用于检测激光射束的焦点位置的方法和设备技术

本发明专利技术涉及用于检测激光射束的焦点位置、尤其激光加工头(10)中的加工激光射束的焦点位置的方法和设备，所述设备具有：布置在朝向焦点(20)会聚的激光射束(12)中的光学元件(26)，用于使至少一个背射(30)从激光射束路径中耦合输出；和传感器组件(36)，用于在焦点(20)的区域中沿着所述激光射束的传播方向检测所述激光射束(12)的射束特性，所述传感器组件在沿着所述传播方向相对彼此偏移的至少两个位置处测量所述激光射束(12)的耦合输出的反射(30)，用于确定当前的焦点位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于检测激光射束的焦点位置的方法和设备
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
由此出发，本专利技术所基于的任务是，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专利技术的有利构型。根据本专利技术，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。为了在激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于检测激光射束的焦点位置、尤其激光加工头(10)中的加工激光射束的焦点位置的设备，所述设备具有：/n-布置在朝向焦点(20)会聚的激光射束(12)中的光学元件(26)，用于使至少一个背射(30)从激光射束路径中耦合输出；和/n-传感器组件(36)，用于在所述焦点(20)的区域中沿着所述激光射束的传播方向检测所述激光射束(12)的射束特性，所述传感器组件在沿着所述传播方向相对彼此偏移的至少两个位置处测量所述激光射束(12)的耦合输出的反射(30)，用于确定当前的焦点位置。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171222 DE 102017131224.21.一种用于检测激光射束的焦点位置、尤其激光加工头(10)中的加工激光射束的焦点位置的设备，所述设备具有：
-布置在朝向焦点(20)会聚的激光射束(12)中的光学元件(26)，用于使至少一个背射(30)从激光射束路径中耦合输出；和
-传感器组件(36)，用于在所述焦点(20)的区域中沿着所述激光射束的传播方向检测所述激光射束(12)的射束特性，所述传感器组件在沿着所述传播方向相对彼此偏移的至少两个位置处测量所述激光射束(12)的耦合输出的反射(30)，用于确定当前的焦点位置。


2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器组件(36)具有至少一个空间分辨的探测器(40)。


3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述空间分辨的探测器(40)布置成能够沿着所述背射(30)的射束传播方向(44)移动。


4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，借助于偏转元件(42)能够将从所述激光射束路径中耦合输出的背射(30)转向到所述空间分辨的探测器(40)上，所述偏转元件布置成能够沿着所述背射(30)的射束传播方向(44)移动。


5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述空间分辨的探测器(40)相对于所述背射(30)的射束传播方向(44)倾斜地布置。


6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述空间分辨的探测器(40)能够运动到相对于所述背射(30)的射束传播方向(44)倾斜的多个位态中。


7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器组件(36)具有非空间分辨的传感器或探测器(40’)、尤其功率探测器、优选光电二极管，所述非空间分辨的传感器或探测器的位置能够在所述背射(30)的传播方向(44)上相对于所述背射变化，以便在不同位置处测量所述背射(30)在所述背射的射束轴线附近的强度。


8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，借助于偏转单元(60、64)将一个或多个耦合输出的背射(30)细分成多个子背射(30.1、30.2；30.9)，这些子背射的从聚焦光学器件(18)的最后的面到所述传感器组件的传感器或探测器(40、40”)的光学行程彼此不同。


9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述偏转元件(60、64)由一个或多个平面板组成，从而借助于多个面能够将多个背射(30.n)同时转向到所述传感器组件的传感器或探测器(40、40”)上，这些背射中的每一个关联于射束轴线上的一个位置。


10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述传感器组件(36)的传感器或探测器(40、40”)是空间分辨的传感器。


11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·布拉斯奎兹桑切斯，N·韦肯曼，F·奥皮茨，G·施珀尔，
申请(专利权)人：普雷茨特两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE