用于反射或透射扫描仪射束的扫描头设备和方法、具有扫描头设备的扫描设备和扫描仪与流程

本发明涉及一种用于反射或透射扫描仪射束的扫描头设备、一种具有扫描头设备的扫描设备和一种具有扫描头设备的扫描仪，另外还涉及一种用于反射或透射扫描仪射束的方法以及一种对应的计算机程序产品。

背景技术：

在激光加工和材料加工的应用范围内，对准确度和通过速度的要求越来越高。借助于摄影机和相连的图像处理器进行可视过程控制形成了满足这两个要求的可能性。这种过程控制应能够检测到尽可能多的外部影响并且允许对应的应对措施。特别是在可以实现高加工速度的“2d扫描仪+物镜”的应用中，过程控制是非常有吸引力的。在此将摄影机额外地安置在扫描仪和物镜的组件之外。在激光束进入到扫描仪中之前，反射到(eingespiegelt)摄影机通道中。由此同时扫描了摄影机的视场。

技术实现要素：

本发明提供一种用于反射或透射扫描仪射束的扫描头设备、一种具有扫描头设备的扫描设备、另外还有一种具有扫描头设备的扫描仪以及一种用于反射或透射扫描仪射束的方法。有利的设计从相应的实施例和下文的说明书中得出。

一种用于反射或透射扫描仪射束的扫描头设备具有至少一个分束器装置。该分束器装置被形成且布置为用于完全反射该扫描仪的具有加工波长的加工光，其中该分束器装置被形成且布置为用于使观察光从工件透射穿过该分束器装置。

扫描仪可以为光学2d扫描仪。加工光可以为激光装置的激光束，该激光束由该激光装置产生并提供，以便加工工件。为此，激光装置有利地被形成且布置为用于反射在工件方向上入射的加工光。观察光在此可以从工件的区域出发或在工件的区域中在与工件或扫描仪的物镜相对布置的传感器装置的方向上透射穿过分束器装置。传感器装置可以为摄影机或包括摄影机。

在此提出的扫描头设备使得可以在扫描仪中持续完全监测通过加工光对工件的加工，因为观察光可以完全透射穿过扫描头设备并且因此创造了穿过扫描头设备的直接或直线的观察通道，该观察通道布置于传感器装置与工件之间。

该扫描头设备可以额外地具有反射镜装置，该反射镜装置被形成且布置为用于将由激光装置产生的具有加工波长的加工光反射到该分束器装置。因此，激光装置可以布置在扫描头设备旁边并且通过借助于反射镜装置和分束器装置两次反射加工光(例如以三角形的形状)而偏转向布置在扫描头设备下方的工件。这允许所述部件的可实现的布置。分束器装置的反射面在此可以布置为朝向工件。

另外，有利的是，根据在此提出的方案的一个实施方式，扫描头设备的分束器装置被布置为可移动。因此，例如取决于工件的成像结果或加工结果来将分束器装置定向。

扫描设备具有所提出的扫描头设备以及观察装置，该观察装置至少具有已经提及的传感器装置，该传感器装置被形成为用于读取透射穿过分束器装置的观察光。在此有利的是，根据在此描述的方案的一个实施方式，观察装置被布置为使得扫描头设备被布置在工件与观察装置之间。这允许从工件穿过扫描头设备的直线的观察通道。

扫描设备的观察装置可以包括至少一个另外的反射镜装置，该另外的反射镜装置被形成为用于将经透射的观察光反射到传感器装置。

观察装置可以附加地或替代地还包括至少一个另外的传感器装置，该另外的传感器装置被形成为用于读取从物镜透射穿过分束器装置的另外的观察光，其中尤其观察装置可以包括额外的反射镜装置，该额外的反射镜装置被形成为用于将该另外的观察光反射到该另外的传感器装置。为此，与该另外的传感器装置相关联的、用于观察物镜的观察波长例如可以处于ir中。以此方式，可以直接测量物镜中的温度变化。

另外有利的是，测量设备具有照明装置，该照明装置被形成为用于以一定图案向工件上产生照明光。通过在工件上的图案，可以有利地容易地测量工件，尤其因此能够实现准确的3d测量。在此分束器装置和/或该另外的反射镜装置和/或该额外的反射镜装置被形成且布置为用于在工件的方向上透射照明光。

扫描设备还可以包括物镜，尤其其中扫描头设备可以布置在观察装置与物镜之间。扫描设备还可以具有激光装置，以便能够产生和提供加工光。

扫描仪、尤其2d扫描仪具有所提出的扫描头设备或扫描设备。在此提出的扫描仪可以用作已知扫描仪的替代品，其中所提出的扫描仪有利地通过扫描头设备或扫描设备来实现其已经阐释的优点。

一种用于反射或透射扫描仪射束的方法具有至少以下步骤：

向分束器装置提供具有加工波长的加工光，该分束器装置被形成且布置为用于将该加工光完全反射到工件上；以及

从该工件向该分束器装置发出观察光，该分束器装置被形成为用于使该观察光透射穿过该分束器装置。

这种方法可以在使用先前提出的扫描头设备或扫描设备的情况下实施。通过这样的方法还可以在技术上简单且成本低廉地实现已经描述的其优点。

在该提供步骤中可以提供加工光，该加工光被形成为用于提供观察光。

有利的还有一种具有程序代码的计算机程序产品，该程序代码可以存储在机器可读载体(如半导体存储器、硬盘存储器或光存储器)上并且当该程序产品在计算机或设备上实施时用于执行根据上述实施方式之一的方法。

附图说明

下面结合附图示例性地详细说明该方案。在附图中：

图1示出激光加工头；

图2示出具有根据一个实施例的扫描头设备的扫描设备，该扫描头设备用于反射或透射用于扫描仪的射束；

图3根据一个实施例的扫描设备；以及

图4示出根据一个实施例的方法的流程图，该方法用于反射或透射用于扫描仪的射束。

具体实施方式

在以下对该方案的有利的实施例的描述中，相同或相似的附图标记被用于在不同的附图中展示的和类似地起作用的元件，其中省略了对这些元件的重复描述。

如果一个实施例在第一特征和第二特征之间包括连词“和/或”，则这应理解为，根据一个实施方式的该实施例具有第一特征和第二特征并且根据另一个实施方式的该实施例仅包括第一特征或仅包括第二特征。

图1示出激光加工头100。

激光加工头100还可以被称为激光和材料加工的1d应用或1d用途。激光加工头100形成为用于激光焊接和/或激光切割和/或用于执行消融。

在此，由激光器105产生的激光束110通过聚焦光学器件115聚焦到待加工的面120上。在射束路径中的倾斜放置的分束器125现在允许进行过程监测。来自工件127的具有观察波长的光穿过聚焦光学器件115(在此为物镜)并且在某一位置通过分束器125偏转到观察光学器件130中。这允许应用结果的立即成像。

在此处描述的激光加工头100中，分束器125被呈激光束110形式的加工光穿过。因为这些应用大多数情况下为高功率应用，所以分束器125升温，或者朝向分束器125的边缘形成温度梯度。这进而导致在穿透时射束特征的变化，即导致焦点偏移以及散光变化。也就是说，降低了过程稳定性。

不同于与在此提出的方案相关地在图2中提出的扫描头设备，在此展示的应用仅预期或适合用于非常小的视场。在此处所示的激光加工头100中，分束器125属于呈聚焦装置115形式的物镜并且是刚性的。分束器125被用在穿透中，以便进行应用。分束器125被用在反射中，以便进行过程控制。此外，只能部分检测到聚焦装置115中的变化，例如热变化。仅观察处于分束器125与工件125之间的聚焦装置115。

图2示出具有根据一个实施例的扫描头设备205的扫描设备200，该扫描头设备用于反射或透射用于扫描仪的射束210、215。

扫描头设备205被形成为用于完全反射扫描设备200的加工光210并且透射扫描设备200的观察光。为此，扫描头设备205具有至少一个分束器装置220，该分束器装置被形成且布置为用于完全反射该扫描仪的具有加工波长的加工光210，其中该分束器装置220被形成且布置为用于使观察光215从工件225透射穿过该分束器装置220。

任选地，根据这个实施例的扫描头设备205另外具有反射镜装置230，该反射镜装置被形成且布置为用于将由激光装置235产生的加工光210反射到分束器装置220。根据这个实施例，反射镜装置230被布置为可移动。

在此示出的扫描设备200具有上述的扫描头设备205以及至少一个观察装置240，该观察装置具有至少一个传感器装置245，该传感器装置被形成为用于读取透射穿过分束器装置220的观察光247。根据这个实施例，传感器装置245为摄影机的一部分。

在下文中描述的扫描设备200的特征是任选的。根据这个实施例，扫描设备200的观察装置240包括至少一个另外的反射镜装置250，该另外的反射镜装置被形成为用于将经透射的观察光247反射到传感器装置245。

此外，根据这个实施例的观察装置240包括另外的传感器装置255，该另外的传感器装置被形成为用于读入从物镜260穿过分束器装置220透射并且根据这个实施例进一步通过该另外的反射镜装置250透射的另外的观察光。尤其其中观察装置240包括额外的反射镜装置265，该额外的反射镜装置被形成为用于将该另外的观察光反射到该另外的传感器装置255。根据这个实施例，该另外的传感器装置255也是该摄影机或另外的摄影机的一部分。

根据这个实施例，该扫描设备200另外具有照明装置270，该照明装置被形成为用于以一定图案向工件225上产生照明光275。另外，根据这个实施例，至少分束器装置220和/或该另外的反射镜装置250和/或该额外的反射镜装置265被形成且布置为用于在工件225的方向上透射照明光275。

根据这个实施例，物镜260也是扫描设备200的一部分，其中扫描头设备205布置在观察装置240与物镜260之间。

根据这个实施例，用于产生加工光210的激光装置235也是扫描设备200的一部分。

在下文中，用另一种措辞再次说明在此提出的扫描设备200和扫描头设备205的特征。

在此提出的扫描头设备205还可以描述为用于激光和材料加工的、具有观察通道的2d扫描仪。

由于在此示出的扫描设备200，创造如下可能性：在呈扫描头设备205和物镜260形式的“扫描仪+物镜”构造中整合了摄影机通道。这个摄影机通道在此具有以下能力：对工件225的整个最大可加工区域成像并且摄影机通道能够辨别应用通道(也可以被称为加工通道)中的成像质量的变化。

扫描头设备205的第二反射镜(即物镜260的下一个反射镜)为此设置有分束层，以便产生分束器装置220。加工光210(也可以被称为应用光)被偏转到物镜260中。相反，呈观察光215形式的观察光谱范围被透射。由此光可以从工件225通过物镜260穿过扫描头设备205(也可以被称为扫描反射镜)被引导到摄影机通道中。摄影机通道的光学器件在此可以有利地与应用物镜的成像误差相匹配。

反射镜位置的变化仅造成观察射束在工件225上的远心角度(telezentriewinkels)的变化，但是不改变像位置。由此在扫描仪中本身可以产生整个加工区域的静态图像。

优选地，扫描头设备205概括地说可以在没有高耗费的图像处理的情况下实现对整个应用区的瞬时观察。在物镜260中(例如由于热影响)的变化反映在摄影机图像中。由此实现了应用过程的开环修正。

现在再次总结在此提出的方案的主要组成部分：离物镜260最近的反射镜设计为分束器装置220。加工波长被完全反射，由此不改变应用。相反，观察波长被透射。也就是说，现在可以进入对未偏转地穿过扫描头设备205通向工件225的光通道。这个光通道可以用于多种目的。这些应用也可以并行地进行，由此实现处理控制系统的模块化接通。

在此处以简图绘制的构造中，实现了在穿透中通过移动的分束器装置220成像。因此，在由物镜260和呈观察光215形式的观察波长形成的系统的设计中，必须注意的是，在穿透分束器装置220时尽可能将观察射束路径准直。这可能只导致在穿透时射束的偏移并且可能不会在位置方面影响观察通道中的图像。

根据这个实施例，具有观察波长的光现在从工件225通过物镜260穿过呈扫描头设备205形式的分束器-扫描反射镜。在观察光215从扫描头设备205离开之后，根据这个实施例，观察光通过该另外的反射镜装置250(在此任选地也形成为分束器)聚焦到传感器装置245的观察光学器件中。有利地如此看到整个工件225，并且在需要高分辨率时可以将观察光学器件聚焦到工件225的待研究的区域上。物镜260的光学特性的变化还改变了通过观察通道的成像并且可以由此被检测到。这可以用于优化工艺。观察通道使用与物镜260相同的射束路径，即，可以被加工的所有物体也可以被看到。

任选地，扫描设备200包括该另外的传感器装置255，该另外的传感器装置具有另外的观察光学器件，该观察光学器件不查看工件225而是物镜260。为此，相关的观察波长任选地处于ir中。以此方式，可以直接测量物镜260中的温度变化。

另外，根据这个实施例，扫描设备200具有呈投影形式的另一种应用可能性。根据这个实施例，通过照明装置270将点图案投影到工件225上。这可以通过已经描述的观察通道来观察和测量。由此可以实现对工件225的准确的3d测量。为此，通过照明装置270产生了(点)图案，该图案通过反射镜280被引导到呈扫描头设备205形式的扫描盒中。这个照明光275穿过分束器装置220并且通过物镜260成像到工件225上。这能够有利地实现较小的调整耗费并且另外是非常稳定的。

在此处提出的扫描头设备205的情况下，在扫描头设备205中，观察光215被反射以创造观察通道。这可以有利地实现：当分束器装置220和/或反射镜装置230在扫描头设备205中或在扫描仪中移动以便移动加工光210(也可以被称为加工射束)时，观察通道不移动或不随之移动。由此实现了穿过物镜260查看工件225。根据这个实施例，观察装置240被形成为用于产生实际的光学成像。如此产生的图像在此有利地不受分束器装置220和/或反射镜装置230(也可以被称为扫描反射镜)的移动影响。

第一反射镜(即在扫描仪中离物镜260最近的反射镜)，即分束器装置220，如下进行构造和涂层，使得它反射加工光210的加工波长、但是透射观察光215的观察波长。加工波长由此与观察波长进行区分。

根据这个实施例，有利地将不同的系统通过透射的观察光247连接到扫描头设备205或扫描仪，使得这些系统穿过物镜260对工件225进行查看和/或投影。因为穿过移动的扫描仪反射镜的射束路径是平行的，观察通道中的图像没有变化。

分束器装置220还可以被称为取决于波长的分束器。在此，分束器装置220作为2d检流计扫描头中的反射镜起作用。分束器装置220同时为检流计扫描仪中的有源反射镜，简称“扫描振镜(galvo)”。

图3示出了根据一个实施例的扫描设备200的图示。在此，可以涉及图2中描述的扫描设备200，区别在于，没有显示出照明装置和该另外的传感器装置并且观察装置不具有该另外的反射镜装置。观察光因此穿过分束器装置未受偏转地到达传感器装置245。

激光装置235的激光束通过扫描头设备205的两个扫描反射镜偏转并且被引导通过物镜260并聚焦到工件225上。在此，第二反射镜呈扫描头设备205的对加工波长有反射性的分束器装置的形式。

在观察通道中，光从工件225上的物点出发通过物镜260通过现在对于观察光透射的反射镜(呈分束器装置的形式)通过成像物镜300成像到传感器装置245上。

与已知的扫描设备不同，根据这个实施例，摄影机300的视场针对物镜260的视场不是倾斜的。因此有利地在过程控制中可以不产生阴影(abschattungen)。另外，在此处提出的扫描设备200中，摄影机通道和应用通道的光路没有不同。由此摄影机通道有利地能够辨别应用通道中的变化，例如热影响和/或偏心，以及应用结果随时间的变化，例如在冷却过程中。

与已知的扫描设备不同，视场没有比物镜260的最大加工场更小。由此可以“预览”。由于在此示出的扫描设备200，不需要高要求的软件即可从所扫描的图像(＞1khz的扫描速度)获得信息。

总结起来可以说，与已知的2d扫描用系统不同，没有同时扫描观察通道，并且使用了分束器装置220。与已知的1d系统(可以为非扫描用系统，如图1中示出的激光加工头或焊接头)不同，分束器装置不是布置在成像用系统中而是布置在扫描仪中。在已知1d系统中的分束器以透射方式使用，这意味着，该分束器变得更热并且成像质量变差。

图4示出根据一个实施例的方法400的流程图，该方法用于反射或透射用于扫描仪的射束。在此，可以涉及方法400，该方法可以由在图2或3之一中描述的扫描头设备或扫描设备之一来实施。

方法400包括至少一个提供步骤405和发送步骤410。在提供步骤405中，向分束器装置提供具有加工波长的加工光，该分束器装置被形成且布置为用于将该加工光完全反射到工件上。在发送步骤410中，从工件向分束器装置发出观察光，该分束器装置被形成为用于使该观察光透射穿过该分束器装置。

根据这个实施例，任选地在步骤405中提供加工光，该加工光被形成为用于提供观察光。

所描述的并且在附图中所示的实施例仅仅是示例性选择的。不同的实施例可以完全或者在单独特征方面彼此组合。还可以通过另外的实施例的特征来补充一个实施例。

此外，可以重复以及以与所描述的不同的顺序来实施这些方案的方法步骤。