在激光材料加工时监测激光加工头中的射束引导光学器件的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于在激光材料加工时监测激光加工头中的射束引导光学器件并且调节焦点位置的一种方法和一种设备。

背景技术：

在激光材料加工时的问题是所谓的“热透镜”，该热透镜可以归因于由于激光功率、尤其几千瓦范围内的激光功率引起的用于激光束引导和聚焦的光学元件的发热并且归因于光学玻璃的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位。

在激光材料加工过程期间，首先出现导致光学元件发热的两种机制。对此的原因一方面是激光功率增大，而另一方面是光学元件的污染。此外，可能是光学元件经历机械变形，这导致聚焦强度(brennkraft)变化。机械变形例如可以由光学元件的托座的热膨胀引起。为了确保高质量的激光加工，需要检测相应的焦点位置并且对焦点位置移位进行补偿，即提供快速且精确的焦点位置调节。

de102011007176a1描述一种用于将激光束聚焦到工件上的设备，该设备包括至少一个透射光学元件和空间分辨的探测器，所述至少一个透射光学元件相对于与激光束的射束轴线垂直的平面成一倾斜角度来布置，该空间分辨的探测器用于检测在透射光学元件上背向反射(rückreflektieren)的激光辐射。图像分析处理装置从由探测器(例如ccd芯片)检测到的图像求取出在探测器上背向反射的激光辐射的尺寸或直径，由该激光辐射的尺寸或直径又可以确定焦点位置用以进行焦点位置调节。

de102013021151b3涉及一种用于对光学装置中的热透镜至少部分地进行补偿的方法。该光学装置具有形成热透镜的一个或多个光学元件。在激光束的射束路径中布置有具有至少一个光学补偿元件的光学补偿装置，所述至少一个光学补偿元件在激光辐射的穿透区域中具有随着温度相对于光学元件中的至少一个相反的折射率变化。在此，如此选择补偿元件的直径，使得该补偿元件的热时间常数在至少一个光学元件的穿透区域中尽可能接近。借助该方法和由此得出的光学装置也可以在形成热透镜的情况下以简单的方式对暂态效应至少近似地进行补偿。由此不能够对通过污染限定的热透镜进行补偿。

de102007039878a1描述用于在用于激光材料加工的高功率激光辐射的光学器件的情况下使焦点位置稳定的一种设备和一种方法，其中焦点借助可运动的光学元件和控制装置在出现激光束引起的焦点位置变化的情况下沿相反方向移位，使得焦点总体上保持在期望位置。可以通过激光束的瞬时功率来计算对于校正所需的信息。为了测量该瞬时功率，在光学器件的射束路径中以与光学轴线成一角度地布置有平面平行板，在该平面平行板上将激光束的小的恒定部分偏转到光学传感器上。在此，也不能够对通过污染限定的热透镜进行补偿。

de102011054941b3涉及一种用于校正焦点位置的热移位的设备。该设备配备有传感器、计算单元和校正单元，该传感器用于求取激光束的当前焦点位置，该计算单元用于将当前焦点位置与存储在存储器中的期望焦点位置进行比较并且用于由当前焦点位置与期望焦点位置的比较推导出校正数据，该校正单元具有至少一个可变的光学元件用以根据校正数据来改变焦点位置。在此，传感器布置在激光辐射的背向反射的焦点的位置处，该激光辐射在待加工的材料前被射束方向上的最后的光学元件中的一个光学元件的面中的一个面反射。

在现有技术中，虽然在高污染程度的情况下也可以执行焦点位置监测用以进行焦点位置补偿，然而存在受污染的光学器件被完全破坏的危险，因为未识别出污染。

de10113518b4涉及一种用于测量保护玻璃的污染程度的方法，该保护玻璃在激光加工头中处在面向透镜装置的射束输出侧，该透镜装置存在于激光加工头中并且激光束穿过该透镜装置。为此，在激光束外布置有第一辐射探测器装置，该第一辐射探测器装置观察保护玻璃的由激光束穿过的面，用以测量从那里过来的散射辐射的强度，该散射辐射由激光束在附着在保护玻璃上的颗粒处的散射引起。为了检测激光功率，第二辐射探测器装置测量由激光束偏转的部分射束的强度。然后，由散射辐射与激光功率的关系可以推断出保护玻璃的所观察到的面的污染程度。在此不设置焦点位置补偿。

技术实现要素：

由此出发，本发明所基于的任务是提供能够在激光材料加工时在同时使光学器件的使用寿命最大化的情况下实现焦点位置的实时调节的一种方法和一种设备。

该任务通过根据权利要求1的方法和根据权利要求9的设备来实现。在相应的从属权利要求中描述本发明的有利的构型和扩展方案。

因此，根据本发明，为了在激光材料加工时监测激光加工头中的射束引导光学器件，在激光材料加工期间测量射束引导光学器件的至少一个光学元件的与光学元件的污染程度相关的物理参数并且检测焦点位置用以进行焦点位置调节。然后只要射束引导光学器件的光学元件的物理参数的测量值还未达到所配属的临界值，就一直对所测量到的焦点位置变化进行补偿。然而当射束引导光学器件的至少一个光学元件的物理参数的测量值达到所配属的临界值时，输出错误信号。由此能够实现同时识别出焦点位置移位(以下也称为焦点偏移)和光学元件的污染程度，用以一方面通过焦点位置校正来确保高加工质量而另一方面防止由于污染导致的过度发热而损坏射束引导光学器件。

在本发明的一种构型的情况下设置如下：射束引导光学器件的一个或多个光学元件的待测量的物理参数是所述光学元件的温度。

在本发明的一种有利的构型的情况下设置如下：对射束引导光学器件的至少两个光学元件的温度进行测量，并且还将射束引导光学器件的各个光学元件的所测量到的温度值彼此进行比较，用以通过相对于其他光学元件的温度升高显著的温度升高来识别光学元件的污染。

因为不仅激光功率的大幅增加而且射束引导光学器件的高污染程度导致焦点位置移位，所以符合目的的是：对加工激光束的功率进行测量并且将由此求取出的功率变化过程与至少一个光学元件的温度变化过程进行比较，用以识别污染限定的焦点偏移并且必要时出于维护目的而中断激光加工。

根据本发明的另一构型设置如下：至少一个光学元件的物理参数是由该光学元件发出的散射光。在此可以设置如下：单独地或与温度测量组合地使用散射光测量。通过两个参数的检测的组合可以改善污染识别的可靠性。

符合目的地也对加工激光束的功率进行测量，并且将功率测量值与至少一个光学元件的散射光测量值相关联以识别污染。

在本发明的另一有利的构型的情况下设置如下：为了检测焦点位置，来自布置在会聚(konvergieren)到焦点的加工激光束中的光学元件的背向反射从加工激光束路径耦合输出，用以测量焦点的区域中的至少一个射束直径并且由一个或多个射束直径来确定焦点位置。

在此，符合目的的是：由至少两个测量到的射束直径来求取焦点区域中的射束焦散面，用以由所求取出的射束焦散面来确定焦点位置。由此能够实现直接的实时射束焦散面测量或内联(inline)射束焦散面测量，用以在激光加工过程期间实时地确保精确地求取焦点位置。

此外，根据本发明地设置一种用于在激光材料加工时监测激光加工头中的射束引导光学器件的设备，该射束引导光学器件具有至少一个传感器和空间分辨传感器，所述至少一个传感器用于在激光材料加工期间测量射束引导光学器件的至少一个光学元件的与光学元件的污染程度相关的物理参数，该空间分辨传感器用于测量焦点区域中的射束直径用以检测当前焦点位置。可输送空间分辨传感器的输出信号的分析处理电路由空间分辨传感器的输出信号来确定当前焦点位置并且输出用于调节驱动装置(stellantrieb)的调节信号(stellsignal)，该调节驱动装置然后使射束引导光学器件的至少一个光学元件移位用以进行焦点位置调节。监测电路将射束引导光学器件的一个或多个光学元件的一个或多个测量参数值与所配属的临界值进行比较，并且当射束引导光学器件的一个或多个光学元件的测量参数值达到所配属的临界值时，输出错误信号。因此，可以排除由于污染引起的过度加热而导致损坏射束引导光学器件。

符合目的地，至少一个光学元件的物理值是所述至少一个光学元件的温度。因此，设置用于测量射束引导光学器件的各个光学元件的温度的温度传感器作为传感器，该温度传感器可以构造为热感测器(thermofühler)、热电偶或非接触式测量的温度传感器，如辐射温度计、热电堆等。

为了可靠地区分对于热透镜的不同原因，设置如下：温度监测电路还设置用于将射束引导光学器件的至少两个光学元件的所测量的温度值彼此进行比较，用以通过相对于其他光学元件的温度升高显著的温度升高来识别光学元件的污染。

本发明的另一构型设置如下：为了测量加工激光束的功率设有功率传感器，并且温度监测电路还设置为用于将由所测量的功率求取出的功率变化过程与至少一个光学元件的温度变化过程进行比较，用以识别污染并且区分由此引发的热透镜与由于激光功率增大而导致的热透镜。功率测量不但能够实现对温度变化过程的双重控制，而且能够实现焦点位置的双重控制。对于所有光学元件都“干净”的情况，可以根据激光功率求取对于焦点位置的期望值。在确定的激光功率的情况下，与期望温度值和期望焦点位置的偏离给出关于污染问题的指示。

在根据本发明的设备的另一构型的情况下设置如下：用于测量至少一个光学元件的物理参数的至少一个传感器是散射光传感器。如果在此同时为了测量加工激光束的功率设有功率传感器，那么相应设置的监测电路(50)可以将功率测量值与至少一个光学元件的散射光测量值相关联以可靠地识别污染。

用于测量加工激光束的传感器有利地是空间分辨传感器。

本发明的一种符合目的的构型的特征在于：布置在会聚到焦点的加工激光束中的光学元件、尤其射束引导光学器件的最后的光学元件如此向加工激光束路径的光学轴线倾斜，使得来自光学元件的背向反射由加工激光束路径耦合输出并且偏转到空间分辨传感器上，其中，尤其为了偏转和展开(auffalten)一个或多个耦合输出的背向反射，在射束引导光学器件的最后的光学元件与空间分辨传感器之间设有平面平行板作为偏转元件，该偏转元件将一个或多个背向反射分成多个背向反射并且偏转到空间分辨传感器上。由此能够以构造技术上紧凑的方式实现可以用于焦点位置校正的射束测量。

在此，以有利的方式设置如下：分析处理电路还设置用于由空间分辨传感器的输出信号来求取焦点区域中的至少两个射束直径，并且由所求取的射束直径来确定焦点区域中的射束焦散面，用以由所求取的射束焦散面来确定焦点位置。

附图说明

以下例如根据附图更详细地阐述本发明。附图示出：

图1示出具有根据本发明的设备的激光加工头的示意性的简化示意图，该设备用于在激光材料加工时监测射束引导光学器件并且调节焦点位置；

图2示出激光加工头的射束引导光学器件的简化示图，该射束引导光学器件具有用于温度监测和用于焦点位置控制的传感器；

图3示出根据图2的射束引导光学器件的示意图，该射束引导光学器件具有根据本发明的另一构型的焦点位置传感器；

图4示出激光焦点的区域中的激光束焦散面的变化过程；

图5示出具有附加的功率传感器的根据图3的射束引导光学器件和焦点位置传感器的示图；并且

图6示出具有根据本发明的另一构型的焦点位置传感器的激光加工头中的射束引导光学器件的简化示意图。

在附图的不同图中，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，通过该激光加工头来引导加工激光束12。该加工激光例如经由光导纤维14提供给激光加工头10。从光导纤维14射出的加工激光束12由第一光学器件16进行准直并且由聚焦光学器件18聚焦到工件22上的激光焦点20中。在聚焦光学器件18与射束喷嘴24(经会聚的加工激光束12通过该射束喷嘴聚焦到工件22上)之间通常布置有保护玻璃26，该保护玻璃应保护激光加工头的内部和尤其聚焦光学器件18免受污染，所述污染例如可能由飞溅物或浓烟引起。

第一光学器件16和聚焦光学器件18作为单个透镜示出，然而也可以已知是透镜组。第一光学器件16尤其可以由变焦系统的可运动的透镜构成，所述可运动的透镜使加工激光束12准直。

为了从加工激光束路径中耦合输出用于焦点位置控制的背向反射30，保护玻璃26如此相对于射束引导光学器件的光学轴线28倾斜，使得光学轴线28与保护玻璃的折射和反射面32、34之间的角度不同于90°。如在图1中示意性示出的那样，将背向反射30偏转到空间分辨传感器36上。任何如下的传感器可以用作空间分辨传感器36：借助该传感器可以求取照射到传感器上的激光束(即激光背向反射)的直径用以进行射束测量。例如也可以使用根据所谓的刀边缘方法(knife-edge-verfahren)工作的传感器：在所述刀边缘方法的情况下照射到传感器上的光束如在切割检查的情况下的那样逐步地覆盖。然而，符合目的地使用如下的摄像机作为空间分辨传感器36：该摄像机的传感器面例如由ccd传感器构成。

为了在激光材料加工期间测量射束引导光学器件中的光学元件16、18、26中的至少一个的物理参数——该物理参数与至少一个光学元件的污染程度相关并且例如是温度或从元件射出的散射光——可以配有相应于所述光学元件16、18、26中的任何传感器。

为了例如能够检测光导纤维14的光纤端部14'的温度和射束引导光学器件的各个光学元件的温度——即第一光学器件16、聚焦光学器件18和保护玻璃26的温度——用以识别热透镜和污染，这些元件中的每个都配属有温度传感器40、41、42和43。在此，热感测器或与相应的光学元件的边缘或未示出的托座嵌接的热电偶可以用作温度传感器40、41、42、43。但是也能够使用非接触式测量的温度传感器，例如辐射温度计、热电堆等。此外，也可以使用如下的散射光传感器：所述散射光传感器提供与温度传感器类似的信息。散射光传感器的信号越大，功率或污染程度越高。温度测量和散射光测量的组合是理想的。

为了调整焦点位置并且进行焦点位置校正，射束引导光学器件的成像光学元件中的至少一个(即在所示的示例中第一光学器件16和/或聚焦光学器件18)沿其光学轴线的方向可运动地布置，使得可以由合适的调节驱动装置46使所述至少一个成像光学元件运动。如在图2、3和5中通过双箭头44所说明的那样，优选地通过调节驱动装置46使第一光学器件16运动，用以执行焦点位置校正。为了基于所检测到的焦点位置移位进行控制用以焦点位置校正，将空间分辨传感器36的输出信号提供给分析处理电路48，该分析处理电路由空间分辨传感器36的输出信号确定当前的焦点方位或焦点位置并且输出用于调节驱动装置46的调节信号，使得在所示的示例中使第一光学器件16相应地移位。

为了能够使用由各个温度传感器41、42、43测量到的温度值用以监测射束引导光学器件，将这些温度值提供给温度监测电路50，该温度监测电路将射束引导光学器件的各个光学元件的测量温度值彼此进行比较并且也分别与所配属的临界温度值进行比较，并且当射束引导光学器件的光学元件的温度值指示显著的温度升高或者达到所配属的临界温度值时，例如通过输出端52输出警告信号或错误信号。错误信号——如下面更详细地描述的那样——可以用于为了变得必要的维护措施而中断激光材料加工。来自输出端52的错误信号也可以通过输入端54输送给分析处理电路，用以停止另一焦点位置调节装置。可以以相应的方式来使用与污染相关的其他物理参数(例如散射光)，如在这里和在下面为了直观说明本发明以一种优选的实施例中所描述的温度的那样。

如在图2中可以特别容易看出的那样，为了射束测量，将来自保护玻璃26在激光处理前的最后的透明光学面34、即来自与相互作用区域相对置的面34的激光背向反射30.1对准空间分辨传感器36。

在此，空间分辨传感器36如此定位在加工激光束12的光学轴线外，使得背向反射30.1的焦点20'处在传感器面上。

将来自保护玻璃26的面向聚焦光学器件18的面32的第二背向反射30.2同样偏转到空间分辨传感器36上，然而其中，第二背向反射30.2的焦点20”处在传感器面后，其在图2中以虚线表示。为了将两个背向反射30在空间分辨传感器36的传感器面上的照射区域进一步彼此分开，可以使用平坦的光学元件，即例如具有更大厚度的保护玻璃。

因此，在激光材料加工期间分析处理电路会借助空间分辨传感器36——即例如借助如下摄像机、该摄像机的输出信号(即该摄像机的图像数据)——使用焦点位置调节用以补偿所谓的焦点偏移(即焦点沿着加工激光束路径的光学轴线28的移位)，以便确定焦点区域中的背向反射的射束直径并且由此为调节驱动装置46提供控制信号用以进行焦点位置校正。

同时，在借助温度传感器41、42、43进行激光材料加工的情况下求取射束引导光学器件的各个光学元件的温度值，使得可以将所测量到的温度值与所求取出的焦点位置进行比较。如果在激光材料加工时提高激光功率，那么所有的温度传感器41、42、43将测量到所配属的光学元件——即第一光学器件16、聚焦透镜18和保护玻璃26——的温度升高。这些温度值彼此间的比较和/或这些温度值与对于相应的光学元件特有的、在进行激光功率变化时可期望的温度值的比较可以确定：各个光学元件的温度升高仅归因于激光功率增大，还是也是污染限定的。因此，只要不存在污染或仅存在少量的污染，就借助空间分辨传感器36(例如摄像机)和分析处理电路48求取的焦点偏移通过第一光学器件16(或其他的光学器件)的相应移位进行补偿。

如果存在光学元件(例如保护玻璃26)的污染，那么对于保护玻璃26由温度传感器43测量到显著的温度升高。通过与其他的温度值和/或配属于保护玻璃26的特定的、对于激光功率增大的温度值比较可以识别出：保护玻璃26的温度升高不仅由加工激光束12中的功率增大引起，而且由污染引起。然后，温度监测电路50可以发出被操作者或自动的机器控制装置所识别的警告，用以稍后在适当的时刻执行维护措施。由空间分辨传感器36测量到的焦点偏移通过相应的光学器件(即在所示的示例中是第一光学器件16)的移位进行补偿，因为不中断激光材料加工。

如果识别为受污染的光学元件的温度达到所配属的临界温度，那么然后通过与其他温度值的比较来识别射束引导光学器件中的“错误”。在这种情况下，不对所测量到的焦点偏移进行补偿，而是发出警告，例如关于“需要维护”的指示。同时关断激光加工，用以防止破坏受污染的光学元件。

如在图3中所示的那样，理想地，将来自射束引导光学器在激光处理前的最后的光学元件(即保护玻璃26)的两个背向反射30.1、30.2借助另一透明的光学元件、偏转元件60进行偏转。平面平行板可以设置为偏转元件60。但是楔形板也可以用作偏转元件60、保护玻璃26或其他的偏转元件，用以将各个部分背向反射在空间分辨传感器36上(即在该空间分辨传感器的传感器面上)的照射点或照射区域进一步彼此分开。此外，可以使偏转元件60的背面镜面化，以避免对于相应的背向反射的光损失。在此也可设想如下：偏转元件60的前部的面设有涂覆层，使得两个入射的背向反射30.1和30.2的强度均匀地分布到相应的部分背向反射上。如果楔形板用作保护玻璃26，那么保护玻璃26不必倾斜地安装。

通过以这种方式产生的多重背向反射可以在多个位置处测量焦点区域中的射束直径，因为光从聚焦光学器件18的最后的面直至空间分辨传感器36的传感器面的光学路径对于背向反射中的每个是不同的，即部分比确定焦点位置的标称焦距更短而部分比确定焦点位置的标称焦距更长。如在图3中所示的那样，来自保护玻璃26的两个背向反射30通过在偏转元件60上的多重反射产生的四个背向反射照射在位置1、k-2、k-1和k上。在图4中示意性地示出由空间分辨传感器36在其传感器面的这些区域上求取出的射束直径。即表明：在区域1和k-2处检测到处在焦点20前的射束直径，而在区域k-1和k中检测到处在焦点20后的位置处的射束直径。通过在标称的焦点20的区域中沿着射束传播方向测量多个射束直径能够近似地求取出射束焦散面62，用以然后由射束焦散面62来确定加工激光束12的实际焦点位置。

为了进一步增加从偏转元件60发出的多个背向反射，偏转元件60可以具有多个堆叠的平面板。在此，可以如此涂覆堆叠的平面板的各个面，使得从激光加工射束路径耦合输出的背向反射30.1、30.2的强度均匀地分布到多个部分背向反射上。

如根据图5所示的那样，在适当地设计偏转元件60、即使用透明的偏转元件60的情况下，两个背向反射30的穿过偏转元件60的分量可以输送给用于测量加工激光束12的功率的传感器(即功率传感器64)。然后，在比较射束引导光学器件的各个光学元件的测量的温度值的情况下，可以使用由用于功率测量的功率传感器64所提供的功率信号(该功率信号的时间变化过程示出在激光材料加工时的激光功率增大、激光功率减小或恒定的激光功率)以将温度升高明确地配属于激光功率增大并且能够可靠地识别出射束引导光学器件的各个光学元件的污染。加工激光束12的功率变化过程与光学元件的温度变化过程之间的关联尤其表明不存在污染，而光学元件的与加工激光束12的功率变化过程不相关的温度变化过程指示必要时强烈的污染。功率测量不但能够实现温度变化过程的双重控制，而且能够实现焦点位置的双重控制，因为对于所有光学器件都“干净”的情况，可以根据激光功率来求取对于焦点位置的期望值，然后可以将所述期望值与在确定的激光功率时测量到的实际焦点位置进行比较。因此，在确定的激光功率的情况下与期望温度值和期望焦点位置的偏差给出关于污染问题的指示。

图6示出用于激光加工头的射束引导光学器件，该射束引导光学器件除了用于准直经由光导纤维14提供的加工激光束的第一光学器件16、聚焦光学器件18和保护玻璃26外还具有另一保护玻璃27，该另一保护玻璃紧密地布置在聚焦光学器件18后并且与光学轴线28垂直地定向。该另一保护玻璃27在这里用作如下的偏转元件：该偏转元件将来自最后的保护玻璃26的两个背向反射分成四个背向反射，然后所述四个背向反射被镜66偏转到空间分辨传感器36上。然后根据空间分辨传感器36的传感器面的尺寸，背向反射中的全部或仅一些可以用于焦点区域中的射束测量。