焦点位置の変化を検出するために使用されてもよい。 The method of the invention may further comprise the acquisition or detection of laser light. In this case, instead of or in addition to the measurement light, laser light is detected, which is reflected by the workpiece and directed through the laser targeting optics and the measurement optics through an aperture to a detector of the distance measuring device. In this method, the focus of the laser is imaged on the aperture. The focal length of the variable focal length measuring light optics is varied over time in a controlled manner to detect the moment when the intensity of the laser beam passing through the aperture is maximum, i.e. when the focus of the laser is clearly imaged on the aperture. In this method, for example, in a first step, the laser may be focused on the workpiece and the focal length of the variable focal length measuring light optics at which the maximum intensity of the laser beam passing through the aperture occurs may be measured. When the focus of the laser is not on the workpiece surface but above or below it, the position of the image point in the plane of the aperture also changes. Thus, the maximum intensity occurs at different focal lengths of the variable focal length measuring light optics. This effect may be used to detect changes in the focus position of the laser.

いくつかの実施形態では、本発明の方法は、測定光とレーザー光の両方を同時に検出することを含んでもよい。この場合、レーザーの焦点と測定光点の両方が開口部に結像され、開口部を通過した測定光の部分及びレーザー光線の部分が、距離測定装置の検出器に案内される。 In some embodiments, the method of the present invention may include detecting both the measurement light and the laser light simultaneously. In this case, both the laser focus and the measurement light spot are imaged onto the aperture, and the portion of the measurement light and the portion of the laser light that passes through the aperture are guided to a detector of the distance measuring device.

レーザーの焦点のワークピース表面からの距離及び光学部品の色誤差に応じて、測定光点が開口部にはっきりと結像される焦点距離は、レーザーの焦点が開口部にはっきりと結像される焦点距離と異なる場合がある。 Depending on the distance of the laser focus from the workpiece surface and the color errors of the optical components, the focal length at which the measurement light spot is sharply imaged on the aperture may differ from the focal length at which the laser focus is sharply imaged on the aperture.

特に、本発明の方法は、測定光点又はレーザーの焦点のいずれかが開口部にはっきりと結像されるそれらの2つの焦点距離の決定された差に基づいて、レーザーの焦点に対して機械加工されるワークピースを配置することを含んでもよい。 In particular, the method of the present invention may include positioning the workpiece to be machined relative to the focal point of the laser based on a determined difference between the two focal lengths at which either the measurement light spot or the focal point of the laser is sharply imaged into the aperture.

可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を経時的に変動させることは、可変焦点距離測定光光学系の異なる複数の焦点距離で距離測定データを検出するために、可変焦点距離測定光光学系の焦点距離の調整、特に、周期的な調整を含んでもよい。焦点距離を調整する場合、測定光学系の焦点が光センサの測定範囲全体をスキャンするようにして、最小焦点距離と最大焦点距離の間の可変焦点距離測定光光学系の焦点距離範囲がカバーされる。可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を周期的に調整することによって、検出された距離測定データの評価を焦点距離の時間的変動に同期させることができることにより、検出された測定データを決定される距離に明確かつ確実に割り当てることが容易である。距離の値又は距離、特に、機械加工される測定ピースの表面までの単一の距離の値又は距離は、測定光の焦点距離の変動に基づいて、1サイクルで又は1測定サイクルで決定されることができる。 Varying the focal length of the variable focal length measuring light optics over time may include adjusting, in particular periodically adjusting, the focal length of the variable focal length measuring light optics in order to detect distance measurement data at different focal lengths of the variable focal length measuring light optics. When adjusting the focal length, the focal length range of the variable focal length measuring light optics between the minimum focal length and the maximum focal length is covered, in such a way that the focus of the measuring optics scans the entire measuring range of the optical sensor. By periodically adjusting the focal length of the variable focal length measuring light optics, the evaluation of the detected distance measurement data can be synchronized with the temporal variation of the focal length, which makes it easier to clearly and reliably assign the detected measurement data to the determined distance. A distance value or distance, in particular a single distance value or distance to the surface of the measuring piece to be machined, can be determined in one cycle or in one measurement cycle based on the variation of the focal length of the measuring light.

いくつかの実施形態では、測定光の焦点は、1サイクル内の2つの異なる時間で測定対象物又は機械加工されるワークピースの表面にあり、それにより機械加工されるワークピースの表面での測定光点からの反射がファイバー端又は光結合点にはっきりと結像し、それは光検出器で検出される光の強度の最大値を生じさせる。機械加工されるワークピースの距離は、光検出器によって検出される光の強度の最大値が観察される時間から、サイクル時間と測定光の焦点位置との間の所定の関係又は較正測定によって決定され得る関係によって決定されることができる。 In some embodiments, the focus of the measurement light is on the surface of the measurement object or workpiece being machined at two different times within one cycle, so that the reflection from the measurement light point on the surface of the workpiece being machined is sharply imaged at the fiber end or optical coupling point, which gives rise to a maximum in the intensity of the light detected by the photodetector. The distance of the workpiece being machined can be determined from the time at which a maximum in the intensity of the light detected by the photodetector is observed, by a predefined relationship between the cycle time and the focal position of the measurement light, or a relationship that can be determined by a calibration measurement.

本発明の方法は、サイクル時間と距離との間の関係を決定するための較正測定を行うことを更に含んでもよい。較正測定によって決定されたサイクル時間と距離との間の関係は、距離測定データの評価の信頼性及び精度を向上させることができ、それにより決定される距離が、サイクルにおける強度の最大値の時間から明確かつ確実に算出され得る。 The method of the present invention may further include performing a calibration measurement to determine the relationship between cycle time and distance. The relationship between cycle time and distance determined by the calibration measurement may improve the reliability and accuracy of the evaluation of the distance measurement data, so that the determined distance may be unambiguously and reliably calculated from the time of maximum intensity in the cycle.

較正測定は、特に、異なる複数のサイクル時間での、可変焦点距離光学系の下流にあるメニスカスレンズの反射の検出を含んでもよい。メニスカスレンズは、凹面及び凸面を含む。特に、メニスカスレンズは、可変焦点距離光学系が調整される際に、凹面から反射して戻る光と凸面から反射して戻る光が交互に光結合点で集束し、そのそれぞれが光ファイバーに供給される光の測定可能な強度ピークをもたらすように配置されてもよい。調整サイクル内のこれらのピークの時間的位置は、可変焦点距離光学系の適切に定められた焦点距離に対応するので、可変焦点距離光学系又は距離測定装置は、これらの強度ピーク又は較正ピークの時間的位置に基づいて正確に較正され得る。 The calibration measurement may include, in particular, detection of the reflection of a meniscus lens downstream of the variable focal length optics at different cycle times. The meniscus lens includes a concave surface and a convex surface. In particular, the meniscus lens may be arranged such that, as the variable focal length optics is adjusted, light reflected back from the concave surface and light reflected back from the convex surface alternately converge at the optical coupling point, each of which results in a measurable intensity peak of the light fed into the optical fiber. The time positions of these peaks within the adjustment cycle correspond to appropriately defined focal lengths of the variable focal length optics, so that the variable focal length optics or distance measuring device may be accurately calibrated based on the time positions of these intensity peaks or calibration peaks.

いくつかの実施形態では、較正測定は、スキャナ又はレーザー標的用光学系の横位置の2次元グリッドを測定することを含む。次に、二次元グリッドにおいて取得された距離測定データは、距離測定装置を較正するために使用されることができる。 In some embodiments, the calibration measurement involves measuring a two-dimensional grid of lateral positions of the scanner or laser targeting optics. The distance measurement data acquired at the two-dimensional grid can then be used to calibrate the distance measurement device.

本発明の方法は、レーザー光線がワークピースに最もよく集束される距離を決定するための較正測定を更に含んでもよい。 The method of the present invention may further include a calibration measurement to determine the distance at which the laser beam is best focused on the workpiece.

機械加工用レーザーは、ワークピースを機械加工する際に、可視領域及び赤外領域の両方の機械加工光を発生させ得る。特に、ワークピースをレーザー加工する間に、レーザー光のスペクトル分布外に位置するスペクトル範囲で機械加工光が発生することがある。機械加工光の発生は、ワークピースの照射点におけるレーザー光の強度と関連している。レーザーが低出力である場合、機械加工光はレーザー光の焦点面にワークピースが正確に位置する時にのみ発生する。 Machining lasers can generate machining light in both the visible and infrared regions when machining a workpiece. In particular, machining light can be generated in a spectral range that is outside the spectral distribution of the laser light during laser machining of a workpiece. The generation of machining light is related to the intensity of the laser light at the irradiation point of the workpiece. When the laser is low powered, machining light is generated only when the workpiece is precisely positioned in the focal plane of the laser light.

レーザー光の焦点面を決定するために、レーザー光の焦点とワークピースの間の距離を変動させる。これは、例えば、ワークピースの位置を調整すること又は集束光学系を使用してレーザー光線を集束させることによって行われることができる。 To determine the focal plane of the laser light, the distance between the focus of the laser light and the workpiece is varied. This can be done, for example, by adjusting the position of the workpiece or by focusing the laser light using focusing optics.

機械加工光の有無は、検出器によって記録される。機械加工光の検出は、機械加工光を発生させる程に、レーザー光線がワークピース表面に十分に集束されていることを示す。検出された機械加工光に基づいて、レーザー光線がワークピースに最適に集束されていると判断することもできる。この場合において、測定光で距離を測定することにより、対応する距離の値が決定されることができる。 The presence or absence of machining light is recorded by a detector. Detection of machining light indicates that the laser beam is sufficiently focused on the workpiece surface to generate machining light. Based on the detected machining light, it can also be determined that the laser beam is optimally focused on the workpiece. In this case, by measuring the distance with the measuring light, a corresponding distance value can be determined.

別の実施形態では、レーザーは一定の出力で動作されず、代わりにレーザーの出力が変動される。特に、レーザーの出力は、低い値から連続的に増加され、機械加工光が最初に現れる臨界出力を測定することができる。 In another embodiment, the laser is not operated at a constant power, but instead the power of the laser is varied. In particular, the power of the laser is continuously increased from a low value and the critical power at which the machining light first appears can be measured.

このステップを、ワークピースとレーザーの焦点の間の異なる複数の距離について繰り返してもよい。レーザー光線がワークピースにできるだけよく集束される距離は、最小の値を取る臨界出力によって特徴付けられる。 This step may be repeated for different distances between the workpiece and the laser focal point. The distance at which the laser beam is as well focused as possible on the workpiece is characterized by the critical power, which has a minimum value.

距離測定データの取得は、標的位置での複数の位置又は測定点で行われてもよい。標的位置での測定点の配置は、本発明では、測定点が標的位置に又はその周囲に配置されてもよいことを意味する。標的位置の複数の測定点で距離測定データを取得することにより、測定値の誤差の影響が平均化によって低減されることができる。複数の測定点で測距データを取得することで、測定結果へのスペックルの影響もまた低減されることができる。これは、スペックルに起因する機械加工されるワークピースから反射して戻る光の局所的な強度変動が、複数の測定点で測定することにより平均化され得るためである。 The acquisition of distance measurement data may be performed at multiple positions or measurement points at the target position. Arrangement of measurement points at the target position means in the present invention that the measurement points may be arranged at or around the target position. By acquiring distance measurement data at multiple measurement points at the target position, the effect of measurement errors can be reduced by averaging. By acquiring distance measurement data at multiple measurement points, the effect of speckle on the measurement result can also be reduced. This is because local intensity variations of light reflected back from the workpiece being machined due to speckle can be averaged out by measuring at multiple measurement points.

複数の測定点における距離測定データの取得は、連続的に又は時間的に順々に、特に、1回の測定サイクル内で行われてもよい。平均化された距離が迅速かつ少ない計算労力で決定されことができるように、1回の測定サイクル中に、そのようにして異なる複数の測定点から距離測定データが取得されることができる。 The acquisition of distance measurement data at multiple measurement points may be performed continuously or sequentially in time, in particular within one measurement cycle. In this way, distance measurement data can be acquired from multiple different measurement points during one measurement cycle, so that an averaged distance can be determined quickly and with little computational effort.

いくつかの実施形態では、距離測定データは、標的位置でのスキャン経路に沿った複数の位置で取得される。特に、スキャン経路は、スキャン経路に沿って取得された距離測定データが標的距離を推定するために使用されることができるようにして選択されることができる。 In some embodiments, distance measurement data is acquired at multiple positions along a scan path at the target location. In particular, the scan path can be selected such that distance measurement data acquired along the scan path can be used to estimate the target distance.

スキャン経路は、機械加工されるワークピースの標的位置を囲む円の形状を有してもよい。特に、測定円は、レーザースポットに相当する経路半径から構成されてもよい。測定円に沿って取得された距離測定データは、平均化により測定誤差を効果的に低減することが可能なデータベースをもたらす。 The scan path may have the shape of a circle surrounding a target location on the workpiece to be machined. In particular, the measurement circle may consist of a path radius corresponding to the laser spot. The distance measurement data acquired along the measurement circle results in a database that can be effectively used to reduce measurement errors by averaging.

スキャン経路は、機械加工されるワークピースの標的位置を中心とする螺旋形状を有してもよい。特に、螺旋の中心は、標的位置と一致してもよい。螺旋状のスキャン経路により、距離測定データは特に大きな表面から取得されることができるので、平均化効果が高まり、干渉に対する測定の影響が低減されることができる。 The scan path may have a spiral shape centered on a target location on the workpiece to be machined. In particular, the center of the spiral may coincide with the target location. A spiral scan path allows distance measurement data to be acquired from particularly large surfaces, thus increasing the averaging effect and reducing the measurement susceptibility to interference.

いくつかの実施形態では、複数の測定点における距離測定データの取得は、実質的に同時に、特に、1回の測定サイクル内で行われ、距離の決定は、物理的に平均化された距離測定データに基づいて行われる。 In some embodiments, the acquisition of distance measurement data at multiple measurement points occurs substantially simultaneously, in particular within one measurement cycle, and the distance determination is based on physically averaged distance measurement data.

距離測定データの物理的な平均化は、特に、距離の決定が、各測定点に対して別々に実施されないことを意味し、例えば、決定された距離から平均距離の値を形成するために、各測定点に対して別々に実施されるものではないことを意味する。物理的な平均化とは、標的位置の複数の測定点で記録された距離測定データ、特に、機械加工されるワークピースから反射されて戻る測定光の強度測定データの全てが標的位置の距離の決定に含まれ、それにより測定点の全てについて単一の距離の値が決定されることを意味する。 Physical averaging of the distance measurement data means in particular that the determination of the distance is not carried out separately for each measurement point, e.g. not for forming an average distance value from the determined distances. Physical averaging means that all of the distance measurement data recorded at multiple measurement points of the target position, in particular the intensity measurement data of the measurement light reflected back from the workpiece to be machined, are included in the determination of the distance of the target position, whereby a single distance value is determined for all of the measurement points.

物理的な平均化により、標的位置の異なる複数の測定点で記録された距離測定データの全ては、特に、1つの評価ステップで一緒に評価され、それにより距離の値は、迅速かつ簡単な方法で決定されることができる。 By physical averaging, all distance measurement data recorded at multiple different measuring points of the target position are in particular evaluated together in one evaluation step, so that the distance value can be determined in a quick and simple manner.

測定光は、複数の孔を有する少なくとも1つの多孔マスクによって、特に共焦点開口部の形態で、複数の測定点における距離測定データの同時の取得のために複数の部分的な測定光に分割されてもよい。したがって、少なくとも1つの多孔マスクで、複数の測定点における距離測定データの取得に必要な部分的な測定光が、簡単な方法で生成されることができる。 The measurement light may be split by at least one multi-hole mask having a plurality of holes, in particular in the form of a confocal aperture, into a plurality of partial measurement light for simultaneous acquisition of distance measurement data at a plurality of measurement points. Thus, with at least one multi-hole mask, the partial measurement light required for the acquisition of distance measurement data at a plurality of measurement points can be generated in a simple manner.

部分的な測定光は、共通の光検出器で検出されることができる。すべての部分的な測定光のために共通の光検出器を使用することによって、複数の測定点からの距離測定データの取得が簡素化される。共通の光検出器による部分的な測定光の取得と同時に、距離測定データ又は光強度の物理的な平均化が行われる。これは、共通の光検出器では、異なる複数の測定点から反射して戻った光を区別できないためである。このようにして、距離測定データの平均化は、計算ステップを実行することなく自動的に行われる。 The partial measurement light can be detected by a common photodetector. By using a common photodetector for all partial measurement light, the acquisition of distance measurement data from multiple measurement points is simplified. Simultaneously with the acquisition of the partial measurement light by the common photodetector, a physical averaging of the distance measurement data or light intensity is performed. This is because the common photodetector cannot distinguish between light reflected back from different measurement points. In this way, the averaging of the distance measurement data is performed automatically without performing any calculation steps.

第2の態様によれば、ワークピースの制御された機械加工のための装置が提案される。 According to a second aspect, an apparatus for controlled machining of a workpiece is proposed.

この装置は、機械加工されるワークピースを機械加工又はレーザー加工するためのレーザー光線を生成するためのレーザー光源を含む。特に、レーザー光線を発生させるために、YAGレーザーやファイバーレーザーのような近赤外スペクトル領域で発光する固体レーザーや、ガスレーザー、例えばCOレーザーを使用することができる。 The apparatus includes a laser source for generating a laser beam for machining or laser processing the workpiece to be machined. In particular, a solid-state laser emitting in the near infrared spectral range, such as a YAG laser or a fiber laser, or a gas laser, for example a CO2 laser, can be used to generate the laser beam.

この装置は、機械加工されるワークピースの標的位置でのレーザー光焦点にレーザー光線を集束させるためのレーザー標的用光学系を更に含む。レーザー標的用光学系は、特に、レーザー光線の目標アライメント及び集束を可能とする、集束及びアライメント光学系として構成されることができる。レーザー標的用光学系は、特に、レーザー光線スキャナとして、とりわけガルバノスキャナとして構成されてもよく、レーザー光線のアライメントは、電気的に制御されるミラーによって実施されてもよい。 The apparatus further comprises laser targeting optics for focusing the laser beam to a laser beam focal point at a target location of the workpiece to be machined. The laser targeting optics may in particular be configured as focusing and alignment optics, which allow target alignment and focusing of the laser beam. The laser targeting optics may in particular be configured as a laser beam scanner, in particular as a galvanometer scanner, and alignment of the laser beam may be performed by electrically controlled mirrors.

この装置はまた、距離測定装置によって取得された距離測定データに基づいて、機械加工されるワークピースの標的位置とレーザー標的用光学系との間の距離を決定するための距離測定装置と、検出された距離測定データに基づいて、レーザー光焦点に対して機械加工されるワークピースを配置するための及び/又はレーザーを再集束するための配置装置とを含む。 The apparatus also includes a distance measuring device for determining the distance between a target location of the workpiece to be machined and the laser targeting optics based on distance measurement data acquired by the distance measuring device, and a positioning device for positioning the workpiece to be machined relative to the laser light focus and/or for refocusing the laser based on the detected distance measurement data.

この装置は、取得された距離測定データを評価して、取得された距離測定データに基づいて配置装置を制御するように構成された評価制御部を更に含む。 The device further includes an evaluation control unit configured to evaluate the acquired distance measurement data and control the placement device based on the acquired distance measurement data.

距離測定装置は、測定光を生成するための測定用光源と、可変焦点距離測定光光学系とを備えた光学共焦点距離測定装置として構成され、可変焦点距離測定光光学系は、可変焦点距離測定光光学系の異なる複数の焦点距離の値で距離測定データを取得するために、可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を経時的に変動させることができるようにされている。 The distance measurement device is configured as an optical confocal distance measurement device having a measurement light source for generating measurement light and a variable focal length measurement light optical system, and the variable focal length measurement light optical system is configured to vary the focal length of the variable focal length measurement light optical system over time in order to obtain distance measurement data at multiple different focal length values of the variable focal length measurement light optical system.

可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を経時的に変動させることにより、焦点距離が大きいレーザー加工装置や開口数が小さいレーザー加工装置の場合に、レーザー標的用光学系と機械加工されるワークピースの標的位置との間の距離もまた光学共焦点センサで正確に測定されることができるように、距離測定装置の有効測定範囲の拡大がなされ得る。 By varying the focal length of the variable focal length measuring optical optics over time, the effective measuring range of the distance measuring device can be extended so that in laser processing devices with large focal lengths or small numerical apertures, the distance between the laser targeting optics and the target position on the workpiece being machined can also be accurately measured with the optical confocal sensor.

また、可変焦点距離測定光光学系は、光分散がないか又は光分散が少ない光学素子で距離測定を行うことを可能にするので、レーザー光線誘導に必要な光学素子、特に光分散がないか又は光分散が少ないレーザー光線誘導に必要な光学素子を、測定光の光線誘導のために用いることも可能である。 In addition, since the variable focal length measurement light optical system makes it possible to perform distance measurements using optical elements that have no or little optical dispersion, it is also possible to use optical elements necessary for laser beam guidance, particularly optical elements necessary for laser beam guidance that have no or little optical dispersion, for beam guidance of the measurement light.

また、距離測定装置の測定光学系は、レーザー標的用光学系の少なくとも一部を構成してもよい。 The measurement optical system of the distance measuring device may also constitute at least a part of the optical system for the laser target.

距離測定装置の測定光学系にレーザー標的用光学系を用いることにより、必要な光学部品の数を減らすことができ、又は装置の構造を大幅に簡素化することができる。したがって、距離センサを、既存のレーザー加工装置に容易に組み込むこともできる。 By using a laser target optical system in the measurement optical system of a distance measuring device, the number of optical components required can be reduced, and the structure of the device can be greatly simplified. Therefore, the distance sensor can be easily incorporated into existing laser processing equipment.

距離測定装置は、機械加工されるワークピースから反射されて戻る測定光の強度を検出する光検出器を含み、ワークピースから反射されて戻る測定光の検出強度の経時変化に基づいて距離を決定するように構成されてもよい。 The distance measuring device may include a photodetector that detects the intensity of the measuring light reflected back from the workpiece being machined, and may be configured to determine the distance based on changes over time in the detected intensity of the measuring light reflected back from the workpiece.

特に、可変焦点距離測定光光学系の焦点距離の制御された時間的変動により、強度の検出の時点を可変焦点距離測定光光学系の特定の焦点距離に、したがって特定の距離に割り当て、そこからレーザー標的用光学系と標的位置との間の距離を推定することができる。 In particular, the controlled variation in time of the focal length of the variable focal length measuring light optics allows the time point of intensity detection to be assigned to a specific focal length of the variable focal length measuring light optics and thus to a specific distance, from which the distance between the laser targeting optics and the target position can be deduced.

測定用光源として、広帯域の赤外光源、特に、近赤外スペクトル領域で発光する光源を用いてもよい。特に、ピーク波長が約950nmで、スペクトル半値幅が約50nmの近赤外線LEDを測定光の生成に用いることができる。そのようなLED測定光は、混乱させる干渉又はスペックル効果を回避又は低減するのに十分に広帯域である。一方で、そのようなLED測定光は、色収差焦点シフトのような望ましくない分散効果を抑制又は低く抑えるのに十分に狭帯域である。 As a measurement light source, a broadband infrared light source may be used, in particular a light source emitting in the near-infrared spectral region. In particular, a near-infrared LED with a peak wavelength of about 950 nm and a spectral half-width of about 50 nm may be used to generate the measurement light. Such an LED measurement light is broadband enough to avoid or reduce disruptive interference or speckle effects. On the other hand, such an LED measurement light is narrowband enough to suppress or keep low undesirable dispersion effects such as chromatic aberration focus shift.

可変焦点距離測定光光学系は、調整可能な、特に、周期的に調整可能な測定光学系として構成されてもよい。焦点距離を調整する場合、最小焦点距離と最大焦点距離との間の可変焦点距離測定光光学系の焦点距離範囲が、測定光学系の焦点が光センサの測定範囲全体をカバーするようにして、例えば±7mmで、カバーされる。可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を周期的に調整することにより、記録された測定データを、決定される距離に明確かつ確実に割り当てることが可能であるようにして、評価を焦点距離の時間的変動に同期させることができる。 The variable focal length measuring light optics may be configured as an adjustable, in particular periodically adjustable, measuring optics. When adjusting the focal length, the focal length range of the variable focal length measuring light optics between the minimum focal length and the maximum focal length is covered, for example ±7 mm, in such a way that the focus of the measuring optics covers the entire measuring range of the light sensor. By periodically adjusting the focal length of the variable focal length measuring light optics, the evaluation can be synchronized with the temporal variation of the focal length, in such a way that the recorded measurement data can be unambiguously and reliably assigned to the determined distance.

特に、可変焦点距離光学系は、距離測定装置の結像系の発散部に配置されてもよい。発散部とは、測定光学系が発散した測定光を形成する、距離測定装置の結像系の部分である。結像系の発散部において、可変焦点距離測定光光学系は、特に、可変焦点距離光学系の有効開口が最適に利用され得るようにして、配置されてもよい。 In particular, the variable focal length optical system may be arranged in the divergent part of the imaging system of the distance measuring device. The divergent part is that part of the imaging system of the distance measuring device in which the measurement optical system forms a divergent measurement light. In the divergent part of the imaging system, the variable focal length measuring light optical system may be arranged in particular in such a way that the effective aperture of the variable focal length optical system can be optimally utilized.

可変焦点距離測定光光学系は、可変焦点距離レンズを含んでもよい。可変焦点距離レンズ、特に電気的に制御可能な可変焦点距離レンズを用いると、測定光学系の焦点距離を簡単に変動させることができる。可変焦点距離レンズの有効開口は、1~10mmの範囲、特に、2~6mmの範囲の直径を含んでもよい。可変焦点距離レンズは、特に、光結合点の近く又は測定光が発散して出るファイバー端部の近くに配置されることができる。 The variable focal length measurement light optics may include a variable focal length lens. With a variable focal length lens, in particular an electrically controllable variable focal length lens, the focal length of the measurement optics can be easily varied. The effective aperture of the variable focal length lens may include a diameter in the range of 1 to 10 mm, in particular in the range of 2 to 6 mm. The variable focal length lens may in particular be positioned near the optical coupling point or near the fiber end from which the measurement light diverges.

いくつかの実施形態では、本発明の装置は、測定光を複数の部分的な測定光に分割するための複数の孔を有する少なくとも1つの多孔マスクを含む。部分的な測定光で、距離測定データは、複数の測定点で同時に取得され得る。 In some embodiments, the apparatus of the present invention includes at least one aperture mask having a plurality of apertures for splitting the measurement light into a plurality of partial measurement light beams, with which distance measurement data can be acquired simultaneously at a plurality of measurement points.

一実施形態では、本発明の装置は、測定光を取り込んだり、出したりするための光結合点を備えた光ファイバーを含み、少なくとも1つの多孔マスクは、光結合点に配置される。この多孔マスクの配置は、光結合点が、測定用光源によって発生された光を出すことと、機械加工されるワークピースから反射されて戻る測定光を取り込むことの両方のために構成された、ファイバーカプラを備えた装置に適している。この場合、異なる複数の測定点での距離測定データの取得は、単一の多孔マスクで簡単な方法で実施されることができる。 In one embodiment, the device of the invention comprises an optical fiber with an optical coupling point for introducing and emitting the measurement light, and at least one multi-hole mask is arranged at the optical coupling point. This arrangement of the multi-hole mask is suitable for devices with a fiber coupler, in which the optical coupling point is configured both for introducing the light generated by the measurement light source and for introducing the measurement light reflected back from the workpiece to be machined. In this case, the acquisition of distance measurement data at different measurement points can be performed in a simple manner with a single multi-hole mask.

特に、多孔マスクは、光結合点に直接配置されても、光ファイバーの端部に直接配置されてもよい。光結合点に多孔マスクを配置することにより、光結合点を出る測定光の実質的に全てを多孔マスクで捕らえることによって、多孔マスクを効果的に使用することができる。 In particular, the porous mask may be placed directly at the optical coupling point or directly at the end of the optical fiber. Placing the porous mask at the optical coupling point allows the porous mask to be used effectively by capturing substantially all of the measurement light leaving the optical coupling point with the porous mask.

光結合点又は光ファイバーの端部及び多孔マスクは、多孔マスクが本質的に全体的に照明されるような寸法にされることができる。これは、多孔マスクの領域が特に効果的に使用されることができることを意味する。 The optical coupling points or ends of the optical fibers and the porous mask can be dimensioned such that the porous mask is essentially entirely illuminated. This means that the area of the porous mask can be used particularly effectively.

いくつかの実施形態では、本発明の装置は、光出射端を有する第1の光ファイバーと、光入射端を有する第2の光ファイバーとを含み、光出射端に第1の多孔マスクが配置され、光入射端に第2の多孔マスクが配置される。この多孔マスクの配置は、測定用光源によって発生された測定光を距離測定装置の結像系に結合し、機械加工されるワークピースから反射されて戻る測定光を取り出すように構成されたビームスプリッタを備えた装置に好適である。 In some embodiments, the apparatus of the present invention includes a first optical fiber having a light output end and a second optical fiber having a light input end, with a first multi-aperture mask disposed at the light output end and a second multi-aperture mask disposed at the light input end. This multi-aperture mask arrangement is suitable for an apparatus with a beam splitter configured to couple measurement light generated by a measurement light source into an imaging system of a distance measuring device and to extract measurement light reflected back from a workpiece being machined.

その2つの多孔マスクは、その2つの多孔マスクの孔が対になって共焦点に位置合わせされるようにして配置されてもよい。2つの多孔マスクの孔の対とされた共焦点の位置合わせにより、第1の多孔マスクの孔によって発生した部分的な測定光線は、第2の多孔マスクの対応する孔で束ねられるので、多孔マスクによる光損失は最小限にされることができる。 The two multi-hole masks may be arranged such that the holes of the two multi-hole masks are paired and confocal aligned. Due to the paired confocal alignment of the holes of the two multi-hole masks, the partial measurement beams generated by the holes of the first multi-hole mask are bundled with the corresponding holes of the second multi-hole mask, so that the light loss through the multi-hole masks can be minimized.

個々の光ファイバーを使用する代わりに、異なる複数の測定点における距離測定データを記録するために、光ファイバー束を使用して多数の部分的な測定光を生成してもよい。光ファイバー束は、既に多数の部分的な測定光を提供しているので、多孔マスクはもはや必要とされない。測定光を部分的な測定光に分割するための光ファイバー束は、ファイバーカプラを備えた本発明の装置と、ビームスプリッタを備えた本発明の装置の両方で使用されることができる。光ファイバー束を使用することによって、本発明の装置の構造及び動作はそれにより簡略化されることができる。 Instead of using individual optical fibers, a fiber optic bundle may be used to generate multiple partial measurement beams in order to record distance measurement data at different measurement points. Since the fiber optic bundle already provides multiple partial measurement beams, a multi-hole mask is no longer required. A fiber optic bundle for splitting the measurement beam into partial measurement beams can be used both in the inventive device with a fiber coupler and in the inventive device with a beam splitter. By using a fiber optic bundle, the structure and operation of the inventive device can thereby be simplified.

いくつかの実施形態では、本発明の装置はカメラを含み、そのカメラは、機械加工前、機械加工中、及び/又は機械加工後に、機械加工されるワークピースの機械加工位置を視覚的に検査するために使用されることができるように構成される。 In some embodiments, the apparatus of the present invention includes a camera that is configured such that it can be used to visually inspect the machining location of the workpiece being machined before, during, and/or after machining.

いくつかの実施形態では、本発明の装置は、機械加工光の存在を検出するように構成された検出器を含み、機械加工光は、レーザー光のスペクトル分布外にある。 In some embodiments, the apparatus of the present invention includes a detector configured to detect the presence of machining light, the machining light being outside the spectral distribution of the laser light.

以下、図面を参照して実施形態をより詳細に説明するが、同一の符号は、同一又は類似の構成要素を指すために使用される。 The embodiments are described in more detail below with reference to the drawings, in which the same reference numerals are used to refer to the same or similar components.

一実施形態によるワークピースの制御された機械加工のための装置を概略的に示す図である。FIG. 1 illustrates a schematic diagram of an apparatus for controlled machining of a workpiece according to one embodiment; 一実施形態による多孔マスクを示す図である。FIG. 2 illustrates a porous mask according to one embodiment. 別の実施形態による多孔マスクを示す図である。FIG. 13 illustrates a porous mask according to another embodiment. 一実施形態によるメニスカスレンズの概略側面図である。FIG. 2 is a schematic side view of a meniscus lens according to one embodiment. 図4のメニスカスレンズの概略平面図である。FIG. 5 is a schematic plan view of the meniscus lens of FIG. 4 . 一実施形態による距離測定装置の一部で生じ得る光路を概略的に示す図である。2A and 2B are schematic diagrams illustrating possible optical paths in a portion of a distance measuring device according to an embodiment; 図6による部分で生じ得る別の光路を概略的に示す図である。7A-7D show schematic diagrams of possible light paths in the section according to FIG. 6; 図6による部分で生じ得る別の光路を概略的に示す図である。7A-7D show schematic diagrams of possible light paths in the section according to FIG. 6; メニスカスレンズから反射されて戻る光の強度の経時変化を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the change over time in the intensity of light reflected back from a meniscus lens. 別の実施形態によるワークピースの制御された機械加工のための装置を概略的に示す図である。2 shows a schematic diagram of an apparatus for controlled machining of a workpiece according to another embodiment; 一実施形態によるワークピースの制御された機械加工方法のフロー図である。FIG. 1 is a flow diagram of a method for controlled machining of a workpiece according to one embodiment. 更なる実施形態によるワークピースの制御された機械加工のための装置を概略的に示す図である。4 shows a schematic diagram of an apparatus for controlled machining of a workpiece according to a further embodiment;

図1は、一実施形態によるワークピースの制御された機械加工のための装置を概略的に示す。装置1は、機械加工されるワークピース4を機械加工するためのレーザー光線3を発生させるためのレーザー光源2を含む。更に、装置1は、機械加工されるワークピース4の標的位置6での焦点Fにレーザー光線3を向けるための又は選択的に集束させるためのレーザー標的用光学系5を含む。 Figure 1 shows a schematic diagram of an apparatus for controlled machining of a workpiece according to one embodiment. The apparatus 1 includes a laser source 2 for generating a laser beam 3 for machining a workpiece 4 to be machined. Furthermore, the apparatus 1 includes laser targeting optics 5 for directing or selectively focusing the laser beam 3 to a focal point F at a target location 6 of the workpiece 4 to be machined.

装置1は、機械加工されるワークピース4の標的位置6とレーザー標的用光学系5との間の距離を決定するための距離測定装置7を含む。距離測定装置7は、光学共焦点距離測定装置として構成され、測定光を発生するための測定用光源8と、ワークピース4から反射して戻る測定光を検出するための光検出器9とを含む。本実施形態では、距離測定装置7は、ゼロ平面Oを中心とする±7mmの距離測定範囲Hを有する。 The apparatus 1 includes a distance measuring device 7 for determining the distance between a target position 6 on the workpiece 4 to be machined and the laser targeting optics 5. The distance measuring device 7 is configured as an optical confocal distance measuring device and includes a measurement light source 8 for generating measurement light and a photodetector 9 for detecting the measurement light reflected back from the workpiece 4. In this embodiment, the distance measuring device 7 has a distance measuring range H of ±7 mm centered on the zero plane O.

測定用光源8は、Yカプラの形態であるファイバーカプラ12の第1の接続点11において、第1の光ファイバー10に接続されている。光検出器9は、ファイバーカプラ12の第2の接続点14で第2の光ファイバー13に接続されている。第3の光ファイバー16の第1端部がファイバーカプラ12の第3の接続点15に接続されており、第3の光ファイバー16の第2端部は、測定光が出入りするための光結合点17として形成されている。本実施形態では、第1の光ファイバー10、第2の光ファイバー13及び第3の光ファイバー16は、近赤外スペクトル領域の広帯域光を伝送可能なマルチモードファイバーとして形成されている。 The measurement light source 8 is connected to the first optical fiber 10 at a first connection point 11 of a fiber coupler 12 in the form of a Y coupler. The photodetector 9 is connected to the second optical fiber 13 at a second connection point 14 of the fiber coupler 12. A first end of a third optical fiber 16 is connected to a third connection point 15 of the fiber coupler 12, and a second end of the third optical fiber 16 is formed as an optical coupling point 17 for the entrance and exit of measurement light. In this embodiment, the first optical fiber 10, the second optical fiber 13, and the third optical fiber 16 are formed as multimode fibers capable of transmitting broadband light in the near-infrared spectral range.

光結合点17の下流側にはコリメートレンズ18が配置され、光結合点17とコリメートレンズ18の間に焦点距離が可変のレンズ19を備える。光結合点17は、測定光が光結合点17から発散して出るように構成されており、それにより光結合点17とコリメートレンズ18との間の領域で、発散した測定光線が生じる。本実施形態では、可変焦点距離レンズ19は、電気的に制御可能な可変焦点距離レンズであるOptOtune社のEL-03-10である。 A collimating lens 18 is disposed downstream of the optical coupling point 17, and a lens 19 with a variable focal length is provided between the optical coupling point 17 and the collimating lens 18. The optical coupling point 17 is configured so that the measurement light diverges from the optical coupling point 17, thereby generating a divergent measurement light beam in the region between the optical coupling point 17 and the collimating lens 18. In this embodiment, the variable focal length lens 19 is an EL-03-10 from OptOtune, which is an electrically controllable variable focal length lens.

レーザー光線3の光路には、測定光をレーザー光線3の光路及びレーザー標的用光学系5のそれぞれに結合し、そしてそれらとの結合を切り離すための第1の偏向板30が配置されている。偏向板30は、測定光がレーザー光線3と同軸に、特に、測定光とレーザー光線に共通の光軸Aに沿って、レーザー光線の光路内を伝搬し得るようにして構成されてもよい。 A first deflection plate 30 is arranged in the optical path of the laser beam 3 for coupling and decoupling the measurement light into the optical path of the laser beam 3 and into the laser target optics 5, respectively. The deflection plate 30 may be configured such that the measurement light can propagate in the optical path of the laser beam coaxially with the laser beam 3, in particular along an optical axis A common to the measurement light and the laser beam.

装置1は、第2の偏向板31を更に備え、この偏向板は、第1の偏向板30とレーザー標的用光学系5との間のレーザー光線の光路に配置される。カメラ32は、機械加工されるワークピースの機械加工位置がカメラ32を用いて視覚的に検査され得るように、第2のコリメートレンズ33及び第2の偏向プレート31を介してレーザー標的用光学系5に光学的に結合される。偏向板30、31は、レーザー光線の光路が偏向板30、31によって乱されないか又は乱されても僅かであるよう、レーザー光線を透過又は部分的に透過させる板として構成される。 The device 1 further comprises a second deflection plate 31, which is arranged in the optical path of the laser beam between the first deflection plate 30 and the laser targeting optics 5. The camera 32 is optically coupled to the laser targeting optics 5 via the second collimating lens 33 and the second deflection plate 31, so that the machining position of the workpiece to be machined can be visually inspected using the camera 32. The deflection plates 30, 31 are configured as transparent or partially transparent plates for the laser beam, so that the optical path of the laser beam is not disturbed or is disturbed only slightly by the deflection plates 30, 31.

いくつかの実施形態では、カメラ32のための光は、レーザー2と偏向板30との間において偏向板31で分岐される。レーザーと偏向板30との間でカメラ用の光を分岐させることで、カメラ用の光の分岐のための偏向板31によって距離測定が影響されない。 In some embodiments, the light for the camera 32 is split by a deflector 31 between the laser 2 and the deflector 30. By splitting the light for the camera between the laser and the deflector 30, the distance measurement is not affected by the deflector 31 for splitting the light for the camera.

図1に示された配置では、レーザー光線3は、偏向板30又は偏向板31のそれぞれによって結合され、そして透過的にレーザー標的用光学系5に至る。別の実施形態では、レーザー光線3は反射により又はレーザー光線のミラーによって、レーザー標的用光学系5と繋がる。 In the arrangement shown in FIG. 1, the laser beam 3 is coupled by the deflector plate 30 or the deflector plate 31, respectively, and passes transparently to the laser targeting optics 5. In another embodiment, the laser beam 3 is coupled to the laser targeting optics 5 by reflection or by a laser beam mirror.

特に、レーザー光線は、装置1の光学系へ、共通の光軸Aに対して横方向から又は垂直に、反射により結合されてもよい。このような配置の場合には、例えば、カメラ32及びコリメートレンズ33に代えてレーザー2が配置され、偏向板31に代えてレーザー光線のミラーが配置される。レーザー光線のミラーとして、測定光に対して少なくとも一部が透過なレーザー光線のミラーを用いてもよい。本明細書に記載の原理が実現され得る、光線路の他の構成もまた可能である。限定でない実施形態では、測定光は、同軸的に又は共通の光軸Aに沿って、レーザー光線の光路に結合される。 In particular, the laser beam may be coupled into the optical system of the device 1 by reflection, either laterally or perpendicularly to the common optical axis A. In the case of such an arrangement, for example, the camera 32 and the collimating lens 33 are replaced by a laser 2, and the deflection plate 31 is replaced by a laser beam mirror. As the laser beam mirror, a laser beam mirror that is at least partially transparent to the measurement light may be used. Other configurations of the beam path are also possible, in which the principles described herein can be realized. In a non-limiting embodiment, the measurement light is coupled into the beam path of the laser beam coaxially or along the common optical axis A.

レーザー標的用光学系5のいくつかの実施形態では、レーザー光線3が最初に一対のミラー51によって位置合わせされた後に、位置合わせされたレーザー光線3が標的位置で集束レンズ50によって集束されることができようにして、集束レンズ50が一対のミラー51の下流に配置される。 In some embodiments of the laser targeting optics 5, the laser beam 3 is first aligned by a pair of mirrors 51, and then a focusing lens 50 is positioned downstream of the pair of mirrors 51 so that the aligned laser beam 3 can be focused by the focusing lens 50 at the target location.

また、図1の実施形態による装置1はまた、評価制御部40を含む。評価制御部40は、検出された距離測定データを評価する評価部41と、可変焦点距離レンズ19の焦点距離を制御するレンズ制御部42と、レーザーの焦点に対して機械加工されるワークピースを配置するための位置制御部43とを含む。評価部41は、信号線44を介して光検出器9の出力に接続されている。レンズ制御部42は、レンズ制御線45を介して可変焦点距離レンズ19の制御ポートに接続されている。位置制御部43は、位置制御線46を介して、機械加工されるワークピース4を配置するためのポジショナ47に接続されている。 The device 1 according to the embodiment of FIG. 1 also includes an evaluation control 40. The evaluation control 40 includes an evaluation unit 41 for evaluating the detected distance measurement data, a lens control 42 for controlling the focal length of the variable focal length lens 19, and a position control 43 for positioning the workpiece to be machined relative to the focus of the laser. The evaluation unit 41 is connected to the output of the photodetector 9 via a signal line 44. The lens control 42 is connected to the control port of the variable focal length lens 19 via a lens control line 45. The position control 43 is connected to a positioner 47 for positioning the workpiece 4 to be machined via a position control line 46.

本実施形態で使用されるレーザー光源は、1030nm~1070nmの波長域の光学的放射を発生させるYAGレーザーである。また、レーザー光源として、他の固体レーザー、特に近赤外スペクトル領域で発光するレーザーや、ガスレーザー、例えばCOレーザーを用いてもよい。近赤外スペクトル領域で発光するレーザーは、材料機械加工に適している。これは、これらのレーザーは、材料機械加工に必要な光学的放射のkW帯の出力及び高出力密度を提供することが可能なためである。装置1は、レーザー2の出力を制御するように構成されたレーザー出力制御部と、レーザーの光路に配置されて、レーザー集束を制御するように構成された制御可能な集束光学系を含むレーザー集束制御部とを更に含む。図1では、表示を簡潔にするために、レーザー出力制御部及びレーザー集束制御部は図示されていない。 The laser source used in this embodiment is a YAG laser generating optical radiation in the wavelength range of 1030 nm to 1070 nm. Other solid-state lasers, in particular lasers emitting in the near infrared spectral range, as well as gas lasers, for example CO2 lasers, may also be used as laser sources. Lasers emitting in the near infrared spectral range are suitable for material machining, since they are capable of providing the kW range power and high power density of optical radiation required for material machining. The device 1 further comprises a laser power controller configured to control the power of the laser 2, and a laser focus controller arranged in the optical path of the laser and including controllable focusing optics configured to control the laser focus. In FIG. 1, for the sake of simplicity of illustration, the laser power controller and the laser focus controller are not shown.

本実施形態で使用される測定用光源は、ピーク波長が約950nmで、スペクトル半値幅が約50nmの広帯域の近赤外線LEDである。そのようなLED測定光は、混乱させる干渉又はスペックル効果を回避又は低減するのに十分に広帯域である。一方で、そのようなLED測定光は、色収差焦点シフトのような望ましくない分散効果の発生を抑えるか又は低く抑えるのに十分に狭帯域である。 The measurement light source used in this embodiment is a broadband near-infrared LED with a peak wavelength of about 950 nm and a spectral half-width of about 50 nm. Such an LED measurement light is broadband enough to avoid or reduce disruptive interference or speckle effects. On the other hand, such an LED measurement light is narrowband enough to prevent or reduce the occurrence of undesirable dispersion effects such as chromatic aberration focus shift.

図1の実施形態では、レーザー標的用光学系5又はスキャナは、集束放射を機械加工されるワークピース4の標的位置6に向けるための、及び必要に応じて、機械加工されるワークピース4の機械加工領域において集束されたレーザー光線と共に移動するための、集束レンズ50と、制御可能な一対のミラー51とを含む。一対のミラー51は、特に、簡単な方法で電気的に制御され得る一対のガルバノミラーとして構成されることができる。 In the embodiment of FIG. 1, the laser targeting optics 5 or scanner comprises a focusing lens 50 for directing the focused radiation to a target location 6 of the workpiece 4 to be machined and, if necessary, for moving together with the focused laser beam in the machining area of the workpiece 4 to be machined, and a controllable pair of mirrors 51. The pair of mirrors 51 can in particular be configured as a pair of galvanometer mirrors that can be electrically controlled in a simple manner.

集束レンズ50は、約180mmの焦点距離を有する。レーザー標的用光学系5に入る前のレーザー光線3の直径は、約10mmである。レーザー標的用光学系5は、レーザー光線3がおおよそ80mm×80mmの機械加工領域を機械加工し得るような寸法にされている。 The focusing lens 50 has a focal length of approximately 180 mm. The diameter of the laser beam 3 before entering the laser targeting optics 5 is approximately 10 mm. The laser targeting optics 5 are dimensioned such that the laser beam 3 can machine a machining area of approximately 80 mm x 80 mm.

いくつかの実施形態では、レーザー標的用光学系5は、テレセントリックレーザー標的用光学系として構成される。レーザー標的用光学系のテレセントリックな構成は、レーザー光線を備えた装置からの様々な距離で、機械加工されるワークピースを機械加工することを可能にする。 In some embodiments, the laser targeting optics 5 are configured as telecentric laser targeting optics. The telecentric configuration of the laser targeting optics allows the workpiece to be machined at various distances from the device with the laser beam.

ポジショナ47は、特に、レーザー光線の集束点に対して機械加工されるワークピース4を配置及び/又は配向するために構成されてもよく、特に、機械加工されるワークピース4の配置又は配向のために、位置制御部46からの1つ又は複数の制御信号で制御されることができる1つ又は複数のアクチュエータを含んでもよい。ワークピースの配向が可能であることは、図1では座標軸によって記号を使って示されている。 The positioner 47 may in particular be configured to position and/or orient the workpiece 4 to be machined relative to the focal point of the laser beam and may in particular include one or more actuators that can be controlled with one or more control signals from the position control 46 for positioning or orienting the workpiece 4 to be machined. The possible orientations of the workpiece are symbolically indicated in FIG. 1 by coordinate axes.

いくつかの実施形態では、図1に示される実施例のように、装置1は、距離測定装置7の光路に配置された多孔マスク60又は開口部を含む。多孔マスク60は、図2及び図3において以下で明確に理解され得る複数の孔61を含む。多孔マスク60は、機械加工されるワークピース4の表面の複数の位置で距離測定データを同時に取得するために、多孔マスク60によって測定光が複数の部分に分割されるようにして、光結合点17と可変焦点距離レンズ19の間に配置される。図1に示される実施形態では、光結合点17として作用するファイバーの端部に多孔マスクを直接配置し、それによりファイバーの端部が多孔マスク60の保持部としても機能するようにしている。 In some embodiments, such as the example shown in FIG. 1, the device 1 includes a multi-hole mask 60 or opening arranged in the optical path of the distance measuring device 7. The multi-hole mask 60 includes a number of holes 61, which can be clearly seen below in FIGS. 2 and 3. The multi-hole mask 60 is arranged between the optical coupling point 17 and the variable focal length lens 19, such that the measurement light is split into multiple parts by the multi-hole mask 60 in order to simultaneously obtain distance measurement data at multiple positions on the surface of the workpiece 4 to be machined. In the embodiment shown in FIG. 1, the multi-hole mask is arranged directly on the end of the fiber acting as the optical coupling point 17, so that the end of the fiber also serves as a holder for the multi-hole mask 60.

いくつかの実施形態では、端部に多孔マスクが配置される光ファイバーは、実質的に多孔マスク60を全体的に照明し、反射して戻る光を、多孔マスク60の実質的に全ての孔61で捕捉するのに十分な直径を有する。 In some embodiments, the optical fiber on whose end the porous mask is disposed has a diameter sufficient to illuminate substantially the entire porous mask 60 and capture the light reflected back by substantially all of the holes 61 in the porous mask 60.

いくつかの実施形態では、多孔マスク60を備えたファイバー16に代えて、図1のファイバー16と同様にしてファイバーカプラに結合されるファイバー束が使用される。 In some embodiments, the fiber 16 with the porous mask 60 is replaced with a fiber bundle that is coupled to a fiber coupler in a manner similar to the fiber 16 of FIG. 1.

図1に示される実施例のようないくつかの実施形態では、ワークピースの制御された機械加工用の装置1は、可変焦点距離レンズ19とコリメートレンズ18との間に配置されたメニスカスレンズ80を含む。 In some embodiments, such as the example shown in FIG. 1, the apparatus 1 for controlled machining of a workpiece includes a meniscus lens 80 disposed between the variable focal length lens 19 and the collimating lens 18.

メニスカスレンズ80は、実質的に球状の凹面81と実質的に球状の凸面82とを含む。メニスカスレンズ80の凹面81又は凹側は、可変焦点距離レンズ19に面し、メニスカスレンズ80の凸面82又は凸側は、コリメートレンズ18に面する。図示の実施形態では、メニスカスレンズ80は、中央に円形孔83を含む。 The meniscus lens 80 includes a substantially spherical concave surface 81 and a substantially spherical convex surface 82. The concave surface 81 or concave side of the meniscus lens 80 faces the variable focal length lens 19, and the convex surface 82 or convex side of the meniscus lens 80 faces the collimating lens 18. In the illustrated embodiment, the meniscus lens 80 includes a circular hole 83 in its center.

装置1の動作において、測定用光源8で発生した光の一部は、第1の光ファイバー10を通り、ファイバーカプラ12を経て、第3の光ファイバー16を経て、光結合点17に導かれる。測定光は、光結合点17から発散して出た後に、可変焦点距離レンズ19及びコリメートレンズ18を通過し、偏向板30によってレーザー光線3の光路に結合される。そして、レーザー光線3の光路に結合された測定光は、レーザー標的用光学系5を通過して機械加工されるワークピース4に到達することができる。 In operation of the device 1, a portion of the light generated by the measurement light source 8 passes through the first optical fiber 10, the fiber coupler 12, and the third optical fiber 16, and is guided to the optical coupling point 17. After diverging from the optical coupling point 17, the measurement light passes through the variable focal length lens 19 and the collimating lens 18, and is coupled into the optical path of the laser beam 3 by the deflection plate 30. The measurement light coupled into the optical path of the laser beam 3 can then pass through the laser targeting optics 5 to reach the workpiece 4 to be machined.

測定光がワークピース4に到達すると、測定光の一部が反射して戻り、レーザー標的用光学系5、コリメートレンズ18、可変焦点距離レンズ19及び光結合点17を経て第3の光ファイバー16に到達し得る。これにより測定光の一部は、ファイバーカプラ12で第2ファイバー13を経て光検出器9へ進路を変えられる。光検出器9は、評価のために信号線44を介して測定信号を評価部41に供給する。評価部41は、光検出器9によって検出された光の強度の経時変化を評価するように構成されている。評価部41はまた、強度の経時変化から、機械加工されるワークピースの標的位置とレーザー標的用光学系との間の距離を導き出すように構成されている。 When the measurement light reaches the workpiece 4, a portion of the measurement light may be reflected back and travel through the laser targeting optics 5, the collimating lens 18, the variable focal length lens 19 and the optical coupling point 17 to the third optical fiber 16. This causes a portion of the measurement light to be diverted by the fiber coupler 12 through the second fiber 13 to the photodetector 9. The photodetector 9 provides a measurement signal via the signal line 44 to the evaluation unit 41 for evaluation. The evaluation unit 41 is configured to evaluate the change over time in the intensity of the light detected by the photodetector 9. The evaluation unit 41 is also configured to derive from the change over time in intensity the distance between the target position of the workpiece to be machined and the laser targeting optics.

特に、可変焦点距離レンズ19は、可変焦点距離レンズの屈折力が例えば±13ジオプターで調整され、それによって測定光の焦点が光軸に沿って約±7mm移動するように、周期的に制御されてもよい。サイクル内の2つの異なる時間において、測定光の焦点は、測定される物体又は機械加工されるワークピースの表面にあり、それにより機械加工されるワークピースの表面での測定光点からの反射が、ファイバー端又は光結合点17ではっきりと結像され、光検出器によって検出される光の強度の最大値をもたらす。 In particular, the variable focal length lens 19 may be controlled periodically such that the refractive power of the variable focal length lens is adjusted, for example, by ±13 diopters, thereby moving the focus of the measurement light along the optical axis by approximately ±7 mm. At two different times within the cycle, the focus of the measurement light is at the surface of the object to be measured or the workpiece to be machined, such that the reflection from the measurement light point at the surface of the workpiece to be machined is sharply imaged at the fiber end or optical coupling point 17, resulting in a maximum value of the light intensity detected by the photodetector.

機械加工されるワークピースの距離は、光検出器によって検出される光の強度の最大値が観察される時間に基づいて、サイクル時間と測定光の焦点位置との間での予め定められた関係又は較正測定によって決まり得る関係によって決定されてもよい。 The distance of the workpiece to be machined may be determined by a predetermined relationship, or a relationship that may be determined by a calibration measurement, between the cycle time and the focal position of the measurement light based on the time at which a maximum value of the intensity of the light detected by the light detector is observed.

特に、サイクル時間の時点と、機械加工されるワークピースの表面の距離との関係を定める較正測定は、事前に又はレーザー加工を行う前に行われてもよい。較正測定は、スキャナ又はレーザー標的用光学系の横位置の2次元グリッドを介して実施され得る。決定された関係を用いて、表面の距離又はレーザー標的用光学系5と機械加工されるワークピースの標的位置6との間の距離は、次にサイクルにおける強度の最大値の時点から決定されることができる。 In particular, a calibration measurement that defines the relationship between the time of the cycle and the distance of the surface of the workpiece to be machined may be performed in advance or before performing the laser processing. The calibration measurement may be performed via a two-dimensional grid of lateral positions of the scanner or laser targeting optics. Using the determined relationship, the surface distance or the distance between the laser targeting optics 5 and the target position 6 of the workpiece to be machined can then be determined from the time of the maximum intensity in the cycle.

可変焦点距離レンズ19の焦点距離の周期的な変動又は調整は、図1において、レンズ制御部42の鋸歯状の曲線によって概略的に示されている。可変焦点距離レンズ19の焦点距離変動のサイクルと強度の最大値の発生との関係は、図1において、レンズ制御部42の鋸歯状曲線と、評価部41で示される時間座標tでの強度曲線との間に延びる破線によって概略的に示されている。 The periodic variation or adjustment of the focal length of the variable focal length lens 19 is shown in FIG. 1 diagrammatically by the sawtooth curve of the lens control unit 42. The relationship between the cycle of the focal length variation of the variable focal length lens 19 and the occurrence of the intensity maximum is shown in FIG. 1 diagrammatically by the dashed line extending between the sawtooth curve of the lens control unit 42 and the intensity curve at the time coordinate t shown in the evaluation unit 41.

多孔マスク60によって分割された測定光によって、機械加工されるワークピース4の表面の複数場所における距離測定データを同時に取得することができる。特に、ワークピースから反射して戻ってきた測定光もまた、光検出器9によって検出されることができるように、多孔マスク60の孔61を通過して、結合点17を経てファイバー16に到達する。光検出器9によって検出された光強度は、多孔マスク60のすべての孔61を経て集められたすべての測定点から反射して戻った光の全強度に相当し、それにより光学配置に起因する、異なる複数の点から反射して戻った光の間での強度差の物理的な平均化が行われる。多孔マスク60の異なる複数の孔61によって検出された異なる複数の光強度の物理的な平均化は、距離測定を各場所について個別に行う必要がないため、測定データの評価をかなり単純化し得る。もっと正確に言えば、距離は、多孔マスク60によってもたらされるすべての場所について物理的に平均化された距離測定データ、特に強度データを用いて十分に決定されることができる。 The measurement light split by the multi-hole mask 60 allows the simultaneous acquisition of distance measurement data at multiple locations on the surface of the workpiece 4 to be machined. In particular, the measurement light reflected back from the workpiece also passes through the holes 61 of the multi-hole mask 60 and reaches the fiber 16 via the coupling point 17 so that it can be detected by the photodetector 9. The light intensity detected by the photodetector 9 corresponds to the total intensity of the light reflected back from all measurement points collected through all holes 61 of the multi-hole mask 60, whereby a physical averaging of the intensity differences between the light reflected back from the different points due to the optical arrangement is performed. The physical averaging of the different light intensities detected by the different holes 61 of the multi-hole mask 60 can considerably simplify the evaluation of the measurement data, since a distance measurement does not have to be performed for each location individually. More precisely, the distance can be sufficiently determined using the distance measurement data, in particular the intensity data, physically averaged for all locations provided by the multi-hole mask 60.

メニスカスレンズ80の配置により、メニスカスレンズ80の表面81、82から反射されて戻った光は、光結合点17を経てファイバー16に入り、光検出器9によって検出されてもよい。 Due to the arrangement of the meniscus lens 80, light reflected back from the surfaces 81, 82 of the meniscus lens 80 may pass through the optical coupling point 17 into the fiber 16 and be detected by the photodetector 9.

特に、可変焦点距離レンズ19から出た光線がメニスカスレンズ80の2つの表面81、82のうちの1つに垂直に当たる時に、メニスカスレンズ80の対応する表面81又は82からの光の最大の割合が、可変焦点距離レンズ19を通ってファイバー16へ反射して戻る。したがって、そのような光線構成は、反射されて戻った光の対応する強度ピークによって検出されることができ、メニスカスレンズ80の2つの表面81、82の各々が、それ自身の強度ピークに関与している。 In particular, when a light beam leaving the variable focal length lens 19 strikes one of the two surfaces 81, 82 of the meniscus lens 80 perpendicularly, a maximum percentage of the light from the corresponding surface 81 or 82 of the meniscus lens 80 is reflected back through the variable focal length lens 19 to the fiber 16. Thus, such a beam configuration can be detected by a corresponding intensity peak in the reflected light, with each of the two surfaces 81, 82 of the meniscus lens 80 contributing its own intensity peak.

いくつかの実施形態では、メニスカスレンズは、可変焦点距離レンズ19の調整の間の繰り返し時間サイクルの最初と最後のそれぞれで、ピークが発生するように寸法が定められている。2つのピークのそれぞれの位置は、常に可変焦点距離レンズ19の焦点距離の一定値に対応し、従って同じ距離に対応する。特に温度変化の影響により、経時変化と距離の値の関係が変化することがある。調整可能なレンズは大きく影響を受け、そのため温度変化のもとでは、制御値と可変焦点距離レンズ19の焦点距離の間の関係が変化することがある。メニスカスレンズ80による複数の強度ピークは、それぞれが可変焦点距離レンズ19の同じ焦点距離で発生するので、これらのピークに基づいて可変焦点距離レンズ19又は経時変化と距離の関係が精密に較正されることができる。これは、可変焦点距離レンズ19とは対照的に、メニスカスレンズ80は無視できる程度の温度依存性であるためである。 In some embodiments, the meniscus lens is dimensioned such that a peak occurs at the beginning and end of each repetitive time cycle during the adjustment of the variable focal length lens 19. The positions of the two peaks always correspond to a constant value of the focal length of the variable focal length lens 19 and therefore to the same distance. The relationship between the time change and the distance value may change, especially due to the influence of temperature changes. Adjustable lenses are highly sensitive, so that the relationship between the control value and the focal length of the variable focal length lens 19 may change under temperature changes. Since the multiple intensity peaks due to the meniscus lens 80 each occur at the same focal length of the variable focal length lens 19, the variable focal length lens 19 or the relationship between the time change and the distance can be precisely calibrated based on these peaks. This is because, in contrast to the variable focal length lens 19, the meniscus lens 80 has negligible temperature dependence.

メニスカスレンズ80の中心にある円形孔83を通って、測定光の光線は乱されずにメニスカスレンズを通過するので、メニスカスレンズ80によって端部の光線のみが反射されて戻ることができる。レンズ面積又は孔の大きさのそれぞれを選択することによって、メニスカスレンズ80から反射されて戻る光の強度が、較正信号として機能するのに十分高く、しかし機械加工される物体から反射されて戻る測定光の測定信号又は強度信号のそれぞれが、メニスカスレンズの反射によって目立たなくなるほど高くならないように、反射の強度を調整することができる。いくつかの実施形態では、孔83は、測定光の大部分が反射されずにメニスカスレンズ80の孔83を通過するような寸法にされる。 Through the circular hole 83 in the center of the meniscus lens 80, the measurement light beam passes through the meniscus lens undisturbed, so that only the edge beam can be reflected back by the meniscus lens 80. By selecting the lens area or the size of the hole, respectively, the intensity of the reflection can be adjusted so that the intensity of the light reflected back from the meniscus lens 80 is high enough to act as a calibration signal, but not so high that the measurement signal or intensity signal, respectively, of the measurement light reflected back from the object to be machined is overshadowed by the meniscus lens reflection. In some embodiments, the hole 83 is dimensioned such that a large portion of the measurement light passes through the hole 83 of the meniscus lens 80 unreflected.

いくつかの実施形態では、メニスカスレンズ80の下流側にアパーチャが配置され、このアパーチャは、測定光の内側の光線部分を通過させ、測定光の外側の光線部分を遮るように構成されている。このようにして、特に、メニスカスレンズ80の影響を受けた光線を測定から除外してもよい。 In some embodiments, an aperture is disposed downstream of the meniscus lens 80 and configured to pass an inner portion of the measurement light and block an outer portion of the measurement light. In this way, light rays that are specifically affected by the meniscus lens 80 may be excluded from the measurement.

いくつかの実施形態では、メニスカスレンズ80は孔を有さずに、2つの表面81、82の少なくとも一方にコーティングを含む。コーティングの厚さ又は反射率は、それぞれ測定信号がメニスカスレンズの反射成分によって目立たなくならないように選択されることができる。いくつかの実施形態では、メニスカスレンズ80は、その反射成分が測定光の波長範囲において4%未満であるようにして反射防止コーティングを含む。 In some embodiments, the meniscus lens 80 does not have a hole and includes a coating on at least one of the two surfaces 81, 82. The thickness or reflectivity of the coating, respectively, can be selected so that the measurement signal is not obscured by the reflected component of the meniscus lens. In some embodiments, the meniscus lens 80 includes an anti-reflective coating such that its reflected component is less than 4% in the wavelength range of the measurement light.

いくつかの実施形態では、メニスカスレンズ80は、円形孔83とコーティングの両方を含み、円形孔83の寸法とコーティングの厚さは、測定信号を目立たなくさせる又は過度に影響を与えることなく、十分に強い較正信号を得るように選択されることができる。 In some embodiments, the meniscus lens 80 includes both a circular hole 83 and a coating, and the dimensions of the circular hole 83 and the thickness of the coating can be selected to obtain a sufficiently strong calibration signal without obscuring or unduly affecting the measurement signal.

図2は、一実施形態による多孔マスクを示す図である。 Figure 2 shows a porous mask according to one embodiment.

図2の多孔マスク60は、実質的に長方形の開口部の形態であり、複数の円形孔61を含む。本実施形態では、円形孔61は、六角形の格子状に開口部の全面に亘って実質的に均等に分布している。六角形の格子状での孔61の分布は、孔の密度を高くすることができるので、多くの測定点で距離測定データを取得するために、測定光を多孔マスクによって多くの部分に分割することができる。同時に、一定の密度に関して、六角形格子を選択した場合には隣接する孔の間の距離が最大となり、そのため孔間のクロストークは最小となる。 The aperture mask 60 of FIG. 2 is in the form of a substantially rectangular opening and includes a number of circular holes 61. In this embodiment, the circular holes 61 are substantially evenly distributed over the entire surface of the opening in a hexagonal lattice. The distribution of the holes 61 in a hexagonal lattice allows a high density of holes, so that the measurement light can be divided into many parts by the aperture mask in order to obtain distance measurement data at many measurement points. At the same time, for a constant density, the distance between adjacent holes is maximized when a hexagonal lattice is selected, and therefore crosstalk between the holes is minimized.

図3は、別の実施形態による多孔マスクを示す。 Figure 3 shows a porous mask according to another embodiment.

図3の多孔マスク60は、実質的に長方形の開口部の形態であって複数の孔61を含み、図2の多孔マスク60と類似する。図2の多孔マスク60とは対照的に、図3の多孔マスクの孔61は長方形であり、市松模様に開口部の全面に亘って実質的に均等に分布している。 The porous mask 60 of FIG. 3 includes a plurality of holes 61 in the form of substantially rectangular openings and is similar to the porous mask 60 of FIG. 2. In contrast to the porous mask 60 of FIG. 2, the holes 61 of the porous mask of FIG. 3 are rectangular and substantially evenly distributed over the entire surface of the opening in a checkerboard pattern.

図2及び図3に例示された多孔マスク60の充填度は、好ましくは30%~70%であり、特に多孔マスクに当たる光の約50%が多孔マスクを通過するよう約50%である。 The filling level of the porous mask 60 illustrated in Figures 2 and 3 is preferably between 30% and 70%, and in particular about 50% so that about 50% of the light striking the porous mask passes through the porous mask.

図2及び図3に例示された実施形態に代えて、多孔マスクはまた、本質的に円形であってもよい。円形の多孔マスクは、円形の断面を有する光ファイバーの端部に正確に配置されるのに特によく適している。 Alternatively to the embodiment illustrated in Figures 2 and 3, the porous mask may also be essentially circular. A circular porous mask is particularly well suited to be precisely positioned on the end of an optical fiber having a circular cross section.

図4は、一実施形態によるメニスカスレンズの概略側面図である。 Figure 4 is a schematic side view of a meniscus lens according to one embodiment.

図4の図に明確に示されるように、メニスカスレンズ80は、実質的に球状の凹面81と実質的に球状の凸面82とを含む。図示された実施形態では、メニスカスレンズ80は、中央に円形孔83を含む。 As clearly shown in the diagram of FIG. 4, the meniscus lens 80 includes a substantially spherical concave surface 81 and a substantially spherical convex surface 82. In the illustrated embodiment, the meniscus lens 80 includes a central circular hole 83.

図5は、図4のメニスカスレンズの概略平面図を示す。 Figure 5 shows a schematic plan view of the meniscus lens of Figure 4.

図5の平面図では、メニスカスレンズ80の円形孔83を特によく見ることができる。図1の説明で既に上述されたように、メニスカスレンズ80は異なる形状を有してもよい。特に、2つの表面81、82のうちの少なくとも一方がコーティングを含んでもよい。更に、メニスカスレンズ80の表面81、82での戻る方向への反射が、測定信号を目立たなくすることなく又は距離測定を損なうことなく、十分な強度の較正ピークを生成するように、円孔83の寸法及び/又はコーティングの厚み若しくは反射率が選択されることができる。 In the plan view of FIG. 5, the circular hole 83 of the meniscus lens 80 can be particularly well seen. As already mentioned above in the description of FIG. 1, the meniscus lens 80 may have different shapes. In particular, at least one of the two surfaces 81, 82 may include a coating. Furthermore, the dimensions of the circular hole 83 and/or the thickness or reflectivity of the coating can be selected such that the return reflections at the surfaces 81, 82 of the meniscus lens 80 generate a calibration peak of sufficient intensity without obscuring the measurement signal or impairing the distance measurement.

図6は、一実施形態による距離測定装置の一部で生じ得る光路を概略的に示す。 Figure 6 shows a schematic of possible optical paths in a portion of a distance measuring device according to one embodiment.

図6に図示された部分は、図1に図示された可変焦点距離レンズ19と、メニスカスレンズ80と、光ファイバー13の結合点17とを含む。 The portion shown in FIG. 6 includes the variable focal length lens 19, the meniscus lens 80, and the coupling point 17 of the optical fiber 13 shown in FIG. 1.

光結合点17から離れる方向に向けられた長い矢印は、光結合点17から出る測定光線を表し、この光線は可変焦点距離レンズ19を通り、またメニスカスレンズ80を部分的に通って放射される。メニスカスレンズ80から光結合点17に戻る方向を指す矢印は、凹面81又は凸面82のそれぞれから反射された光線を示す。表面81、82の本質的に球面の曲率により、反射光線はそれぞれの焦点でまとまる。 The long arrows pointing away from the optical coupling point 17 represent measurement rays emanating from the optical coupling point 17, which are emitted through the variable focal length lens 19 and partially through the meniscus lens 80. The arrows pointing back from the meniscus lens 80 to the optical coupling point 17 show the rays reflected from the concave or convex surfaces 81 and 82, respectively. The essentially spherical curvature of the surfaces 81, 82 causes the reflected rays to converge at their respective focal points.

図6に図示された場合では、メニスカスレンズ80の凹面81から反射した光は、光結合点17の光放出面に集束し、一方でメニスカスレンズ80の凸面82から反射して戻る光の焦点は、光受入面又は光結合点17の上流にある。図示された光路は、特に、可変焦点距離レンズ19のある焦点距離で発生し得る。 In the case illustrated in FIG. 6, light reflected from the concave surface 81 of the meniscus lens 80 is focused on the light emitting surface of the optical coupling point 17, while the focus of light reflected back from the convex surface 82 of the meniscus lens 80 is upstream of the light receiving surface or optical coupling point 17. The illustrated optical path may occur, in particular, at certain focal lengths of the variable focal length lens 19.

図7は、図6による部分での別の生じ得る光路を概略的に示す。 Figure 7 shows a schematic diagram of another possible light path in the section according to Figure 6.

図7の光路は、図6に図示された光路に基本的に対応する。図6に図示された場合とは対照的に、可変焦点距離レンズ19は、反射して戻る2つの光線のいずれもが光結合点17でまとまらないようにして、異なる複数の焦点距離の値を有している。 The optical path in FIG. 7 basically corresponds to the optical path illustrated in FIG. 6. In contrast to the case illustrated in FIG. 6, the variable focal length lens 19 has different focal length values such that neither of the two reflected back rays meets at the optical coupling point 17.

図8は、図6による部分での別の生じ得る光路を概略的に示す。 Figure 8 shows a schematic diagram of another possible light path in the section according to Figure 6.

図8に示された光路は、メニスカスレンズ80の凸面82から反射して戻る光が光結合点17の光放出面で集束され、一方でメニスカスレンズ80の凹面81から反射して戻る光の焦点が、光受入面又は光結合点17の下流である場合の可変焦点距離レンズ19の焦点距離に対応する。 The optical path shown in FIG. 8 corresponds to the focal length of the variable focal length lens 19 when the light reflected back from the convex surface 82 of the meniscus lens 80 is focused at the light emitting surface of the optical coupling point 17, while the focus of the light reflected back from the concave surface 81 of the meniscus lens 80 is downstream of the light receiving surface or optical coupling point 17.

図6、図7及び図8に示される測定光の可能な光線構成は、メニスカスレンズ80の動作を示す。例えば、可変焦点距離レンズ19が周期的に調整される場合、焦点距離は、最小焦点距離と最大焦点距離との間の全ての値を周期的に循環し、その際に、図6、図7及び図8に図示された光線構成が周期的に発生し得る。メニスカスレンズ80によって反射されて戻る光線のいずれもが光結合点17に集束されない場合である図7に図示された光線構成又は同様の光線構成は、可変焦点距離レンズ19の様々な設定において発生し得る。対照的に、図6及び図8に例示された光線構成は、可変焦点距離レンズ19の焦点距離の非常に特定の値でのみ発生し得る。メニスカスレンズ80の表面81、82から反射して戻る光が光ファイバー13の光結合点17で集束されることにより、図6及び図8に図示された光線構成では、そうでない場合に比べてメニスカスレンズ80から反射して戻る光のより大きな割合が、光結合点へ結合される。この結合された光の量の増加は、光検出器によって検出される光の強度での対応する増加によって検出されることができる。対応する強度ピークは、光検出器、例えば図1による配置での光検出器9によって検出されて、距離測定装置7を較正するための較正ピークとして使用されてもよい。特に、それぞれの強度ピークの時間的位置は、可変焦点距離レンズ19の対応する焦点距離又は距離測定装置7の対応する測定距離を推定するために使用されてもよい。 The possible beam configurations of the measurement light shown in Figures 6, 7 and 8 show the operation of the meniscus lens 80. For example, if the variable focal length lens 19 is adjusted periodically, the focal length will cycle through all values between the minimum focal length and the maximum focal length, and the beam configurations shown in Figures 6, 7 and 8 may occur periodically. The beam configuration shown in Figure 7 or a similar beam configuration, in which none of the beams reflected back by the meniscus lens 80 are focused at the optical coupling point 17, may occur at various settings of the variable focal length lens 19. In contrast, the beam configurations illustrated in Figures 6 and 8 may only occur at very specific values of the focal length of the variable focal length lens 19. Due to the fact that the light reflected back from the surfaces 81, 82 of the meniscus lens 80 is focused at the optical coupling point 17 of the optical fiber 13, a larger proportion of the light reflected back from the meniscus lens 80 is coupled to the optical coupling point in the beam configurations shown in Figures 6 and 8 than would otherwise be the case. This increase in the amount of coupled light can be detected by a corresponding increase in the intensity of the light detected by the photodetector. The corresponding intensity peaks may be detected by a photodetector, for example photodetector 9 in the arrangement according to FIG. 1, and used as calibration peaks for calibrating distance measuring device 7. In particular, the position in time of each intensity peak may be used to estimate the corresponding focal length of variable focal length lens 19 or the corresponding measured distance of distance measuring device 7.

図6、図7及び図8に示された部分は、多孔マスク60を有していない。メニスカスレンズ80の動作に関する図6、図7及び図8の上記説明は、測定光をいくつかの部分に分割し、異なる複数の位置から距離測定データを取得するために多孔マスク60が用いられる場合にも適宜適用され、多孔マスク60は、例えば、結合点17と可変焦点距離レンズ19との間に配置されることが可能である。 The parts shown in Figures 6, 7 and 8 do not have a multi-aperture mask 60. The above description of Figures 6, 7 and 8 regarding the operation of the meniscus lens 80 also applies, as appropriate, when a multi-aperture mask 60 is used to split the measurement light into several parts and obtain distance measurement data from several different positions, and the multi-aperture mask 60 can be placed, for example, between the coupling point 17 and the variable focal length lens 19.

図9は、メニスカスレンズから反射して戻る光の強度の経時変化を示す図である。 Figure 9 shows the change over time in the intensity of light reflected back from a meniscus lens.

特に、図9は、図6、図7及び図8に示された配置での測定光強度の時間依存性を示しており、メニスカスレンズ80及び機械加工されるワークピース4によって反射されて戻り、光ファイバー16に結合される光の部分の強度は、調整サイクルの間に測定される。ここでの調整サイクルは、最小操作値から最大操作値への又はその逆の進行に対応する。時間tと強度Iは、図9では任意の単位で示されている。ある時間の値に対して、強度I(t)の時間依存性は、明確な強度ピーク又は較正ピークを示す。特に、曲線I(t)は、左の鋭いピーク(a)、右の鋭いピーク(c)及び僅かにそれよりも広い中間のピーク(m)を含む。左の鋭いピーク(a)は、メニスカスレンズ80の凹面81からの反射が光ファイバー16の光結合点17で集束され、それにより集束して光ファイバー16に入る場合の図6に示された光線構成に対応する。2つのピーク(a)と(c)の間では、光結合点17が、メニスカスレンズ80の凹面81から反射して戻った光と、凸面82から反射して戻った光の2つの焦点の間にある時に、図7に示される光線構成が生じる。この場合、凹面81からの反射光も凸面82からの反射光も、光ファイバー16に適切に結合され得ない。この区間では、機械加工されるワークピース4からの反射光によって生じるピーク(m)が発生し、ワークピース4の距離が決定されることができる(測定ピーク)。右のピーク(c)は、メニスカスレンズの凸面82からの反射光が、光結合点17で光ファイバー16に束で入る場合の図8に示された光線構成に相当する。特に、描かれた周期の最初と最後の鋭いピーク(a)及び(c)はそれぞれ、距離測定装置の正確な較正の基礎となり得るように、明確な時間的位置を有する。強度曲線の特徴的な経過に基づいて、ピーク(a)及び(c)を容易に特定し、それぞれの光線構成に割り当てることができる。 In particular, FIG. 9 shows the time dependence of the measured light intensity for the arrangement shown in FIGS. 6, 7 and 8, where the intensity of the portion of the light reflected back by the meniscus lens 80 and the workpiece 4 to be machined and coupled into the optical fiber 16 is measured during an adjustment cycle. The adjustment cycle here corresponds to the progression from the minimum operating value to the maximum operating value or vice versa. Time t and intensity I are shown in arbitrary units in FIG. 9. For a certain value of time, the time dependence of the intensity I(t) shows a clear intensity peak or calibration peak. In particular, the curve I(t) includes a sharp peak on the left (a), a sharp peak on the right (c) and a slightly broader intermediate peak (m). The sharp peak on the left (a) corresponds to the light beam configuration shown in FIG. 6 when the reflection from the concave surface 81 of the meniscus lens 80 is focused at the optical coupling point 17 of the optical fiber 16 and thereby focused into the optical fiber 16. Between the two peaks (a) and (c), the beam configuration shown in FIG. 7 occurs when the optical coupling point 17 is between the two foci of the light reflected back from the concave surface 81 and the light reflected back from the convex surface 82 of the meniscus lens 80. In this case, neither the reflected light from the concave surface 81 nor the reflected light from the convex surface 82 can be properly coupled into the optical fiber 16. In this section, a peak (m) occurs due to the reflected light from the workpiece 4 to be machined, and the distance of the workpiece 4 can be determined (measurement peak). The right peak (c) corresponds to the beam configuration shown in FIG. 8 when the reflected light from the convex surface 82 of the meniscus lens enters the optical fiber 16 in a bundle at the optical coupling point 17. In particular, the sharp peaks (a) and (c) at the beginning and end of the depicted period, respectively, have a well-defined time position so that they can serve as the basis for an accurate calibration of the distance measuring device. Based on the characteristic course of the intensity curve, the peaks (a) and (c) can be easily identified and assigned to the respective beam configuration.

図10は、別の実施形態によるワークピースの制御された機械加工のための装置を概略的に示す。図10の装置1は、基本的に図1に示された装置1に対応するが、ファイバーカプラに代えて、第1の光ファイバー10の光出射端91を通して測定光を結合させ、機械加工されるワークピース4から反射されて戻る測定光を取り出すように構成されたビームスプリッタ90を含む。ビームスプリッタ90を通して取り出された測定光は、光検出器によって検出されるために、第2の光ファイバー13の光入射端92に結合されることができる。第1の光ファイバー10の光出射端91と第2の光ファイバー13の光入射端92は、互いに共焦点となるように設定されている。ビームスプリッタを使用することにより、ファイバーカプラで発生する攪乱する光散乱効果を回避することができる。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ90は、ビームスプリッタキューブとして構成される。ビームスプリッタキューブは頑丈であり、散乱損失が小さい。 Figure 10 shows a schematic diagram of an apparatus for controlled machining of a workpiece according to another embodiment. The apparatus 1 of Figure 10 basically corresponds to the apparatus 1 shown in Figure 1, but instead of a fiber coupler, it includes a beam splitter 90 configured to couple the measurement light through a light output end 91 of the first optical fiber 10 and to extract the measurement light reflected back from the workpiece 4 to be machined. The measurement light extracted through the beam splitter 90 can be coupled into a light input end 92 of the second optical fiber 13 for detection by a photodetector. The light output end 91 of the first optical fiber 10 and the light input end 92 of the second optical fiber 13 are set to be confocal with each other. The use of a beam splitter makes it possible to avoid disturbing light scattering effects that occur in fiber couplers. In some embodiments, the beam splitter 90 is configured as a beam splitter cube. The beam splitter cube is robust and has low scattering losses.

いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ90を備えた装置1は、少なくとも1つの多孔マスクを含む。図10に示される実施例では、装置1は、実質的に同一に形成された2つの多孔マスク60を含み、一方の多孔マスク60は、第1の光ファイバー10の光出射端91の下流に接続され、第2の多孔マスク60は、第2の光ファイバー13の光入射端92の上流に接続されている。多孔マスク60は、第1及び第2の光ファイバー10、13のファイバー端に直接配置されている。 In some embodiments, the apparatus 1 with the beam splitter 90 includes at least one porous mask. In the example shown in FIG. 10, the apparatus 1 includes two substantially identically formed porous masks 60, one of which is connected downstream of the light output end 91 of the first optical fiber 10 and the second of which is connected upstream of the light input end 92 of the second optical fiber 13. The porous masks 60 are disposed directly at the fiber ends of the first and second optical fibers 10, 13.

多孔マスク60は、図1、図2及び図3に図示されて上述された多孔マスクと同様であってもよい。多孔マスク60は、2つの多孔マスク60の孔61(図示せず)が互いに焦点を共有するように位置合わせされるようにして、配置及び調整される。 The porous mask 60 may be similar to the porous masks shown in Figures 1, 2 and 3 and described above. The porous masks 60 are positioned and adjusted such that the holes 61 (not shown) of the two porous masks 60 are aligned to be confocal with each other.

図11は、一実施形態によるワークピースの制御された機械加工のための方法のフロー図である。 Figure 11 is a flow diagram of a method for controlled machining of a workpiece according to one embodiment.

ワークピースの制御された機械加工のための方法100は、いくつかのステップを含み、これらは異なる順序で、また必要に応じて繰り返し実施されることもできる。その方法は、例えば、図1又は図2の装置によって実施されることができる。 The method 100 for controlled machining of a workpiece includes several steps, which may be performed in different orders and repeated as necessary. The method may be performed, for example, by the apparatus of FIG. 1 or FIG. 2.

ステップ110において、機械加工されるワークピースの標的位置にレーザーの焦点を生成するようにして、レーザー光線が集束される。レーザー光線の集束は、特に機械加工されるワークピースの標的位置にレーザー光線を集束させるために、特に、レーザー標的用光学系を用いて実施されてもよい。ステップ110におけるレーザー光線の集束は、特に、機械加工されるワークピース4の材料機械加工が行われないか又はわずかしか行なわれないように、低いレーザー出力で行われてもよい。レーザー光線は、例えばHeNeレーザーである補助レーザーによって集束されてもよく、その光線は、例えば偏向板によって、レーザー光線に共線的にレーザー光線の光路に結合される。レーザー標的用光学系又はスキャナとして、2つの枢動可能なガルバノミラーを備えたガルバノスキャナを用いてもよい。 In step 110, the laser beam is focused so as to generate a laser focus at the target location of the workpiece to be machined. The focusing of the laser beam may in particular be performed using laser targeting optics, in order to focus the laser beam at the target location of the workpiece to be machined. The focusing of the laser beam in step 110 may in particular be performed with low laser power, so that no or only little material machining of the workpiece 4 to be machined takes place. The laser beam may be focused by an auxiliary laser, for example a HeNe laser, the light of which is coupled into the optical path of the laser beam collinearly with the laser beam, for example by a deflector plate. As the laser targeting optics or scanner, a galvanometer scanner with two pivotable galvanometer mirrors may be used.

ステップ120において、機械加工されるワークピースの標的位置とレーザー標的用光学系との、あるいはレーザー標的用光学系の基準点又は基準面との間の距離を決定するための光学距離測定装置により、光学距離測定データが取得される。距離測定装置は、測定光、特に近赤外スペクトル領域の広帯域の測定光を生成するための測定用光源と、可変焦点距離測定光光学系、特に可変焦点距離レンズとを備えた光学共焦点距離測定装置として構成されることができ、この方法は、可変焦点距離測定光光学系の異なる複数の焦点距離の値で距離測定データを取得するために、経時的に可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を変動させることを含むことができる。 In step 120, optical distance measurement data is obtained by an optical distance measurement device for determining the distance between a target position of the machined workpiece and the laser targeting optics or between a reference point or surface of the laser targeting optics. The distance measurement device can be configured as an optical confocal distance measurement device with a measurement light source for generating measurement light, in particular broadband measurement light in the near infrared spectral range, and a variable focal length measurement light optics, in particular a variable focal length lens, and the method can include varying the focal length of the variable focal length measurement light optics over time to obtain distance measurement data at different focal length values of the variable focal length measurement light optics.

距離測定データの取得は、特に、機械加工されるワークピースから反射されて戻る測定光の強度を取得することを含むことができ、それにより距離は強度に基づいて、特に、ワークピースから反射されて戻る測定光の強度の経時変化に基づいて、決定される。 Acquiring the distance measurement data may in particular include acquiring the intensity of the measurement light reflected back from the workpiece being machined, whereby the distance is determined based on the intensity, in particular based on the change over time in the intensity of the measurement light reflected back from the workpiece.

ステップ130において、機械加工されるワークピースは、取得された距離測定データに基づいて、レーザーの焦点に対して位置される。いくつかの実施形態では、機械加工されるワークピースを配置することに代えて又はそれに加えて、レーザーが再集束される。 In step 130, the workpiece to be machined is positioned relative to the focal point of the laser based on the acquired distance measurement data. In some embodiments, the laser is refocused instead of or in addition to positioning the workpiece to be machined.

ステップ140において、機械加工されるワークピースの標的位置は、集束されたレーザー光線を用いて機械加工される。 In step 140, the target location on the workpiece to be machined is machined using a focused laser beam.

いくつかの実施形態では、可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を経時的に変動させることは、可変焦点距離測定光光学系の異なる複数の焦点距離で距離測定データを取得するために、可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を調整すること、特に、周期的に調整することを含む。 In some embodiments, varying the focal length of the variable focal length measurement light optics over time includes adjusting, in particular periodically adjusting, the focal length of the variable focal length measurement light optics to obtain distance measurement data at a plurality of different focal lengths of the variable focal length measurement light optics.

可変焦点距離測定光光学系の焦点距離の変動は、特に、可変焦点距離光学素子、特に、可変焦点距離レンズを用いて実施されることができる。 The variation of the focal length of the variable focal length measuring optical system can in particular be performed using a variable focal length optical element, in particular a variable focal length lens.

測定サイクルは、典型的には、25ミリ秒続くことができる。測定サイクルの間、可変焦点距離レンズの焦点出力は、例えば±13ジオプターの範囲で調整されることができ、測定光の焦点は、測定光学系の軸方向に又は光軸に沿って約±7mm移動されることができる。 A measurement cycle can typically last 25 milliseconds. During the measurement cycle, the focal power of the variable focal length lens can be adjusted, for example, in the range of ±13 diopters, and the focus of the measurement light can be moved approximately ±7 mm in the axial direction or along the optical axis of the measurement optics.

サイクル時間と焦点位置との間の既知の関係により、機械加工されるワークピースの距離は、強度の最大値を用いて決定され得る。 Due to the known relationship between cycle time and focus position, the distance of the workpiece being machined can be determined using the maximum intensity value.

サイクル時間と距離との間の関係を決定するために、いくつかの実施形態では較正測定が行われ、特にレーザー加工の前に行われる。 To determine the relationship between cycle time and distance, in some embodiments, a calibration measurement is performed, particularly prior to laser processing.

図12は、更なる実施形態によるワークピースの制御された機械加工のための装置を概略的に示す。図12の装置1は、基本的に図10に示された装置に対応するが、レーザー2でのワークピースの機械加工によって生じる機械加工光が検出されることができる光検出器161を追加で含む。 Figure 12 shows diagrammatically an apparatus for controlled machining of a workpiece according to a further embodiment. The apparatus 1 of Figure 12 essentially corresponds to the apparatus shown in Figure 10, but additionally comprises a light detector 161 by which machining light resulting from machining of the workpiece with the laser 2 can be detected.

更に、図12の装置1は、特定のスペクトル範囲の機械加工光を反射し、一方でレーザー光は反射しないように構成された波長依存の反射性を有する光学フィルタ162を含む。更に、光学フィルタ162は、測定がフィルタによって影響されないように、測定光の実質的に全てを透過させるように構成されている。 In addition, the apparatus 1 of FIG. 12 includes an optical filter 162 having wavelength-dependent reflectivity configured to reflect machining light in a particular spectral range while not reflecting laser light. Furthermore, the optical filter 162 is configured to transmit substantially all of the measurement light such that the measurement is not affected by the filter.

ワークピースを機械加工する際にレーザー2で発生した機械加工光は、レーザー標的用光学系5及び測定光学系を経て光学フィルタ162に到達し、光学フィルタ162で反射されてビームスプリッタ90に導かれ、ビームスプリッタ90は次に機械加工光を反射して受光器161に導く。光学フィルタ162の反射特性により、ワークピース4で反射又は散乱して、レーザー標的用光学系5を経て光学フィルタ162に戻るレーザー光線は、光検出器161に導かれることはない。 When machining a workpiece, machining light generated by laser 2 passes through laser targeting optics 5 and measurement optics to reach optical filter 162, where it is reflected and directed to beam splitter 90, which then reflects the machining light and directs it to receiver 161. Due to the reflective properties of optical filter 162, the laser beam that is reflected or scattered by workpiece 4 and returns to optical filter 162 through laser targeting optics 5 is not directed to photodetector 161.

レーザー光がワークピースに最もよく集束される距離を定める際には、機械加工光が検出される。測定光用の光源8がオフにされると、これは測定光もレーザー光も光検出器161によって検出されずに、機械加工光として誤って捉えられることがないことを確保する。 The machining 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, this ensures that neither the measurement light nor the laser light is detected by the photodetector 161 and is not mistaken for machining light.

いくつかの実施形態では、光検出器161は、機械加工光の有無をチェックするだけで、機械加工光の発生場所に関する位置情報を提供しない。そのため、機械加工光は光検出器161に集束される必要がない。このことは、光検出器161の正確な位置は重要でないので光検出器161を調整する必要がないため、構造上の実施を容易にする。 In some embodiments, the photodetector 161 only checks for the presence or absence of machining light, and does not provide positional information regarding where the machining light is originating. Therefore, the machining light does not need to be focused onto the photodetector 161. This facilitates structural implementation since the exact location of the photodetector 161 is not critical and therefore the photodetector 161 does not need to be adjusted.

図12に示された実施形態に代えて、多孔マスク60が、機械加工光のみを反射し、レーザー光及び測定光を反射しない反射フィルタとして機能するように、部分的に反射する層を備えてもよい。したがって、この実施形態では、フィルタ162の形態の追加の構成要素は省略されることができる。 As an alternative to the embodiment shown in FIG. 12, the porous mask 60 may comprise a partially reflective layer so as to act as a reflective filter that reflects only the machining light and not the laser light and the measurement light. In this embodiment, therefore, an additional component in the form of the filter 162 may be omitted.

いくつかの実施形態では、機械加工光は光検出器9によって検出される。この実施形態では、光学フィルタ162は、機械加工光と測定光の両方を透過させるが、レーザー光は透過しないようにされる。測定用光源8がオフにされる時、光検出器9は、したがって機械加工光を検出するために使用され得る。 In some embodiments, the machining light is detected by the photodetector 9. In this embodiment, the optical filter 162 transmits both the machining light and the measurement light, but not the laser light. When the measurement light source 8 is turned off, the photodetector 9 can thus be used to detect the machining light.

前述の説明では、少なくとも1つの例示の実施形態が示されたが、様々な変更及び変形が可能である。前述の実施形態は例示に過ぎず、本開示の範囲、適用性又は構成を限定することは全く意図されていない。むしろ、前述の説明は、少なくとも1つの例示の実施形態を実施するための案を当業者に提供し、例示の実施形態に記載された要素の機能及び配置での多数の変更が、特許請求の範囲及びその法的な均等物の保護範囲から逸脱することなくなされることができる。 The foregoing description has presented at least one exemplary embodiment, and various modifications and variations are possible. The foregoing embodiment is merely exemplary, and is in no way intended to limit the scope, applicability, or configuration of the present disclosure. Rather, the foregoing description provides one of ordinary skill in the art with ideas for implementing at least one exemplary embodiment, and numerous changes in the function and arrangement of elements described in the exemplary embodiment may be made without departing from the scope of protection of the appended claims and their legal equivalents.

1 装置
2 レーザー
3 レーザー光線
4 ワークピース
5 レーザー標的用光学系
6 標的位置
7 距離測定装置
8 測定用光源
9 光検出器
10 第1の光ファイバー
11 第1接続点
12 ファイバーカプラ
13 第2の光ファイバー
14 第2の接続点
15 第3の接続点
16 第3の光ファイバー
17 光結合部
18 コリメートレンズ
19 可変焦点距離レンズ
30 偏向板
31 偏向板
32 カメラ
33 コリメートレンズ
40 評価制御部
41 評価部
42 レンズ制御部
43 位置制御部
44 信号線
45 レンズ制御線
46 位置制御線
47 ポジショナ
50 集束レンズ
51 一対のミラー
60 多孔マスク
61 孔
80 メニスカスレンズ
81 凹面
82 凸面
83 円形孔
90 ビームスプリッタ
91 第1の光ファイバーの端部
92 第2の光ファイバーの端部
100 方法
110 集束
120 距離測定データの取得
130 位置付け
140 機械加工
161 光検出器
162 光学フィルタ
A 光軸
F 焦点
H 測定範囲
O ゼロ面
T 時間座標
X、Y、Z 空間座標
1 Apparatus 2 Laser 3 Laser beam 4 Workpiece 5 Laser target optics 6 Target position 7 Distance measuring device 8 Measurement light source 9 Light detector 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 Optical coupling section 18 Collimating lens 19 Variable focal length lens 30 Deflection plate 31 Deflection plate 32 Camera 33 Collimating lens 40 Evaluation control section 41 Evaluation section 42 Lens control section 43 Position control section 44 Signal line 45 Lens control line 46 Position control line 47 Positioner 50 Focusing lens 51 Pair of mirrors 60 Multi-hole mask 61 Hole 80 Meniscus lens 81 Concave surface 82 Convex surface 83 Circular hole 90 Beam splitter 91 End of first optical fiber 92 End of 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 Focus H Measurement range O Zero plane T Time coordinates X, Y, Z Spatial coordinates

Claims (27)

ワークピースの制御された機械加工のための方法であって、
-レーザー標的用光学系(5)によって、レーザー光線(3)を集束して、機械加工されるワークピース(4)の標的位置(6)にレーザーの焦点(F)を生成することと、
-機械加工される前記ワークピース(4)の前記標的位置(6)と前記レーザー標的用光学系(5)との間の距離を決定するために、光学距離測定装置(7)によって距離測定データを取得することと、
-集束された前記レーザー光線(3)で、機械加工される前記ワークピース(4)の前記標的位置(6)を機械加工することと
を含み、前記距離測定装置(7)は、測定光を生成するための測定用光源(8)と、可変焦点距離測定光光学系(19)とを備えた光学共焦点距離測定装置として構成され、前記方法は、前記可変焦点距離測定光光学系(19)の焦点距離を経時的に変動させて、前記可変焦点距離測定光光学系(19)の異なる複数の焦点距離の値で距離測定データを取得することを含み、前記ワークピース(4)によって反射された前記レーザー光線(3)及び/又は前記ワークピース(4)の機械加工中に発生された機械加工光が検出され、前記可変焦点距離測定光光学系(19)が可変焦点距離レンズ(19)を含むことを特徴とする、方法。
1. A method for controlled machining of a workpiece, comprising:
- focusing the laser beam (3) by means of laser targeting optics (5) to produce a laser focal point (F) at a target location (6) of the workpiece (4) to be machined;
- acquiring distance measurement data by means of an optical distance measuring device (7) in order to determine the distance between the target location (6) of the workpiece (4) to be machined and the laser targeting optics (5);
- machining the target location (6) of the workpiece (4) to be machined with the focused laser beam (3), wherein the distance measuring device (7) is configured as an optical confocal distance measuring device with a measurement light source (8) for generating measurement light and a variable focal length measuring light optical system (19), the method comprising varying the focal length of the variable focal length measuring light optical system (19) over time to obtain distance measurement data at different focal length values of the variable focal length measuring light optical system (19), wherein the laser beam (3) reflected by the workpiece (4) and/or machining light generated during machining of the workpiece (4) is detected , characterized in that the variable focal length measuring light optical system (19) comprises a variable focal length lens (19) .
前記レーザーの焦点(F)と前記ワークピース(4)との間の距離が変動され、機械加工光の存在を前記レーザーの焦点(F)と前記ワークピース(4)との間の前記距離と関連付けて登録し、前記距離が前記距離測定装置(7)によって決定される、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, in which the distance between the focus (F) of the laser and the workpiece (4) is varied and the presence of machining light is registered in relation to the distance between the focus (F) of the laser and the workpiece (4), the distance being determined by the distance measuring device (7). 前記レーザー光線(3)の出力を変えて、機械加工光が初めて発生する臨界出力が決定される、請求項1又は2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, in which the power of the laser beam (3) is changed to determine the critical power at which machining light first occurs. 前記ワークピース(4)と前記レーザーの焦点(F)との間の異なる複数の距離について、それぞれで前記レーザー光線(3)の出力を変えて、各距離について、機械加工光が初めて発生する前記臨界出力をそれぞれ決定する、請求項3に記載の方法。 The method according to claim 3, wherein the power of the laser beam (3) is changed for each of a number of different distances between the workpiece (4) and the focal point (F) of the laser, and the critical power at which machining light first occurs is determined for each distance. 取得された前記距離測定データに基づいて、前記レーザーの焦点(F)に対して機械加工される前記ワークピース(4)を配置することを更に含む、請求項1から4のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, further comprising positioning the workpiece (4) to be machined relative to a focal point (F) of the laser based on the acquired distance measurement data. 前記距離測定データを取得することが、機械加工される前記ワークピース(4)から反射されて戻る測定光の強度を検出することを含み、前記距離が、機械加工される前記ワークピース(4)から反射されて戻る前記測定光の前記強度の経時変化に基づいて決定される、請求項1から5のいずれかに記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 5, wherein obtaining the distance measurement data comprises detecting an intensity of measurement light reflected back from the workpiece (4) being machined, and the distance is determined based on a change over time in the intensity of the measurement light reflected back from the workpiece (4) being machined. 前記可変焦点距離測定光光学系(19)の焦点距離を経時的に変動させることが、前記可変焦点距離測定光光学系(19)の異なる複数の焦点距離で前記距離測定データを取得するために、前記可変焦点距離測定光光学系(19)の前記焦点距離の調整、特に、周期的な調整を含む、請求項1から6のいずれかに記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 6, wherein varying the focal length of the variable focal length measuring light optical system (19) over time includes adjusting, in particular periodically adjusting, the focal length of the variable focal length measuring light optical system (19) in order to obtain the distance measurement data at a plurality of different focal lengths of the variable focal length measuring light optical system (19). サイクル時間と距離との間の関係を決定するために較正測定を行うことを更に含み、前記較正測定が、前記可変焦点距離測定光光学系(19)の下流に配置されたメニスカスレンズ(80)の反射を検出することを含む、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, further comprising performing a calibration measurement to determine the relationship between cycle time and distance, the calibration measurement comprising detecting a reflection of a meniscus lens (80) disposed downstream of the variable focal length measuring light optics (19). 前記距離測定データの取得が、前記標的位置(6)での複数の測定点で行われる、請求項1から8のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the acquisition of the distance measurement data is performed at a plurality of measurement points at the target position (6). 複数の測定点における前記距離測定データの取得が、1つの測定サイクル内で連続的に行われ、前記測定点が、前記標的位置(6)でのスキャン経路に沿って配置される、請求項9に記載の方法。 The method according to claim 9, wherein the acquisition of the distance measurement data at a plurality of measurement points is performed consecutively within one measurement cycle, the measurement points being arranged along a scan path at the target position (6). 前記スキャン経路は、機械加工される前記ワークピース(4)の前記標的位置(6)を囲む円の形状、又は機械加工される前記ワークピース(4)の前記標的位置(6)を中心とする螺旋形状を有する、請求項10に記載の方法。 The method according to claim 10, wherein the scanning path has the shape of a circle around the target location (6) of the workpiece (4) to be machined or the shape of a spiral centered on the target location (6) of the workpiece (4) to be machined. 複数の測定点における前記距離測定データの取得が実質的に同時に行われ、前記距離の決定が、物理的に平均化された前記複数の測定点における前記距離測定データに基づいて行われる、請求項9に記載の方法。 10. The method of claim 9, wherein the acquisition of the distance measurement data at a plurality of measurement points is performed substantially simultaneously, and the determination of the distance is based on the distance measurement data at the plurality of measurement points physically averaged. 複数の測定点における前記距離測定データの同時の取得のために、複数の孔(61)を有する少なくとも1つの多孔マスク(60)によって、前記測定光が複数の部分的な測定光に分割される、請求項12に記載の方法。 The method according to claim 12, wherein the measurement light is split into a plurality of partial measurement light by at least one aperture mask (60) having a plurality of apertures (61) for simultaneous acquisition of the distance measurement data at a plurality of measurement points. 前記部分的な測定光が、共用の光検出器で同時に検出される、請求項13に記載の方法。 The method of claim 13, wherein the partial measurement light is detected simultaneously by a shared photodetector. ワークピースの制御された機械加工のための装置であって、
-機械加工される前記ワークピース(4)を機械加工するためのレーザー光線(3)を発生させるためのレーザー光源(2)と、
-機械加工される前記ワークピース(4)の標的位置(6)のレーザー光焦点(F)に前記レーザー光線(3)を集束させるためのレーザー標的用光学系(5)と、
-距離測定装置(7)によって取得された距離測定データに基づいて、機械加工される前記ワークピース(4)の前記標的位置(6)と前記レーザー標的用光学系(5)との間の距離を決定するための前記距離測定装置(7)と、
-前記レーザー光焦点(F)に対して機械加工される前記ワークピースを配置する配置装置(47)と、
-取得された前記距離測定データを評価し、取得された前記距離測定データに基づいて前記配置装置(47)を制御するように構成された評価制御部(40)と、
を含み、前記距離測定装置(7)は、測定光を生成するための測定用光源(8)と、可変焦点距離測定光光学系とを備えた光学共焦点距離測定装置として構成され、前記可変焦点距離測定光光学系は、前記可変焦点距離測定光光学系の異なる複数の焦点距離の値で前記距離測定データを取得するために、前記可変焦点距離測定光光学系の焦点距離を経時的に変動させることができるようにされており、前記ワークピース(4)によって反射された前記レーザー光線(3)及び/又は前記ワークピース(4)の機械加工中に発生した機械加工光が検出可能であり、前記可変焦点距離測定光光学系(19)が可変焦点距離レンズ(19)を含むことを特徴とする、装置。
1. An apparatus for controlled machining of a workpiece, comprising:
- a laser source (2) for generating a laser beam (3) for machining said workpiece (4) to be machined;
- laser targeting optics (5) for focusing said laser beam (3) onto a laser beam focus (F) at a target location (6) of said workpiece (4) to be machined;
a distance measuring device (7) for determining the distance between the target location (6) of the workpiece (4) to be machined and the laser targeting optics (5) based on distance measurement data acquired by said distance measuring device (7);
- a positioning device (47) for positioning the workpiece to be machined relative to the laser light focus (F);
an evaluation and control unit (40) configured to evaluate the acquired distance measurement data and to control the placement device (47) on the basis of the acquired distance measurement data;
the distance measuring device (7) is configured as an optical confocal distance measuring device with a measurement light source (8) for generating measurement light and a variable focal length measuring light optics, the variable focal length measuring light optics being capable of varying a focal length of the variable focal length measuring light optics over time in order to obtain the distance measurement data at different focal length values of the variable focal length measuring light optics, the laser beam (3) reflected by the workpiece (4) and/or machining light generated during machining of the workpiece (4) being detectable , characterized in that the variable focal length measuring light optics (19) comprises a variable focal length lens (19) .
前記距離測定装置(7)の測定光学系が、前記レーザー標的用光学系(5)を含む、請求項15に記載の装置。 The device according to claim 15, wherein the measuring optics of the distance measuring device (7) includes the laser targeting optics (5). 前記距離測定装置(7)が、機械加工される前記ワークピース(4)から反射されて戻る測定光の強度を検出するための光検出器(9)を含み、前記ワークピース(4)から反射されて戻る前記測定光の検出強度の経時変化に基づいて、前記距離が決定できるように構成されている、請求項15又は16に記載の装置。 The apparatus 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 workpiece (4) to be machined, and is configured so that the distance can be determined based on the change over time in the detected intensity of the measuring light reflected back from the workpiece (4). 第2の検出器、特に、更なる光検出器(161)を含み、前記第2の検出器は、機械加工光の存在が検出できるように構成されている、請求項15から17のいずれかに記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 15 to 17, comprising a second detector, in particular a further light detector (161), the second detector being configured to detect the presence of machining light. 前記装置は、特定のスペクトル範囲内の機械加工光を反射する一方で、前記測定光の実質的に全てを透過させるように構成された波長依存の反射性を有する光学フィルタ(162)を含む、請求項18に記載の装置。 The apparatus of claim 18, further comprising an optical filter (162) having wavelength-dependent reflectivity configured to reflect machining light within a particular spectral range while transmitting substantially all of the measurement light. 前記測定用光源(8)はオン・オフ可能であり、前記光検出器(9)は、前記測定用光源がオフの間に、機械加工光の存在を検出するように構成されている、請求項17に記載の装置。 18. The apparatus of claim 17, wherein the measurement light source (8) can be turned on and off, and the light detector ( 9 ) is configured to detect the presence of machining light while the measurement light source is off. 前記測定用光源(8)は、広帯域の赤外光源、特に、近赤外光源として構成されている、請求項15から20のいずれかに記載の装置。 The device according to any one of claims 15 to 20, wherein the measurement light source (8) is configured as a broadband infrared light source, in particular a near-infrared light source. 前記可変焦点距離測定光光学系(19)の前記焦点距離が調整可能である、特に、周期的に調整可能である、請求項15から21のいずれかに記載の装置。 A device according to any one of claims 15 to 21, wherein the focal length of the variable focal length measuring light optics (19) is adjustable, in particular periodically adjustable. 前記可変焦点距離測定光光学系(19)は、前記距離測定装置(7)の結像系の発散部に配置されている、請求項15から22のいずれかに記載の装置。 The device according to any one of claims 15 to 22, wherein the variable focal length measuring light optical system (19) is arranged in the divergent part of the imaging system of the distance measuring device (7). 前記装置(1)は、前記測定光を複数の部分的な測定光に分割するための複数の孔(61)を有する少なくとも1つの多孔マスク(60)を含む、請求項15から23のいずれかに記載の装置。 24. Apparatus according to any of claims 15 to 23 , wherein the apparatus (1) comprises at least one porous mask (60) having a number of holes (61) for splitting the measurement light into a number of partial measurement lights. 前記装置(1)は、前記測定光が出入りするための光結合点(17)を備えた光ファイバー(16)を含み、前記少なくとも1つの多孔マスク(60)が前記光結合点(17)に配置されている、請求項24に記載の装置。 The apparatus (1) according to claim 24, comprising an optical fiber (16) with an optical coupling point (17) for the measurement light to enter and exit, and the at least one porous mask (60) being arranged at the optical coupling point ( 17 ). 前記多孔マスク(60)は、前記機械加工光のみを反射し、前記レーザー光及び前記測定光を反射しない反射フィルタとして機能するように、部分的に反射する層を備える、請求項25に記載の装置。 26. The apparatus of claim 25 , wherein the porous mask (60) comprises a partially reflective layer to act as a reflective filter that reflects only the machining light and not the laser light and the measurement light. 前記装置は、光出射端(91)を有する第1の光ファイバー(10)と、光入射端(92)を有する第2の光ファイバー(13)とを含み、前記光出射端(91)に第1の多孔マスク(60)が配置され、前記光入射端(92)に第2の多孔マスク(60)が配置されている、請求項25又は26に記載の装置。 The apparatus of claim 25 or 26, comprising a first optical fiber (10) having a light exit end (91) and a second optical fiber (13) having a light input end (92), a first porous mask (60) being disposed at the light exit end (91) and a second porous mask (60) being disposed at the light input end ( 92 ) .
JP2022541875A 2020-01-06 2020-12-21 Method and apparatus for controlled machining of a workpiece by confocal distance measurement - Patents.com Active JP7623718B2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020100093 2020-01-06
DE102020100093.6 2020-01-06
PCT/IB2020/062270 WO2021140396A1 (en) 2020-01-06 2020-12-21 Method and device for the controlled machining of a workpiece by means of confocal distance measurement

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023509081A JP2023509081A (en) 2023-03-06
JP7623718B2 true JP7623718B2 (en) 2025-01-29

Family

ID=74194786

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022541875A Active JP7623718B2 (en) 2020-01-06 2020-12-21 Method and apparatus for controlled machining of a workpiece by confocal distance measurement - Patents.com

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP4087701A1 (en)
JP (1) JP7623718B2 (en)
KR (1) KR102887710B1 (en)
CN (1) CN115003448B (en)
WO (1) WO2021140396A1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021128444B4 (en) 2021-11-02 2023-06-15 MarWeTec GmbH Method for the optical measurement of technical surfaces and device for carrying out the method
CN115533300A (en) * 2022-10-08 2022-12-30 深圳泰德激光技术股份有限公司 Laser processing device, control method thereof, and processing equipment
DE102023126430A1 (en) 2023-09-28 2025-04-03 Precitec Optronik Gmbh Measuring device and method for measuring the thickness of a wafer
CN118032287B (en) * 2024-02-06 2025-02-18 广州德擎光学科技有限公司 Optical measuring equipment, optical measuring method and related devices
DE102024106057A1 (en) * 2024-03-01 2025-09-04 TRUMPF Laser SE Method for correcting the image field plane of a scanner optics of a laser system

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016219632A1 (en) 2016-10-10 2018-04-12 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Chromatic confocal sensor for determining coordinates of at least one measurement object

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11347771A (en) * 1999-06-03 1999-12-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd Condenser lens height control method for laser processing device
DE10155203A1 (en) * 2001-11-09 2003-06-18 Bosch Gmbh Robert Laser processing device used for laser welding, cutting or boring has a measuring system partially connected to the laser processing unit to acquire three-dimensional surface data or oscillations
US6713718B1 (en) * 2001-11-27 2004-03-30 Vi Engineering, Inc. Scoring process and apparatus with confocal optical measurement
DE102006046370B4 (en) * 2006-09-29 2025-07-17 Carl Zeiss Meditec Ag Device and method for material processing using a transparent contact element
KR101528344B1 (en) * 2013-10-02 2015-06-12 한국기계연구원 Bonding device using laser and bonding method of multiple member using the device
US9439568B2 (en) * 2014-07-03 2016-09-13 Align Technology, Inc. Apparatus and method for measuring surface topography optically
DE102017220101A1 (en) * 2016-11-23 2018-05-24 Mitutoyo Corporation Inspection system using machine vision to obtain an image with extended depth of field
JP6464213B2 (en) * 2017-02-09 2019-02-06 ファナック株式会社 Laser processing system having laser processing head and imaging device
JP7076951B2 (en) * 2017-05-23 2022-05-30 株式会社ディスコ Reflectance detector
DE102019116309A1 (en) * 2019-01-07 2020-07-09 Precitec Optronik Gmbh Method and device for the controlled machining of a workpiece

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016219632A1 (en) 2016-10-10 2018-04-12 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Chromatic confocal sensor for determining coordinates of at least one measurement object

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023509081A (en) 2023-03-06
EP4087701A1 (en) 2022-11-16
KR102887710B1 (en) 2025-11-17
WO2021140396A1 (en) 2021-07-15
CN115003448B (en) 2025-12-16
KR20220119398A (en) 2022-08-29
CN115003448A (en) 2022-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7623718B2 (en) Method and apparatus for controlled machining of a workpiece by confocal distance measurement - Patents.com
CN113365773B (en) Method and apparatus for controlled processing of workpieces
US10245683B2 (en) Apparatus and method for beam diagnosis on laser processing optics
US9610729B2 (en) Device and method for performing and monitoring a plastic laser transmission welding process
US8736846B2 (en) Optical sensor device
CN113739694B (en) System and method for optimizing focus of imaging-based coverage metrics
US11774322B2 (en) Optical measuring device and method for measuring an optical element
RU2011146074A (en) DEVICE FOR PRODUCING AN OPTICAL IMAGE, HAVING AN OPTICAL ADAPTER, AND A METHOD FOR MANAGING THEM
CN111670345A (en) Method and device for detecting the focal position of a laser beam
JPH0921614A (en) Intraocular distance measuring device
TW202234127A (en) Conjugate optical module and spatical convertion optical module and chromatic confocal measuring system using the same
JP2021534001A (en) Laser Machining System and Laser Machining System Method
JP7064606B2 (en) A device for identifying the focal position of a laser processing system, a laser processing system equipped with the device, and a method for specifying the focal position of the laser processing system.
KR102125483B1 (en) Confocal measuring apparatus
CN116635182A (en) Apparatus and method for determining focus position
JP6547514B2 (en) Measuring device
KR20230128262A (en) Device and related method for determining distance, surface thickness and optical properties of an object
US7505151B2 (en) Arrangement for the optical distance determination of a reflecting surface
US11774740B2 (en) Apparatus for monitoring a focal state of microscope
JP2006292513A (en) Refractive index distribution measuring method for gradient index lens
CN121335775A (en) Equipment used to determine the focal position of the processing laser beam
HK1106829A (en) Optical fibre alignment apparatus and method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230905

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240821

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240829

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20241127

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20241212

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250109

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7623718

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150