用于焦点位置控制的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于确定光束状态，特别是用于确定光束焦点位置的光束分析装置。所述光束分析装置包括部分光束成像装置(10)，所述部分光束成像装置(10)具有至少一个用于从所述第一测量光束(40)的第一部分孔径区域形成第一部分光束(41)的第一选择装置(11)，以及成像器件(16)，其用于将用于产生第一光束光斑(45)的第一部分光束(41)成像到具有空间分辨率检测器(21)的检测器单元(20)上。此外，光束分析装置包括评估单元(25)，用于处理探测器单元(20)的信号，确定第一光斑(45)的横向位置(a1)，以及确定第一光斑(45，45')的横向位置(a1，a1')随时间的变化。本发明专利技术还涉及一种具有激光光学装置(60)和光束分析装置的用于焦点位置控制的光学系统。本发明专利技术还涉及相应的光束分析方法以及用于激光光学装置的焦位控制和用于激光光学装置的焦位跟踪的方法。用于激光光学装置的焦位跟踪的方法。用于激光光学装置的焦位跟踪的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于焦点位置控制的系统和方法


[0001]本专利技术提供一种用于光束的焦点位置控制系统，更具体地说，提供一种用于激光材料加工应用中的激光束的焦点位置控制系统。
[0002]本专利技术涉及一种聚焦位置传感器(focal pos ition sensor)。本专利技术还涉及一种具有聚焦位置传感器的激光光学装置，用于实时监测激光光学装置的焦点位置，即在应用激光束期间，以及一种具有聚焦位置传感器的激光光学装置，用于控制和/或调节激光光学装置的焦点位置。
[0003]本专利技术还涉及一种确定光束焦点位置的方法，以及一种实时监测激光光学装置焦点位置的方法，以及一种控制和/或调节激光光学装置焦点位置的方法。

技术介绍

[0004]激光材料加工的中心任务是调整激光束相对于待加工材料或工件的轴向焦点位置。为了实现最佳工艺管理，激光束的焦点不一定直接位于工件表面。相反，激光束焦点相对于工件的最佳定位取决于多个因素。例如，焦点可以位于工件内部，即工件表面下方，尤其是在加工高材料厚度的工件时。加工结果通常敏感地取决于激光束的精确焦点位置，这就是为什么在加工过程中，激光束焦点相对于工件的位置不发生变化是可取的或必要的。
[0005]现代激光处理系统使用高亮度和高功率的激光器，通常为数千瓦。由于激光加工光学元件中的材料特性，高激光功率导致光学元件发热。这会在光学元件中产生径向温度梯度，由于折射率等材料参数的温度依赖性，导致光学元件的折射率发生变化。这种效应称为热焦点偏移。尽管通过选择合适的光学元件材料，例如使用高纯度、低吸收等级的石英玻璃，可以将这种热焦点偏移降至最低，但在实践中始终存在这种情况。激光材料加工过程中产生的气体反应产物会放大这种效应，这些气体反应产物会沉积在激光光学元件或激光光学元件的防护玻璃上，并导致吸收增加。因此，特别是防护玻璃，通常会导致激光光学装置的焦点位置随时间发生意外的变化。
[0006]为了解决该问题，现有技术中已经描述了各种装置，其目的在于确定光学系统的实际焦点位置，并且因此也能够跟踪焦点位置。
[0007]例如，DE 10 2011 054 941 B3显示了一种用于校正通过光学元件管理的激光束焦点位置热位移的装置。在这种情况下，使用来自待处理材料前面的最后一个光学元件之一的表面之一的背反射，并且在背反射的焦点位置处布置传感器。根据本专利技术提出的概念，传感器本身可以是以足够精度确定焦点位置的任何聚焦传感器(focus sensor)。例如，该出版物引用了DE 198 23 951 A1中公开的聚焦传感器。后一出版物提出了一种聚焦传感器，其中输入光束被分为参考光束和样品光束，其中参考光束被高频抖动信号调制，样品光束和参考光束被重新组合以产生干涉图样，并且用检测装置再现干扰图案。一个电路根据检测装置的信号，生成焦点改变校正信号。
[0008]因此，所述聚焦传感器是具有运动部件的高度复杂的光学装置，并且依赖于具有足够相干性的分裂光束。
[0009]另一个困难来自这样一个事实，即当使用来自激光光学装置的光学元件的表面，特别是来自防护玻璃的表面的背反射时，如DE 10 2011 054 94 1B3中的已知技术，通常无法确保只有一个表面的所需背向反射可以单独用于评估。事实上，由激光光学装置的光学元件的每个表面产生背反射，因此，总的来说，存在多个轴向叠加的背反射。如果现在将聚焦传感器设置在多个后向反射之一上以检测其焦点位置的变化，则其他多个后向反射作为寄生信号(换句话说，作为干扰信号)出现，这会降低或甚至阻止对焦点位置的可靠检测。
[0010]与DE 10 2011 054 94 1B3类似的安排在DE 10 2007 053 63 2A1中披露。这里，提出使用从光学表面同轴反射的部分光束，该光束通过分束器与主光束分离，因此可用于光束分析。作为光束分析的传感器，哈特曼
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夏克传感器被指定为其他替代品之一。哈特曼
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夏克传感器用于确定光束波前的形状和曲率。关于波前曲率的信息也可用于计算焦点位置。
[0011]然而，使用哈特曼夏克传感器作为聚焦传感器也存在一些困难。已知现有技术的Hartmann
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Shack传感器，也称为波前传感器，基本上由透镜阵列和空间分辨率探测器组成，其布置的距离等于透镜阵列的各个透镜的焦距。因此，在波前传感器的探测器上，光束照明导致多个单独的焦点以与透镜阵列的几何形状相对应的规则排列。各个焦点的横向位置取决于由透镜阵列的各个透镜形成的各自相关联的子孔径处光束波前的局部倾斜。因此，从焦点位置的总和，可以重建透镜阵列前面光束所显示的波前几何结构。特别是，这还允许确定波前的整体曲率，从而将其推回光束的焦点位置。
[0012]在这种情况下，可能出现的困难之一是唯一性问题。如果波前发生强烈畸变，也就是说，具有较大的局部倾斜，则属于相应部分孔径的焦点的横向位置可以横向偏移很远，以至于焦点已经滑入相邻焦点的单元中。波前传感器不再能够评估哪个焦点属于哪个部分孔径。因此，对于波前传感器，必须要求待测光束与平面波前的偏差较小，和/或部分光束光斑轴与光轴的角度小于透镜阵列单个透镜聚焦的部分光束孔径角的一半。为了实现这一点，透镜阵列的各个透镜的焦距通常较小，例如与光束直径相比，因此透镜阵列和探测器之间的距离较小。然而，这同时意味着探测器上焦点的横向位置对光束轴向(物体或中间)焦点位置变化的灵敏度相对较低。
[0013]已知技术的波前传感器的另一个困难是，如果要测量的光束实际上由多个光束的叠加或多个激光束反向反射组成，则不再可能以有意义的方式评估部分孔径的焦点位置，焦点位置彼此偏离。然而，这正是已经证明的典型情况，当测量光束或样品光束由激光光学元件表面的后向反射产生时会发生这种情况。已知技术的波前传感器将无法提供可靠的结果，因为此时探测器上出现了无法分配的多个焦点。
[0014]DE 10 2015 001 421 B4中公开的装置通过在激光光学装置的聚焦光束中引入附加元件，以产生用于光束分析的背反射，从而避免了该问题，其中，附加元件的部分反射表面的曲率适合于聚焦光束波前的平均曲率。因此，一方面，光束被准确地反射回自身，使得其他不希望的背反射的焦点位置在轴向上足够远，使得这些不再干扰，另一方面，可以选择更高的附加引入元件的部分反射系数，以减少对其他反射的干扰距离。然而，由于为此目的在光束路径中引入了附加元件，因此该方法不适用于在激光处理过程中实时确定和校正焦点位置。
[0015]DE 10 2013 227 031 A1显示了另一种用于校正焦距偏移的装置，其中由防护玻
璃反射的光束的一部分被偏转到传感器上的测量光束路径中进行光束分析。从防护玻璃反射的部件通过测量光束路径中的孔，由此阻挡从装置其他部分反射的寄生光束(换句话说，干扰光束)。为了实现寄生光束的预期阻挡，设想防护玻璃的倾斜位置和/或使用楔形板偏转反射光束。作为传感器，本专利技术提出使用CCD摄像机或CMOS摄像机。这旨在实现符合DIN ISO 11146的测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于确定光束状态的光束分析装置，包括：
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一种部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)，其被配置为接收第一测量光束(40)，并且其至少包括用于从所述第一测量光束(40)的第一部分孔径区域形成第一部分光束(41)的第一选择装置(11、35)，还包括具有至少一个成像光学元件(17)的成像装置(16)，
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探测器单元(20)，其具有至少一个至少是一维空间分辨率的光敏探测器(21)，其布置在与所述部分光束成像装置(10)的距离(z
OS
)处，以及
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评估单元(25)，用于处理来自探测器单元(20)的信号，其中，第一选择装置(11，35)相对于用于照射第一测量光束(40)的光轴(39)偏心布置，其中，所述部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)被配置成将用于产生第一光斑(45)的第一部分光束(41)成像到探测器单元(20)上，其中，探测器单元(20)被配置成捕获第一光斑(45)的强度分布，其中，评估单元(25)被配置为确定第一光斑(45)的横向位置(a1)，以及其中，评估单元(25)被配置为确定第一光斑(45，45
’
)的横向位置(a1，a1’
)随时间的变化。2.根据权利要求1所述的装置，其中测量光束(40，40
’
)的轴向焦点位置或中间焦点位置(80，80
’
)的变化与探测器单元(20)上的第一光斑(45，45
’
)的横向位置(a1，a1’
)的变化相关。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，由第一选择装置(11，35)确定的第一部分孔径区域的中心与光轴(39)之间的径向距离(r1)至少与第一部分孔径区域在径向上的宽度(d1)一样大。4.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，其中所述评估单元(25)被配置为通过计算光斑(45)强度分布的质心，和/或通过确定光斑(45)的边缘或外围轮廓，和/或通过确定光斑(45)的几何中心，和/或通过使设定点强度分布适应捕获的光斑(45)强度分布，来确定第一光斑(45)的横向位置。5.根据权利要求1至4中的一项所述的装置，其中所述部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)被配置为接收第一测量光束(40)和至少一个第二测量光束(50)，其中所述测量光束(40、50)叠加在同一光轴(39)上。6.根据权利要求1至5中的一项所述的装置，其中评估单元(25)被配置为在由检测器单元(20)捕获的强度分布中识别至少两个光斑(45、46、47、48、55、56、57、58)，并确定至少两个已识别光斑(45、46、47、48、55、56、57、58)的横向位置(a1、a2、b1、b2)。7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)还包括至少一个第二选择装置(12、36)，用于从所述第一测量光束(40)的第二部分孔径区域形成第二部分光束(42)，其中，部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)被配置成将第二部分光束(42)成像到探测器单元(20)上，以产生第二光斑(46)。8.根据权利要求7所述的装置，其中，由第二选择装置(12，36)确定的第二部分孔径区域的中心距光轴(39)的径向距离(r2)至少与第二部分孔径区域在径向上的宽度(d2)一样大。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，由第一选择装置(11、35)选择的第一部分孔径区域和由第二选择装置(12、36)选择的第二部分孔径区域不连续，其中，从第一部分孔径区域的中心到第二部分孔径区域的中心的距离(r1+r2)至少与第一和第二部分孔径区域的宽度(d1+d2)的总和一样大。10.根据权利要求1至9中的一项所述的装置，其中部分反射分束器(63)布置在部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)的前面，用于借助于从被引导到分束器(63)上的光束或激光束(70)中耦合出限定的光束分量来产生测量光束(40)。11.一种光学系统，包括用于激光束(70)的激光光学装置(60)和根据权利要求1至9任意一项所述的光束分析装置，其中，激光光学装置(60)包括部分反射分束器(63)，部分反射分束器(63)用于从激光束(70)向光束分析装置耦合出测量光束(40)，其中光束分析装置被配置为接收通过分束器(63)耦合出来的测量光束(40)。12.一种光学系统，包括用于激光束(70)的激光光学装置(60)和根据权利要求1至9中的一项所述的光束分析装置，其中所述激光光学装置(60)包括：
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激光光学装置(60)的光学元件(64，66)的接口，用于从激光束(70)产生部分反射光束(71)，以及
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部分反射分束器(63)，用于将测量光束(40)从部分反射光束(71)耦合到光束分析装置，其中，光束分析装置被配置为接收通过分束器(63)耦合出来的测量光束(40)。13.一种光学系统，包括用于激光束(70)的激光光学装置(60)和根据权利要求1至9中的一项所述的光束分析装置，其中所述激光光学装置(60)包括：
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激光光学装置(60)的光学元件(64，66)的接口，用于从激光束(70)产生部分反射光束(71)，
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激光光学装置(60)的光学元件(64，66)的至少一个其他接口，用于从激光束(70)产生至少一个其他部分反射光束(72，73，74)，以及
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部分反射分束器(63)，用于将来自部分反射光束(71)的第一测量光束(40)和来自至少一个其他部分反射光束(72、73、74)的至少一个第二测量光束(50)耦合到光束分析装置，其中，光束分析装置被配置为接收通过分束器(63)耦合出来的测量光束(40，50)。14.根据权利要求12或13中的一项所述的光学系统，其中用于产生部分反射光束(71)的接口是在激光束(70，77)离开激光光学装置(60)之前激光束(70)最后穿过的接口(67)。15.根据权利要求11至14中任意一项所述的光学系统，其中所述激光光学装置(60)被配置为产生激光束焦点(79)，并且其中所述激光束焦点的轴向位置(79，79')的变化与所述第一光斑(45，45')的横向位置(a1，a1')的变化相关。16.根据权利要求11至15中的一项所述的光学系统，其中所述激光光学装置(60)连接至导向机，所述导向机被配置为调整所述激光光学装置(60)的激光束焦点(79)的轴向位置，并且其中所述导向机的控制器耦合至所述评估单元(25)，用于接收根据探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：普莱姆斯激光测量技术有限公司，
类型：发明
国别省市：