一种用于确定焦点位置的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种光束分析装置(10)，用于确定能量束或从能量束分离的样本光束(70)的焦点(71)的轴向位置，包括光束整形装置(12)、检测器(40)和分析装置(45)。光束整形装置(12)被配置为利用二维透射函数在调制平面(19)上调制能量束(77)或被分离的样本光束(70)的强度分布(81)，以便形成调制样本光束(79)。透射函数具有在至少一个阻挡区域(25)和至少一个通道区域(21)之间呈过渡形式的至少两个对比度阶梯(32、33)，它们彼此相距距离a。光束整形装置(12)被配置为将调制样本光束(79)沿传播路径引导到检测器(40)上，以沿着第一横向方向(31)在检测器(40)上形成具有至少两个对比度特征(92、93)的强度分布(83)。分析装置(45)被配置为确定沿着第一横向方向(31)在检测器(40)上的对比度特征(92、93)之间的距离a，以及基于距离a确定光束焦点(71)的轴向位置和/或基于距离a的变化确定光束焦点(71)的轴向位置的变化。本发明专利技术还涉及一种用于确定光束焦点(71)的轴向位置的相应方法。(71)的轴向位置的相应方法。(71)的轴向位置的相应方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种用于确定焦点位置的装置和方法


[0001]本专利技术涉及一种用于确定电磁辐射能量束束焦点的轴向位置的装置和方法，具体涉及用于确定加工光学器件光束焦点的轴向位置的装置和方法。特别地，能量束可以是激光束。本专利技术还提供了能够在激光加工操作期间确定加工光学器件(processing optics)的光束焦点位置的装置和方法。

技术介绍

[0002]激光材料加工的中心任务是调整和控制激光束相对于待加工材料或工件的轴向焦点位置。通过优化过程控制，激光束的焦点不一定直接在工件表面上。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，也就是说，在工件表面下方，尤其是在加工具有高材料厚度的工件时。通常，加工结果敏感地取决于激光束的准确焦点位置，这就是为什么期望或必要的是激光束焦点相对于工件的定位在加工过程中不会改变的原因。
[0003]在激光切割过程中，工件和切割喷嘴之间的距离在加工过程中尽可能保持恒定也很重要，因为切割气体的流动动力学对切割结果有很大影响。该问题可以通过例如电容距离测量和闭环控制以现有技术的方式解决。
[0004]通常，改变相对于工件的光束焦点位置的问题不是检测或跟踪工件位置或工件相对于加工光学器件的距离，而是检测实际光束焦点相对于加工光学器件的位置。
[0005]现代激光处理系统使用具有高亮度和高功率的激光，通常在几千瓦的范围内。由于激光处理光学元件中的材料特性，高激光功率会导致光学元件升温。这在光学元件中产生了径向温度梯度，由于诸如折射率的材料参数的温度依赖性，导致了光学元件的屈光力发生变化。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，例如通过使用高纯度、低吸收类型的石英玻璃，可以使所述热焦点偏移最小化，但它实际上仍然始终存在。激光材料加工过程中产生的反应产物和各种尺寸的颗粒会增强这种效应；这些可能会沉积在加工光学器件或加工光学器件的保护玻璃上，并导致吸收增加。因此，特别地，保护玻璃通常有助于改变加工光学器件的光束焦点位置。
[0006]用于确定工件距离或工件表面位置的装置是现有技术中已知的；它们根据例如光学三角测量法的基本原理起作用。
[0007]例如，专利申请EP0248479A1公开了一种用于光学测量表面和参考表面之间的距离的装置。为此，在反射辐射通过具有两个离轴开口的屏幕之后，用辐射源照射表面，并通过光学系统将反射辐射引导到检测器上。屏幕产生的光斑图案的范围是表面与参考表面之间距离的量度。
[0008]专利号DE4206499C2中公开的距离测量方法以非常相似的方式起作用。此处，物体发出的光也被引导通过具有离轴开口的屏幕，并被引导到测量头上。这里的特点在于，为了避免会影响测量准确性的散斑结构，只使用光斑的非相干辐射的一小部分；物体通过电磁辐射的照射而被激发以发射该辐射。
[0009]从专利申请DE102013210078A1中，用于确定高能束焦点位置的装置和方法是已知的技术。除其他项目外，该装置包括图像采集装置，用于形成至少两个观察光束，以及成像光学器件，用于生成待监测区域的至少两个图像或参考轮廓。一方面，工件表面的待监测区域的两个图像之间的横向距离的改变可用于推断焦点位置相对于工件的偏差。另一方面，可以根据参考结构的两个图像之间的横向距离的变化来确定聚焦元件的焦距的变化，其可以由例如激光处理喷嘴的内轮廓形成，因此，可以推断出焦点位置的变化。由于工件或参考结构发出或反射的光也用于该装置生成图像，因此在严格意义上无法测量高能束的焦点位置。光束焦点位置的改变不是由聚焦元件引起的，而是由例如准直光学器件引起的，这无法用所公开的装置来确定。
[0010]专利申请EP2886239A1公开了一种用于监视和控制激光连接过程中的加工路径的方法和装置。除其他项目外，在该公开中描述的处理头具有包括成像光学器件的双狭缝传感器形式的距离传感器和双缝屏幕。该距离传感器可用于确定处理头与工件表面之间的距离。
[0011]在以上引用的所有公开中，工件表面的位置或距离最终总是以光学方式确定。另一方面，通过上述装置和方法无法确定指向工件表面上的光束的焦点位置，或者只能以较低的精度来确定。为了能够确定处理光束的实际焦点位置，直接测量处理光束，或者将样本光束与处理光束分离并测量样本光束是有必要的。
[0012]专利申请DE102017215973A1描述了一种用于确定激光束的光束位置的装置和方法。为此，次级束通过分束器与激光束分离，并被引导到位置传感器上。光束整形器设置在次级束的光路中，或设置在分束器的前面。该装置旨在根据由光学位置传感器检测到的整形次级光束的强度分布，或者根据整形次级光束的焦点的位置来确定激光束的光束位置。该装置用于检测激光束的光束位置误差。同样，可以检测激光束直径的偏差。因此，该装置旨在检测光束位置误差和偏差，这些误差和偏差表现为横向的，也就是说，径向的或横向的变化。没有设想过确定激光束的轴向焦点位置。
[0013]一种用于利用电磁辐射处理材料的装置和方法是公开WO2012/041351A1中已知的技术。此处可以设想用于图案生成的装置(例如荫罩)被转动到聚焦在材料上得电磁束中。部分反射表面设置在焦点的前面，使得由图案生成器产生的图案的图像被反射回部分反射表面上，并通过分束器到达检测器。检测器上的图像由计算机处理，并生成与焦点位置有关的电信号。所公开的方法旨在用于眼科手术。然而，该方法不适合或不太适合激光材料加工中的一般应用，因为通常不可能将部分反射表面永久地设置在光束焦点的前面，另外在高功率激光束中设置荫罩也是不利的。
[0014]在WO2015/185152A1中公开的用于监测激光束的装置中，辐射借助于以倾斜角度设置在激光束中的平板被反射回来，并被空间分辨检测器所检测。可以通过检测成像到检测器上的子束的焦点位置的偏移来确定激光束发散的变化。该装置尤其用于分析和监测用于产生EUV辐射的驱动激光器。
[0015]专利申请DE102011007176A1描述了一种用于聚焦激光束的装置和一种用于监测激光处理的方法。为此，激光辐射从透射光学元件反射回来，尤其是从保护玻璃反射回来，并且背向反射的辐射由检测器检测，以便确定焦点位置。此处，保护玻璃以倾斜角度设置，使得背向反射的辐射直接偏转到侧面，并且不需要进一步的光束分离。设置了一个屏幕，以
阻挡防护玻璃其中一侧的背向反射辐射。激光束的焦点位置是通过估测背向反射激光辐射在检测器上的照射区域的尺寸(即直径)来确定的。
[0016]专利DE102013227031A1公开了一种用于分析入射到基底上的光束和用于校正焦距偏移的装置和方法。在所示的装置中，为了进行光束分析，由保护玻璃反射的光束的一部分被偏转到传感器上的测量光路中。从保护玻璃反射的部分被引导通过测量光路中的屏幕，因此，从装置的其他部分反射的干涉光束被遮蔽。为了实现所期望的干涉光束遮蔽，设想了倾斜保护玻璃和/或使用楔形板来偏转反射光束。作为传感器，该公开指示使用CCD相机或CMOS相机，利用它们能够进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定光束焦点(71)的轴向位置的光束分析装置(10)，其特征在于，光束焦点(71)是电磁辐射的能量束(77)的焦点(76)，或与所述能量束(77)分离的样本光束(70)的焦点，包括光束整形装置(12)、检测器(40)和评估装置(45)；其中，所述光束整形装置(12)
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被配置为在具有二维透射函数的调制平面(19)中调制所述能量束(77)或与所述能量束(77)分离的所述样本光束(70)的强度分布(81)，从而形成具有调制强度分布(82)的调制样本光束(79)，其中，所述透射函数具有至少一个包括基本恒定的第一强度透射因子的通道区域(21)，以及具有至少一个包括基本恒定的第二强度透射因子的阻挡区域(25)，其中，所述第二强度透射因子最多为所述第一强度透射因子的50％，其中，沿着第一横向方向(31)的所述透射函数包括在所述至少一个阻挡区域(25)和所述至少一个通道区域(21)之间呈过渡形式的至少两个对比度阶梯(32，33)，其中，所述对比度阶梯(32，33)沿所述第一横向方向(31)彼此相距距离k，其中，术语“横向”是指与相应的局部光轴(11)垂直的平面中的方向，
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被配置为沿着传播路径将所述调制样本光束(79)引导到所述检测器(40)上，以便在所述检测器(40)上形成具有沿着所述第一横向方向(31)的至少两个对比度特征(92，93)的强度分布(83)，其中，所述检测器(40)上的所述强度分布(83)中的所述对比度特征(92，93)由所述至少两个对比度阶梯(32，33)在所述调制强度分布(82)中通过将所述调制样本光束(79)传播到所述检测器(40)形成；其中所述检测器(40)
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包括在空间上二维分辨的光辐射敏感传感器，被配置为将照射在所述检测器(40)上的所述强度分布(83)转换为电信号，并且
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沿所述传播路径设置在所述调制平面(19)后面的距离s处；以及，其中所述评估装置(45)
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被配置为处理所述检测器(40)的电信号，所述电信号表示所述检测器(40)上的所述强度分布(83)，
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被配置为确定所述检测器(40)上的两个所述对比度特征(92，93)之间沿着所述第一横向方向(31)的距离a，以及
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被配置为基于所述距离a确定所述光束焦点(71)的轴向位置，和/或基于所述距离a的改变确定所述光束焦点(71)的轴向位置的改变。2.根据权利要求1所述的光束分析装置(10)，其特征在于，在所述至少两个对比度阶梯(32、33)中的每一个处，在每种情况下，所述通道区域(21)的一部分沿着所述第一横向方向(31)延伸超过宽度b，并且在每种情况下，所述阻挡区域(25)的一部分沿着所述第一横向方向(31)延伸超过宽度p。3.根据权利要求2所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述通道区域21的部分的宽度b是所述阻挡区域25的部分的宽度p的至少1.5倍。4.根据权利要求2或3所述的光束分析装置(10)，其特征在于，在所述对比度阶梯(32、33)处的所述通道区域(21)的部分和所述阻挡区域(25)的部分
在第二横向方向(37)上延伸超过至少宽度h，所述第二横向方向(37)与所述第一横向方向(31)成直角。5.根据权利要求4所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述宽度h至少是所述宽度p的2倍。6.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述对比度阶梯(32，33)被设计为线，其在与所述第一横向方向(31)的交点处的切线与所述第一横向方向(31)成直角对齐。7.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述对比度阶梯(32、33)被设计为与所述第一横向方向(31)成直角排列的直线。8.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述调制平面(19)和检测器(40)之间的所述第一横向方向(31)和所述局部光轴(11)通过光束折叠和/或光束重定向被改变。9.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，包括分离装置(14)，其中，所述分离装置(14)包括用于将所述样本光束(70)与所述能量束(77)分离的光束分离器(15)。10.根据权利要求9所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束分离器(15)是分束器装置，被配置为通过反射和/或透射将所述能量束(77)从0.01％到5％范围内的辐射分量分离为样本光束(70)。11.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束整形装置(12)包括具有至少一个光学透镜(51)的成像装置(50)，用于将所述调制样本光束(79)引导到所述检测器(40)上。12.根据权利要求11所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述调制平面(19)设置在所述成像装置(50)的像侧焦点处。13.根据权利要求12所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述评估装置(45)被配置为通过线性计算规则，基于所述对比度特征(92、93)的所述距离a来确定所述光束焦点(71)的所述轴向位置，和/或基于所述对比度特征(92，93)之间的所述距离a的变化来确定所述光束焦点(71)的所述轴向位置的变化。14.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述评估装置(45)被配置为通过在至少一些部分中是线性的计算规则，基于所述对比度特征(92、93)之间的所述距离a来确定所述光束焦点(71)的轴向位置，和/或基于所述对比度特征(92、93)之间的所述距离a的变化，来确定所述光束焦点(71)的轴向位置的变化。15.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，包括光束折叠装置(60)，所述光束折叠装置包括分束器(61)和至少一个反射镜(64)，并且被设置在所述检测器(40)前面的光路中，其中，所述至少一个反射镜(64)被配置为将离开所述分束器(61)的辐射分量反射回所述分束器(61)中，以这种方式形成第一折叠光路，并且其中所述调制平面(19)设置在所述光束折叠装置(60)前面的光路中，或者设置在所述第一折叠光路中。16.根据权利要求15所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述光束折叠装置(60)另外包括至少一个第二反射镜(64，65)，其中所述第二反射镜(64，65)被配置为将离开所述分束器(61)的另一辐射分量反射回所述分束器(61)中，以这种方式形成第二折叠光路。17.根据权利要求16所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束整形装置(12)的所述调制平面(19)设置在所述第一折叠光路中，其中在所述第二折叠光路中没有配置调制，以便将所述样本光束(70)或所述能量束(77)的辐射分量作为未调制光束(78)引导到所述检测器(40)上，并且其中，所述评估装置(45)被配置为根据所述未调制光束(78)的光斑(98)在所述检测器(40)上的强度分布来确定光束直径和/或光束轮廓。18.根据权利要求17所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述反射镜(64，65)被配置为可以在所述第二折叠光路中轴向移动，并且所述反射镜(64，65)的位置可以通过定位装置(66)来调节。19.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述评估装置(45)被进一步配置为确定整个所述强度分布(83)在所述检测器(40)上的横向位置，并且被配置为根据整个所述强度分布(83)的所述横向位置计算所述样本光束(70)的所述光束焦点(71)的横向位置，和/或根据整个所述强度分布(83)的所述横向位置的变化来计算所述样本光束(70)的所述光束焦点(71)的横向位置的变化。20.根据权利要求11至19中任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，还包括用于分离所述样本光束(70)的分束器(62)、具有至少一个光学透镜的另一成像装置(63)和第二检测器(42)，
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其中所述分束器(62)设置在所述调制平面(19)前面的光路中，
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其中所述分束器(62)设置在所述成像装置(50)的所述光学透镜(51)和所述调制平面之间，并且
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其中，所述另一成像装置(63)设置在所述分束器(62)和所述第二检测器(42)之间，用于将放大的光斑(98)或所述光束焦点(71)的放大图像成像到所述第二检测器(42)上。21.根据权利要求20所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述评估装置(45)被配置为处理由所述第二检测器(42)产生的电信号，并且其中所述评估装置(45)被配置为根据所述第二检测器(42)上的强度分布来确定光束直径和/或焦斑直径。22.根据权利要求11至19中任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，还包括用于分离所述样本光束(70)的分束器(62)、具有至少一个光学透镜的另一成像装置(67)和第二检测器(42)，
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其中所述分束器(62)设置在所述调制平面(19)前面的光路中，
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其中...

【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：