用于检测激光射束的焦点位置的方法和设备与流程

本发明涉及用于检测激光射束的焦点位置、尤其激光加工头中的加工激光射束的焦点位置的方法和设备。这种方法和设备用于在激光材料加工时监控和调节激光加工头中的焦点位置。

背景技术：

激光材料加工中的一个问题是所谓的“热透镜(thermischelinse)”(热引起的折射力改变)，这归因于通过激光功率、尤其在数千瓦范围内对用于激光射束引导和聚焦的光学元件的加热以及归因于光学玻璃折射率的温度相关性。热透镜在激光材料加工时导致沿着射束传播方向的焦点移动，所述焦点移动在加工工件时产生负面影响。因此，为了确保加工质量，期望通过测量焦点位置来控制焦点位置。因此，需要检测相应的焦点位置并且补偿焦点位置移动，即提供快速且准确的焦点位置调节。

为了确定激光射束的焦点位置，已知不同的方法和设备。问题在于将这些方法和设备集成到激光加工头中，以便确保在激光材料加工过程期间实时地进行精确的焦点位置测量。

国际标准iso11146规定了用于测量激光射束的方法、尤其用于激光射束参数的检验方法。在此，尤其给出了如何测量射束规格，如射束宽度(直径)、发散角、射束传播系数、衍射指数和射束质量。为了确定焦点位置、即射束的最小直径的位置，确定在沿着射束走向的至少十个位置处的射束直径。根据射束传播方向，在数学上用所谓的射束焦散面(strahlkaustik)来描述射束直径的改变。通过将所测量的射束直径与射束焦散面相匹配来求取焦点位置以及所有其它的激光射束参数。

当前的现有技术将焦点位置调节集成到激光材料加工头中，以便在激光材料加工期间实时跟踪焦点位置。

为了能够补偿由于热透镜引起的焦点位置波动，如在jp2000094173a中所说明的那样，通过利用温度传感器测量透镜的温度来检测热透镜在加工工件期间的规模(ausmaβ)。然后，控制设备驱动驱动马达，以便使透镜沿射束传播方向移动的方式是使得焦点位置相对于待加工的工件正确地取向。

根据de102015106618b4，基于激光功率在使用相应的特性曲线的情况下进行焦点位置调节，该特性曲线与激光功率相关地描述焦点移动。

利用这类能够在不测量实际焦点位置的情况下实现焦点位置调节的方法和设备，虽然能够以极小的构造技术开销实现加工质量中的改进，却不能实现焦点位置调节中的高精度，因此也不能实现符合极高质量要求的加工质量。

de102011054941b3说明了一种用于校正由热引起的焦点位置移动的设备。该设备配备有用于求取激光射束的当前焦点位置的传感器、用于将当前焦点位置与目标焦点位置进行比较以及用于将校正数据输出给校正单元的计算单元，所述校正单元根据校正数据使至少一个光学元件变化，用于调整焦点位置。为此，通过用于激光射束的聚焦透镜和物镜将激光射束在防护玻璃上的背射(rückreflex)成像到传感器上，该传感器布置在焦点位置处。在这里，返回成像(rückabbildung)由于聚焦透镜而附带有部分显著的成像误差，这会不利地影响测量的精度并且因而不利地影响焦点位置调节。

de102011007176a1说明了一种用于将激光射束聚焦到工件上的设备，该设备包括至少一个透射的光学元件和空间分辨的探测器，所述透射的光学元件相对于垂直于激光射束的射束轴线的平面成倾斜角地布置，所述空间分辨的探测器用于检测在透射的光学元件处反射回的激光辐射。由图像评估装置从被探测器、例如ccd芯片检测到的图像中求取反射回的激光辐射在探测器上的尺寸或直径，由所述尺寸或直径又可以确定焦点位置，用于焦点位置调节。

在这里，以较大的构造技术开销确定焦点位置。为此，待测量的激光射束的一小部分被耦合输出并且在焦点的位置处且垂直于射束传播方向地被传感器单元评估。如果在这样的设备中由于热透镜而出现焦点位置的改变，那么焦点位置传感器检测到射束直径的改变。然后，通过将所测量的射束直径与激光射束的由参考测量确定的已知的焦散面进行比较，传感器单元的连接在焦点位置传感器下游的计算单元求取实际的焦点位置。热透镜不仅导致焦点移动，而且由于成像误差而导致射束质量变差。这导致整个射束焦散面改变，即也导致焦点直径的改变。因此，通过与参考值进行比较来求取焦点位置并不是非常准确。

de19630607c1说明了一种用于监控激光射束的能量的设备。通过相对于激光射束轴线倾斜的窗口，有一部分从激光射束中耦合输出并且指向探测器。在此，该探测器布置在将激光射束成像到基底上的光学器件的成像平面内，该成像平面对应于基底的表面。

此外，由de102010039633a1已知一种用于沿着激光射束轴线确定用于激光材料加工的聚焦的激光射束的焦点位置的设备，该设备包括：选择装置，所述选择装置具有与激光射束轴线间隔开地布置的选择元件，用于选择聚焦激光射束的相对于激光射束轴线准确地成一角度延伸的子射束；探测装置，所述探测装置具有与激光射束轴线间隔开地布置在所选择的子射束的射束路径中的传感器元件，用于探测所选择的子射束的强度；以及评估装置，所述评估装置用于确定激光射束的焦点位置。在此，当激光射束的焦点位置与所述设备的参考焦点位置一致时，该设备探测到所选择的子射束的最大强度。因此，在这里仅使用激光射束的几何上的一小部分、即边缘射束，用于焦点位置测量。

造成热透镜的原因在于沿着光学部件的径向方向的热梯度。由于径向的激光功率分布，温度并且因此折射率改变在光学器件中心处比在边缘处明显更强。如果仅测量激光射束的一小部分，则关于热透镜的信息会丢失并且不能精确地求取热透镜对焦点位置的影响。在非常显著的热透镜的情况下预期有球面像差。因此，边缘射束和在轴线附近的射束由于在光学组件的边缘和中心处的不同温度而不在同一焦点处相遇。此外，边缘射束的功率分量小于在轴线附近的射束的功率分量。因此，如果仅利用边缘射束的信息求取焦点位置，也仅能期待低的测量精度。

us8,988,673b2说明了一种用于在使用对激光射束的散射光的测量的情况下表征激光射束的设备。系统使用来自穿过周围环境空气延伸的激光射束的瑞利散射，从而不需要特殊的散射腔或液体用于测量。使用特殊的消除算法或过滤器，以便将散射光与灰尘颗粒区分。

技术实现要素：

由此出发，本发明所基于的任务是，提供一种用于准确检测激光射束的焦点位置、尤其在激光材料加工期间实时地准确检测加工激光射束的焦点位置的方法和设备，所述方法或者设备能够以构造技术上紧凑的方式集成到激光加工头中，以便因此能够在加工过程期间实现焦点位置的精确调节。

该任务通过根据权利要求1的设备和根据权利要求14的方法来解决。在相应的从属权利要求中说明了本发明的有利构型。

根据本发明，用于检测激光射束的焦点位置、尤其激光加工头中的加工激光射束的焦点位置的设备具有：布置在朝向焦点会聚的激光射束中的光学元件，用于使至少一个背射从激光射束路径中耦合输出；和传感器组件，用于在焦点的区域中沿着激光射束的传播方向检测激光射束的射束特性，所述传感器组件在沿着传播方向相对彼此偏移的至少两个位置处测量激光射束的耦合输出的反射，用于确定当前的焦点位置。为了在激光加工过程期间实时地精确求取工作激光射束的焦点位置，因此在第一步骤中将工作激光射束的子射束从激光射束走向中耦合输出，从而能够忽略成像误差和作用到耦合输出的子射束或背射上的热效应。在第二步骤中，借助于传感器或探测器，通过评估沿着射束传播方向所测量的射束特性来求取子射束的焦点位置并且以此也求取工作激光射束的焦点位置，其中，使用整个射束、即在加工激光射束的整个横截面上使用加工激光射束，用于确定焦点位置。

以符合目的的方式设置，传感器组件具有至少一个空间分辨的探测器，该空间分辨的探测器优选布置成能够沿着背射的射束传播方向移动。以这种方式，可以在多个位置处测量背射并且以此测量其所代表的加工激光射束，从而不仅可以实时地进行焦点位置控制和校正，而且也可以根据iso11146进行射束诊断。这意味着，为此不需要附加的实验室测量器具用于输出控制。

在本发明的一个替代构型中设置，借助于偏转元件能够将从激光射束路径中耦合输出的背射转向到空间分辨的探测器上，该空间分辨的探测器布置成能够沿着背射的射束传播方向移动。由此能够在相同测量范围的情况下实现较短的移动行程。

本发明的另一构型的特征在于，空间分辨的探测器相对于背射的射束传播方向倾斜地布置，其中，为了沿着射束传播方向增加可能的测量部位，有利的是，空间分辨的探测器能够运动到相对于背射的射束传播方向倾斜的多个位态中。

在本发明的能够特别简单地评估测量数据的另一构型中设置，传感器组件具有非空间分辨的传感器或探测器、尤其功率探测器、优选光电二极管，其位置能够在背射30的传播方向上相对于所述背射变化，以便在不同位置处测量背射在其射束轴线附近的强度。

为了能够使用于检测焦点位置的设备以机械方式简单地嵌入到激光加工头中，符合目的的是，借助于偏转单元将耦合输出的背射细分成多个子背射，这些子背射的从聚焦光学器件的最后的面到传感器组件的传感器或探测器的光学行程彼此不同。在此，偏转元件可以由一个或多个平面板组成，从而借助于多个面可以将多个背射同时转向到传感器组件的传感器或探测器上，这些背射中的每一个关联于射束轴线上的一个位置。

以符合目的的方式，传感器组件的传感器或探测器在这里也是空间分辨的传感器，该空间分辨的传感器是ccd、尤其是摄像机传感器或行扫描传感器(zeilensensor)，其取向对应于被细分的背射的射束传播方向。

在本发明的另一构型中设置，耦合输出的背射被至少一个分束器细分成至少两个子背射并且被转向到传感器组件的至少两个传感器或探测器上。

替代于此也可以设置，传感器组件包括沿着背射的光学轴线布置的散射介质，其中，为了观测射束焦散面能够借助于成像光学器件将由背射发出的散射光成像到探测器上。

根据本发明的用于检测激光射束的焦点位置、尤其激光加工头中的加工激光射束的焦点位置的方法的特征在于以下步骤：借助于布置在朝向焦点会聚的激光射束中的光学元件使至少一个背射从激光射束路径中耦合输出；借助于传感器组件，在焦点区域中沿着激光射束的传播方向检测激光射束的射束特性；和在沿着传播方向相对彼此偏移的至少两个位置处测量激光射束的耦合输出的背射，用于确定当前的焦点位置。

在此，检测并且测量背射在其射束轴线附近的强度、其射束直径或由其发出的散射光作为激光射束的射束特性，用于观测射束焦散面。

为了在沿着背射的传播方向相对彼此偏移的多个位置处检测或测量背射的射束直径，在本发明的一种构型中设置，使空间分辨的探测器运动到相对于背射的射束传播方向倾斜的多个位态中。

为了能够在沿着射束传播方向的多个位置处同时检测和/或测量射束特性，以符合目的的方式设置，借助于偏转单元将耦合输出的背射细分成多个子背射，这些子背射的从聚焦光学器件的最后的面到传感器组件的传感器或探测器的光学行程彼此不同，从而多个背射中的每一个与射束轴线上的不同位置相关联。

附图说明

下面例如根据附图详细阐述本发明。附图中：

图1示出具有根据本发明的设备的激光加工头的简化示意图，所述设备用于在激光材料加工时检测加工激光射束在激光加工头中的焦点位置；

图2示出激光加工头的射束引导光学器件的简化示图，其具有用于焦点位置控制或测量的传感器组件的示意图；

图3示出根据图2的射束引导光学器件的示意图，其具有根据本发明的构型的用于焦点位置控制的传感器组件；

图4示出激光射束焦散面在激光焦点的区域中的走向；

图5至7分别示出根据图2的射束引导光学器件的示意图，其具有根据本发明的不同构型的用于焦点位置控制的传感器组件；

图8示出根据图2的射束引导光学器件的示意图，其具有根据本发明的另一构型的传感器组件，该传感器组件的空间分辨的传感器相对于射束传播方向成限定的角度α地布置；

图9a和9b分别示出激光射束焦散面的示意性截面，用于阐明根据图8的空间分辨的传感器的倾斜布置；

图9c示出根据图8的空间分辨的传感器的传感器平面的示意图；

图10示出激光射束焦散面的与图9a类似的示意性截面，用于阐明在限定的倾斜角下对射束焦散面的测量，用于沿着射束传播方向检测多个射束直径；和

图11至13分别示出根据图2的射束引导光学器件的示意图，其具有根据本发明的另外的构型的用于焦点位置控制的传感器组件。

在附图的多个图中，彼此相应的元件设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地示出激光加工头10，通过该激光加工头引导加工激光射束12。加工激光例如通过光导纤维14提供给激光加工头10。从光导纤维14射出的加工激光射束12被第一光学器件16准直并且被聚焦光学器件18聚焦到工件22上的激光焦点20处。在聚焦光学器件18和射束喷嘴24之间通常布置有防护玻璃26，通过所述射束喷嘴将会聚的加工激光射束12聚焦到工件22上，所述防护玻璃应保护激光加工头10的内部并且尤其保护聚焦光学器件18免受例如可能由飞溅物或浓烟引起的污染。

第一光学器件16和聚焦光学器件18作为单个透镜示出，但也能够以已知的方式是透镜组。第一光学器件16尤其可以由缩放系统的可动透镜构成，所述可动透镜准直加工激光射束12。

为了将用于焦点位置测量或控制的一个或多个背射30从加工激光射束路径中耦合输出，防护玻璃26相对于射束引导光学器件的光学轴线28倾斜成使得光学轴线28与防护玻璃26的折射和反射面32、34之间的角度不同于90°。如在图1中示意性地示出，背射30被转向到传感器组件36上。如在下文中根据本发明的不同构型详细阐述的那样，所述传感器组件36可以具有空间分辨的传感器或非空间分辨的传感器。

如在图2中示意性地示出，为了射束测量，来自射束引导光学器件的光学元件的至少一个背射、例如来自最后的透明光学面的背射30在激光加工过程之前从工作激光射束路径中耦合输出。为此，例如最后的防护玻璃26相对于光学轴线倾斜地布置。然而，布置在会聚的工作激光射束路径中的另外的光学元件(在这里未示出)也可以用于背射30的耦合输出。以有利的方式使用具有增加的厚度的防护玻璃26，以便将在图1中标明的、来自防护玻璃26的两侧的两个背射30分开。优选地，借助于传感器组件36测量来自最后的透明光学面的耦合输出的背射30。因此，射束测量与加工激光射束路径分开地进行。

为了实时求取激光焦点20的位置，借助于传感器组件36沿着射束传播方向评估加工激光射束12的射束特性，其中，背射30对应于整个激光射束。

第一可能性是求取射束焦散面。其优点在于，能够监控加工激光射束的由热透镜引起的所有可能改变。第二可能性是确定沿着射束传播方向的最大激光强度。在此，省去了对其它射束特性的监控，但仍能够实时检测焦点位置。

为了调设焦点位置并且为了校正焦点位置，射束引导光学器件的至少一个成像光学元件(即在所示示例中是第一光学器件16和/或聚焦光学器件18)在其光学轴线28的方向上可动地布置，从而合适的调整驱动器(未示出)能够使所述成像光学元件运动，以便进行焦点位置校正。为了基于检测到的焦点位置移动来进行焦点位置校正，将传感器组件36的输出信号提供给评估电路(未示出)，该评估电路由传感器组件36的输出信号确定当前的焦点位置(position)或位置(lage)，并且输出用于调整驱动器的调整信号，使得至少一个光学元件、例如第一光学器件16相应地移动。

从加工激光射束12中耦合输出的背射30被转向到传感器组件36的传感器或探测器40的测量区域38中，在所述测量区域中，激光功率不再具有可测量的热影响。在此，例如如在图2中所示，可以设置有偏转镜42。为了实时求取焦点位置，传感器或探测器40沿着测量加工激光射束的射束传播方向44测量加工激光射束的特性。尤其地，测量在垂直于射束传播方向44的至少两个不同的平面a、b内的射束特性。

如在图3中所示，例如在激光过程之前使用来自射束引导光学器件的最后的光学元件、即来自防护玻璃26的两个背射30.1、30.2，用于测量焦点位置，以便在沿着射束传播方向44多个位置处测量加工激光射束并且借助于另外的透明光学元件(偏转元件60)将该加工激光射束偏转到空间分辨的传感器或探测器40上。作为空间分辨的传感器或探测器40可以使用任意的如下传感器，利用该传感器可以求取照射到传感器上的激光射束的、即激光背射的直径，用于射束测量。然而，符合目的地，使用摄像机作为空间分辨的传感器或探测器40，其传感器面例如由ccd传感器构成。

可以将平面平行的板设置为偏转元件60。但也可以将楔形板用作偏转元件60、防护玻璃26或者用作另外的偏转元件，以便将各个子背射的在空间分辨的传感器40上、即在其传感器面上的照射点或区域进一步地彼此分开。此外，还可以使偏转元件60的后表面镜面化，以便避免相应的背射的光损失。在此，也可以考虑，偏转元件60的前表面设有涂层，使得两个入射的背射30.1和30.2的强度均匀地分布到相应的子背射上。

通过以这种方式产生的多重背射，因此能够在焦点的区域中在多个位置处测量加工激光射束、尤其该加工激光射束的射束直径，因为光从聚焦光学器件18的最后的面到空间分辨的传感器或探测器40的传感器面的光学行程对于背射中的每一个是不同的，即部分地短于或部分地长于额定焦距，该额定焦距确定焦点位置。

如图3中所示，由来自防护玻璃26的两个背射30通过在偏转元件60处的多重反射形成的四个背射照射在部位1、k-2、k-1和k处。在图4中示意性地示出被空间分辨的传感器40在其传感器面的这些区域处求取的射束直径。因此示出，在区域1和k-2处检测到位于焦点20之前的射束直径，而在区域k-1和k处检测到位于焦点20之后的部位处的射束直径。通过沿着射束传播方向在额定焦点20的区域中测量多个射束直径，可以近似地求取射束焦散面62，以便然后由该射束焦散面62确定加工激光射束12的实际焦点位置。

如在图5中所示，利用(至少一个)分束器46将待测量的背射30细分成(至少)两个射束，并且为了在沿着射束传播方向44的(至少)两个位置处测量射束特性而将所述(至少)两个射束转向到传感器组件36的(至少)两个关联的空间分辨的传感器或探测器40.1和40.2上。探测器40.1和40.2垂直于射束传播方向44定位。探测器40.1和40.2可以沿着射束传播方向测量(至少)两个射束直径，以便从中求取射束焦散面并且从该射束焦散面中求取焦点位置用于焦点位置校正。

如在图6中通过双箭头48标明，空间分辨的传感器或探测器40垂直于射束传播方向44布置并且能够沿着该射束传播方向移动。因此，探测器40可以沿着射束传播方向44在背射30的焦点20’的区域中的多个位置处测量背射30的射束直径。背射30的焦点20’对应于加工激光射束12的焦点20。因此，通过在背射的焦点20’的区域中测量背射30，能够检测并且为了求取和校正焦点位置而评估加工激光射束12的射束焦散面。

根据图7，在本发明的另一构型中，空间分辨的传感器或探测器14不可移动，而是偏转镜42可移动，如通过双箭头48’所标明。与根据图6的构型相比，在这里虽然需要较大的探测器面，但对于偏转镜42产生较小的移动行程，因为偏转镜42的移动基本上导致传感器或探测器14沿着在射束传播方向44上的背射30的双倍相对移动。由此得到更紧凑的结构形式。

图8示出本发明的另一构型，在该构型中，空间分辨的传感器或探测器40布置成相对于射束传播方向成限定的角度α。

图9a示出作为射束焦散面示出的背射30的垂直于传感器或摄像机平面41的截面，该背射对应于加工激光射束12，而图9b与倾斜的空间分辨的传感器或探测器40的传感器或摄像机平面41的俯视图一起示出射束焦散面62的截面，该截面在加工激光射束12的传播方向44上平行于传感器或摄像机平面41的纵向延伸部延伸。在图9c中示出所测量的射束在传感器或摄像机平面41上的椭圆形图像。

在限定的倾斜角α的情况下对射束的椭圆形图像、即对射束焦散面62的测量能够使得沿着射束传播方向44在多达三个位置处计算射束直径。为此，在考虑空间分辨的传感器或探测器40与射束轴线12’之间的角度α的情况下，评估在所测量的射束的椭圆形图像中的距离ab以及沿着椭圆长轴的距离oc和od。当所测量的射束的椭圆形图像中的线段ab直接对应于在传感器或探测器平面41的中心o处的射束直径时，可以由线段oc和od计算存在于相对于中心o轴向地沿着射束轴线偏移的位置处的射束直径。在此，直径在射束轴线12’的z方向上的位置的距离由以下等式z1＝od*sinα得出，而直径d如下计算：d＝2*r1，其中，r1＝od*cosα。

另一可能性是使空间分辨的传感器或探测器40分别扭转或倾斜限定的角度αj。对应于距离od或者说oc，空间分辨的传感器与角度αj相关地测量线段sj1和sj2。在此基础上，与z位置相关地求取相应的射束半径并且因此求取射束直径。由此，在j个不同的角度的情况下沿着射束传播方向得出射束焦散面的至少(2*j+1)个不同的平面，在这些平面内可以测量射束直径d，用于近似地求取射束焦散面62。

在图10中示意性地示出传感器或探测器平面41在三个不同角度下的布置。因此，沿着射束轴线12’在z方向上在七个不同位置zj1、zj2处得出7个不同的射束直径d。直径dj1、dj2和位置zj1、zj2能够以如下方式计算：

dj1＝2*rj1，其中，rj1＝sj1*cosαj

zj1＝sj1*sinαj。

如在图11中所示，使用非空间分辨的传感器或探测器40’、尤其功率探测器、例如光电二极管，其在背射30的传播方向44上可移动地布置，以便测量背射30在其射束轴线附近的强度。在此，该传感器的自由开口不能大于焦点20’处的射束直径d。在这种布置的情况下，在传感器上所测量的强度或功率在焦点20’处达到最大值。通过使传感器或探测器40’沿着光学轴线移动，可以测量在图11的曲线图中所示的沿着传播方向44的强度或功率分布，然后从中可以对应于该分布的最大值求取焦点位置。

如在图12中所示，使用行扫描传感器40”作为传感器或探测器，用于测量背射30中的功率，由偏转元件64发出的多个背射30.n被输送给所述行扫描传感器。在此，偏转元件64例如由多个堆叠的平面板组成，从而能够借助于多个面同时提供多个背射30.n，所述多个背射中的每一个能够关联于射束轴线上的一个位置。在此，行扫描传感器40”上的线性功率分布与沿着光学轴线28的功率密度分布相关(该功率密度分布的最大值对应于焦点位置)并且因此能够用于求取和校正焦点位置。

图13示出本发明的另一构型，在该构型中，背射30被转向通过沿着其光学轴线28’布置的散射介质50的方式是，使得该背射的焦点20’位于散射介质50的区域中，并且可以在焦点20’的区域中观测射束焦散面，用于求取和校正焦点位置。在此，借助于成像光学器件52观测射束焦散面，该成像光学器件将由背射30发出的散射光成像到探测器54上。

在此，探测器54可以是空间分辨的传感器、例如ccd，它拍摄射束焦散面，由所述射束焦散面可以确定焦点位置。但也可以考虑使用用于测量散射光功率的行扫描传感器来求取焦点位置，所述行扫描传感器检测散射光强度或功率沿着射束传播方向的变化曲线。然后，散射光强度或功率的变化曲线的最大值表示焦点位置。

成像光学器件52例如可以是椭圆形空穴、抛物面反射器或诸如此类。

以有利的方式使用固体透明材料作为散射介质50，其具有均匀地分布在其中的散射元件、例如小颗粒。由于在制造亚微米范围内的颗粒方面的改进，现今能够制造和使用具有非常高的透射率的固体材料，所述材料能够非常均匀且有效地散射用于照明目的的光。这具有的优点是，由灰尘颗粒引起的测量伪影并不关键。散射介质的这种构型的替代方案是可动元件，如沿着光学轴线的散射壁或旋转的风扇。