CN100568074C - 用于射束漂移补偿的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于维持准直光束的希望位置的设备和方法。光学系统包括可移动地安置在射束路径中的一个或多个无源光学元件。射束位置对无源光学元件中的至少一个的移动敏感。射束的实际位置被检测并和希望的射束位置比较。生成误差信号，并且作为对无源光学元件中的一个或多个的移动的响应，改变射束路径。在进一步的方面中，提供诸如衍射光学装置之类的射束整形光学装置，以整形传感的射束部分。在进一步的其他方面中，可以监视激光器的热状态，并且提供热映射图，以自动补偿由热状态引起的估计的射束漂移。

Description

用于射束漂移补偿的设备和方法
本发明涉及用于监视射束位置并且光学补偿射束位置的变化以沿着希望的光路将激光束导向的光束漂移补偿设备和方法。本发明发现了和各种激光束应用有关的特定效用，所述各种激光束应用包括工业的和其他激光应用，其中将激光束递送到将要加工的工件或其他目标。示范性的应用包括激光加工、打孔、烧蚀等等、照明、激光成像、光焊接或光固化应用以及其他激光加工应用。将可以认识到，本发明可以应用于各种光学系统，其中，有必要或者希望将激光或其他准直光路递送到精确的目标位置或维持精确的传播路径。
因为若干原因，随着时间的过去，激光束的方向或位置趋于漂移，所述原因包括激光源之内的热效应、空气密度的波动、载有激光源的表面或平台的振动或移动、光具组中的光组件的移动、振动或热效应。激光束漂移补偿系统是已知的，其使用射束分离器以将部分射束导向诸如象限检测器之类的光敏位置传感器。使用复杂且昂贵的电光装置校正检测的位置和预期的或希望的位置之间的任何差异。例如见美国专利号5,315,111。用于稳定射束位置和方向的无源技术典型地依靠隔振和使热效应最小化的组件的使用。然而，这样的技术非常昂贵，并且具有有限的效果。例如见美国专利号5,315,111和5,923,418。因此，本发明关注用于使用便宜的无源光学装置补偿射束漂移补偿的设备和方法。
图1是根据本发明的方面的射束漂移补偿器装置的示意图；
图2是根据本发明的进一步的方面的射束漂移补偿器装置的示意图；
图3显示了根据本发明的三元件楔式系统；
图4显示了根据本发明的四元件楔式系统；
图5显示了根据本发明的可选择的实施例的两元件楔式系统；
图6显示了使用单个平坦平行板的射束漂移补偿器；
图7显示了适合于以本发明使用四象限分光接收器的方式使用的射束集中系统；
图8显示了适合于以本发明使用具有四个镜面和四个对准的光传感器的正方锥的方式使用的射束集中系统；
图9是沿着图8中的线9-9观看的射束集中系统的侧视图；
图10显示了适合于以本发明使用结合基于计算机的信息处理系统的光成像系统的方式使用的又一射束集中系统；
图11是显示根据本发明的方法的流程图；
图12和13显示了使用射束分离器和衍射光学元件用于整形部分的被递送到射束位置传感器的射束的本发明的还一个实施例；
图14-18显示了另外的实施例，其中使用衍射光学元件以将整形的射束部分反射到与入射束同轴的位置传感器；
图19显示了本发明的再一个实施例，其监视激光源的热状态，并且基于感测的热状态和以前存储的使热状态和估计的或预测的射束漂移相互关联的热映射图，调整补偿光学装置以校正射束位置；
图20显示了使用平行板射束控制光学装置和热电堆象限传感器的本发明的另一个实施例；
图21显示了使用一对反射旋转楔的本发明的又一实施例；
图22是图21中显示的旋转楔的前视图。
现在参考图1，其显示了用于监视并调整激光束110的位置的射束稳定系统100的第一实施例。显示的实施例包括使用棱镜楔114和116的射束漂移补偿器112以及射束分离器120。射束分离器120可以是例如折叠式射束分离器反射镜、衍射光学采样器等等，其传送入射束110的部分122，并且将部分124反射到位置传感光传感器或光成像器126。
将可以认识到，作为在此说明的光敏检测器的替代，可以代替其使用诸如热检测器、热电装置、热电堆传感器等等之类的用于传感入射束的热效应的位置传感热装置。下面详细说明使用热传感器的示范性射束补偿系统。
尽管激光源发射将主要被称作“射束”，但是将可以认识到射束不需要是连续射束其也可以是脉冲射束。进而，将可以认识到，可以使用用于递送或转向激光束以沿着希望的光路的另外的装置，包括但不限于例如棱镜、反射镜、透镜、光纤、光学晶体等等及其布置与联合。
将反射的射束124导向光检测器126，其可以是例如电荷耦合装置(CCD)阵列、光电二极管阵列、互补金属氧化物半导体(CMOS)数字检测器阵列等等。优选地，仅仅反射一小部分射束。
将可以认识到，可以使用光具组中的光学元件的替代布置。例如，在替代的实施例(未显示)中，可以这样安置光传感器，以便射束分离器传送用于位置检测和补偿的部分入射束，并且将剩余的射束反射到例如工件或其他目标。在所述替代的实施例中，优选地，通过射束分离器仅将一小部分射束传送到光传感器，同时反射大部分的入射束。在进一步的实施例中，将可以认识到，可以在光具组中的任何希望的位置处安置射束漂移补偿设备。
将光传感器的输出传递到x和y位置检测电路128，其中x和y是指关于在此被称作z方向的射束传播方向的相互正交的方向。电路128确定射束122的实际路径关于射束的希望位置的偏差的x和y方向的分量。将x和y方向的误差信号传递到驱动器130，其依次控制诸如线性运动平台之类的位置调节器132，用于必要地使光学元件114和/或116的移动补偿检测到的位置误差。借助于参考图5在下面详细说明图1中显现的双楔式系统。将可以认识到，同样可以使用其他补偿光学装置，例如包括在此说明的无源折射和反射光学补偿光学装置。
现在参考图2，在那里显示了根据本发明的进一步的实施例的补偿系统。将激光源134生成的激光束110传递通过光学楔式系统136，其包括第一可移动楔114、第二固定位置楔115和第三可移动楔116。将射束110传递到射束分离器120。传送射束的部分122，并且反射部分124。
使用CCD摄像机138成像反射的射束部分124。随意地，例如可以使用荧光屏140，其中为了检测有必要或者希望将入射束转换成别的波长。例如，在某些情况下，因为当使用紫外激光源134时或者其中激光强度可能破坏光传感器，所以不能直接成像或传感入射束。为了生成对应于入射光束的位置的荧光输出，在射束124的路径中的射束分离器120和CCD摄像机138之间，安置诸如用荧光材料涂敷的玻璃板之类的荧光玻璃或屏幕140。将可以认识到，可以使用各种波长和/或强度的激光源，并且在某些情况下，可以直接成像或传感入射束。
接口142用于将CCD摄像机连接到数字信号处理电路144，其接收成像射束的数字表示。处理电子装置144基于成像场之内的传感的射束位置确定从希望的射束位置的x和y方向的偏差。可以使用专用数字信号处理器以执行数字信号的计算密集处理，尽管将可以认识到，用通用中央处理单元同样可以执行数字信号处理功能。在其他实施例中，例如可以使用多处理器，其中，使用一个或多个专用数字信号处理器可以执行计算密集处理，并且同时通用中央处理单元随意地用于任何进一步的处理和/或在电子存储器或其他数字存储介质中存储处理的数字表示。在进一步的实施例中，使用专用计算装置、硬件逻辑或有限状态机，其可以在例如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)等等中实现，可以整体或局部地执行处理功能。
例如基于成像射束位置和希望射束位置的质心之间的差，处理器144确定位置误差的x和y分量，并且将x和y误差信号输出到驱动器电路146。驱动器电路146依次控制线性运动致动器148和150。为了相对于固定的双面楔115在z轴方向上前进或缩回第一楔114，在运动平台152上支撑第一楔114，其中，在线性致动器148上可移动地支撑所述运动平台152。为了相对于固定的双面楔115在z轴方向上前进或缩回第二楔116，在运动平台154上支撑第二楔116，其中，在线性致动器150上可移动地支撑所述运动平台154。
如最好在图3中看到的那样，第一楔114在x方向上逐渐变细，从而在x-z平面上造成折射偏转。第二楔116在y方向上逐渐变细，从而在y-z平面上造成射束方向变化。固定位置双面楔115具有第一光接收面，其与楔114的相对面对准。固定位置双面楔115还具有相对第一面的第二面，其与楔116的相对面对准。将可以认识到，能够用一对楔114’和116’替换双面楔115，所述一对楔114’和116’分别与第一和第二楔114和116互补，如图4所示。
在实施中，楔114在x方向上使射束偏转离开z轴。双面楔115的光接收表面折射射束，以便它返回到通常平行于z轴的路径，但是从这里在x方向上有位移，楔114和双面楔115之间的距离确定了射束在x方向上的位移幅度。当射束122离开双面楔115时，射束在y方向上被折射离开z轴。第二楔116的光接收表面折射射束，以便它返回到通常平行于z轴的路径，但是从这里在y方向上有位移，双面楔115和楔116之间的距离确定了射束在y方向上的位移幅度。
可选择地，可以用如图5所示的两元件楔式系统替代如图2所示的三元件射束楔式系统。可以如上所述地检测射束位置，并且计算位置误差，或者将其转换成极坐标，其中，检测射束位置和希望位置之间的位移被规定为幅度或径向转移分量和角度转移分量。在实施中，第一楔114”在x方向上使射束偏转离开z轴。第二楔116”折射射束，以便它返回通常平行于z轴的路径，但是从这里在x方向上有位移。调节楔114”和楔116”之间的距离，以便射束在x方向上的位移幅度对应于径向转移。然后，使两个楔旋转对应于角度转移的角度φ。
在另一个替代的实施例中，可以用如图6所示的单个光学元件156替代图2和5的楔式系统。光学元件156是诸如平坦石英板、大圆柱光学装置等等之类的平坦平行板或平透镜，并且被安装到万向支架或平台158，其被设置用来分别关于x和y轴160和162独立地旋转。轴160和162关于z轴方向164相互正交。在显示的实施例中，可以相对于固定点166关于轴160和162中的任一个或两个独立地旋转板156。x和y位置误差信号用于控制关于轴160和162中的每一个的旋转程度，以便补偿入射束相对于希望射束路径的偏差。通过关于y轴166旋转板156，沿着x轴160转移射束122。通过关于x轴160旋转板156，在y方向上转移射束122。可选择地，可以使用具有至少两个自由度的运动板(例如见图12-14)代替万向支架158。
可以用若干方法确定检测射束位置和希望射束位置之间的位置偏移量。现在参考图7，在那里显示了基于象限光接收器的系统，其包括四象限分离光检测器126，其在本领域中是众所周知的。光检测器126包括象限A、B、C和D，其中象限A和C在x方向上对准，并且象限B和D在y方向上对准。可以校准系统，以便使入射束124位于检测器126上中央，并且这样一来，当激光束122在希望的位置上时，每个象限检测的光强度就基本上相同。
在替代的检测器构造中，如图8和9所示，将射束124导向具有四个镜面170a、170b、170c和170d的正方锥168的顶点。关于锥168径向隔开四个光传感器A、B、C和D，其每一个都和面170a-170d中的各自一个光学对准。当入射束124集中在锥168的顶点上时，被每个面反射到其各自的光传感器上的光基本上是相同的。
不论使用的传感器是图7的象限光传感器还是图8和9的锥传感器，检测器A-D都生成指示检测的光的强度的电信号，其中，信号被传递到x-y误差信号恢复电路128，以确定光强度之间的变化，例如作为激光束漂移的结果。将光传感器A和C的输出传递到第一比较电路172，其生成和照射在象限A和C上的光强度之间的差成比例的用于y方向的误差信号174。将象限B和D的输出传递到第二比较电路176，其生成和照射在象限B和D上的光强度之间的差成比例的用于x方向的误差信号178。将输出信号174和178传递到伺服控制机构130，并且如上所述地调节补偿光学装置，直到每个检测器象限传感基本上相等的光强度，表明激光束漂移的效果已被抵消并且射束已返回到希望的位置为止。
在另一个实施例中，可以使用蜂房式位置传感模块以传感射束位置。蜂房式位置传感器使用位置传感光电二极管，其输出传感表面上的x和y位置的电压模拟，其可以依次用于调节补偿光学装置136，以使射束位置返回到希望的位置。可以用于本发明的示范性蜂房式位置传感模块是DL100-7PCBA3，其从Westlake Village，CA的PacificSilicon Sensor Inc.可以得到。
现在参考图10，在那里显示了另一个实施例，其使用基于光成像器的位置传感器138，其可以是例如CCD摄像机、CMOS数字检测器阵列等等。成像器138输出入射光(例如射束124或荧光玻璃140的荧光输出，见图1)的二维图像，并且将其传递到基于计算机的信息处理系统180。
可选地，可以使用帧接收器182以接收视频信号，并且将当前的视频帧转换成数字图像表示，其可以存储在计算机系统180的存储器184中。可选择地，成像器126可以将获取的图像作为数字数据直接传递到计算机系统180，以存储在存储器184中。
基于二维图像，例如通过基于图像象素值确定入射束的质心，图像处理模块186计算成像场中的入射束的位置。转移恢复处理模块188基于检测射束位置和希望射束位置之间的差计算x和y转移恢复值。这可以包括比较检测射束位置和以前存储的数据或存储在查询表中的数据。可以提供数模转换器和相关的控制逻辑190，以将x和y恢复值转换成模拟控制信号192，其被传递到用于控制光学补偿器136的位置的伺服电机等的驱动器130。可选择地，可以将电机控制信号192作为数字电机控制信号输出。这样一来，射束位置从希望位置的任何漂移就都被检测为成像场之内的射束位置的移动或变化。将电机控制信号信息馈送给控制器130，其包括能够控制光学补偿器136中的可移动光学元件的位置的电子电路。如在此使用的那样，术语“处理模块”意图是指功能模块，其可以用硬件、软件、固件或其联合执行。进而，可以意识到，任何或全部的处理模块184、186、188和190可以使用专用的处理电路，或者可以作为共享共同硬件的软件或固件而被使用。
现在参考图11，显示了流程图，其显示了用于调节激光束位置、亦即用于补偿激光束转移或漂移的方法。该方法包括生成激光束，并且朝着诸如部分反射镜、光学采样器等等之类的射束分离器的方向，根据这个教导(步骤200)引导射束通过光学补偿器。部分的射束被导向如上所述的光传感器或光成像器，并且剩余的射束被继续传递到将要被加工或照射的目标(步骤204)。
检测光传感器上的传感光束部分的二维位置(步骤208)。然后将传感器上的反射光束的检测的二维位置与射束的希望位置相比较(步骤212)。可以通过诸如上面详细说明的那样的若干方法检测光束位置的二维位置并且与希望的位置相比较。
基于射束的检测位置和射束的希望位置之间的差，确定将射束定位在希望位置处所需的射束转移的x和y分量(或者，可选择地，角度和幅度极坐标分量)(步骤216)。进行关于射束是否在希望位置处的确定(步骤220)。如果确定正确定位了射束的话，则过程返回到步骤208，并且如上所述地继续。如果在步骤220确定射束没有在希望的位置处，则调节光学补偿器的位置(步骤224)以补偿x和y偏移量，并且过程返回到步骤208并继续，直到射束在希望的位置处为止。可以使用图11的方法以恰当地定位射束以及监视射束，并且在射束位置随后漂移或被转移的情况下，通过进行随后的校正来维持正确的定位。例如，可以连续地或以预定的时间间隔重复过程，以监视并维持希望的射束位置。
现在参考图12，在那里显示了进一步的实施例，其中，射束稳定系统使用了衍射光学元件230，用于修改要递送到位置传感器阵列126的激光束部分124的特性。激光源134将激光束110递送到射束漂移补偿光学装置156，其可以是光学板或光学楔式系统，如上所述。在图12显示的实施例中，在那里显示了控制无源射束转向光学装置的可选择的手段，所述无源射束转向光学装置使用了安装到运动板159的平行板光学元件。运动板159包括多个调节螺钉或类似物161，其由伺服致动器132控制，所述伺服致动器132依次由控制电路130控制。运动板提供了两个自由度以独立地实现关于x和y轴的旋转。可选择地，可以使用如上所述的楔式系统或装在万向支架上的板或者如下所述的反射补偿光学装置。
然后激光束110传递到射束分离器120，其传送入射束110的部分122，并且将部分124反射到衍射光学元件(DOE)230。优选地，DOE 230被实现为全息光学元件，包括但不限于计算机生成全息光学元件，尽管同样关注其他的衍射光学元件。尽管显示了单个DOE，但是将可以认识到，同样可以使用包括多个衍射光学元件的复合衍射光学系统。将从DOE 230输出的修改的激光束232传递到位置传感光传感器或光成像器126。
选择DOE 230以修改射束部分124的尺寸和形状，以使光适应选择的位置传感器阵列126。DOE 230输出的照射场能够是在离开HOE230规定工作距离处产生的指定形状。具体参考图13和14，并且继续参考图12，在那里显示了示范性光传感器阵列126，其包括关于射束124径向延伸并且隔开90度的四个线性或一维位置敏感检测器236。传感器可以如2004年11月22日提交的共同拥有的美国临时专利申请序列号60/629,941中描述的那样，所述该申请全部在此并入作为参考。
位置敏感检测器236典型地提供从大约5-10微米范围变化的增量的测量结果，从而提供了非常高的位置测量分辨率。检测器236可以是分立的检测器元件的线性阵列，或者可以是线性(一维)位置敏感检测器。一维位置敏感检测器例如从Hamamatsu Corporation ofBridgewater，New Jersey可以得到。
可以使用其他数目的线性检测器。例如，在替代的实施例中，可以使用八个线性检测器，每一个都关于射束124轴径向延伸，并且隔开45度。在使用径向延伸的线性检测器的场合，修改的射束形状可以是圆形或矩形环，其可以是连续的或分段的。然而，将可以认识到，DOE 230可以产生和光传感器阵列126互补的其他几何形状。
继续参考图12，为了计算检测射束位置和希望射束位置之间的任何偏差的x和y方向的分量，将来自传感器阵列126的输出传递到传感器电子装置128。用于x和y方向的误差信号被传递到控制器130，其依次控制伺服致动器132，以使光学元件156的移动补偿检测到的射束位置误差。
传送的射束部分122可以由一个或多个射束整形器234整形，并且被递送到将要被加工或照射等等的目标对象。射束整形光学装置可以是例如高斯平坦顶部转换光学装置等等。
现在参考图13，在那里显示了类似于图12的实施例的示范性实施例，其中，衍射光学元件230产生了四个分立的照射场或段240。激光源134将激光束110递送到射束漂移补偿光学装置156，其可以是安装在运动板159上的光学板，或者可选择地，可以是折射或反射光学楔式系统，如在此详述的那样。
激光束110传递到射束分离器120，其传送入射束110的部分122，并且将部分124反射到衍射光学元件(DOE)230。再次显示了单个DOE，尽管同样关注包括多个衍射光学元件的DOE系统。将从DOE 230输出的修改的激光束232传递到位置传感光传感器或光成像器126。
位置传感器126包括四个线性位置敏感检测器236，每一个都关于射束124径向延伸并且隔开90度。DOE 230修改射束部分124以生成四个分立的照射段240。可选择地，射束段240能够是连续矩形环的边。在另一个替代的实施例中，段240可以用连续圆形环(见图14)或分段的弧(未显示)代替，其中，每个弧都和线性检测器236中的对应一个相交。
在替代的实施例中，其中使用了另外的线性检测器，同样可以使用生成另外的多边形的对应段或边的DOE。例如，在使用八个径向延伸且等间隔的传感器的场合，使用生成连续的圆形或八边形环的DOE。可选择地，同样能够使用生成八个段或弧的DOE。
在实施中，位置传感电子装置128比较线性检测器236的水平对准对上的段240的位置，以生成x方向上的射束位置偏移量，并且比较线性检测器236的垂直对准对上的段240的位置，以生成y方向上的射束位置偏移量。将x和y方向的偏移量输出到电机控制机构130，其依次控制伺服致动器132，以使光学元件156的移动补偿检测到的射束位置误差。
可以设置DOE 230，以在相距DOE 230选择的距离(Ps)处生成希望尺寸的照射形状或图案，其中，较大的距离Ps导致增加的灵敏度。
现在参考图14，其中使用了具有全息或衍射孔径并且输出向后反射形状的射束的衍射光学元件231，从而消除了用于将部分射束导向位置传感器的射束分离器的需要。
激光源134将激光束110递送到射束漂移补偿光学装置156，其可以是光学板或光学楔式系统，如上所述。激光束110穿过光传感器阵列126中的开口250，所述光传感器阵列126包括例如安装到电路板或基片235的关于射束110布置的多个线性传感器236，所述电路板或基片235载有用于传感器236的驱动电子装置并且具有在那里穿过的中央开口250。射束110被传递到DOE 231，其输出受孔径限制的射束部分123和向后反射的射束部分233。可以将受孔径限制的部分123继续传递到用于照射、加工等等的目标对象或区域。可选择地，如图15-18所示，DOE 231可以是包括两个或更多衍射光学元件的复合衍射光学系统的一部分。在显示的实施例中，为了生成诸如平顶射束或具有别的希望形状或强度轮廓的射束之类的希望的输出射束125，复合射束整形系统包括输入DOE 231和输出DOE 234。输入DOE 231包括：外环部分252，其包括反射过量激光束的向后反射射束环整形器；以及内射束整形器部分254，其整形受孔径限制的射束部分123。
继续参考图14，DOE 231输出的向后反射的部分233具有被整形的照射场242，其在显示的实施例中为圆形环。向后反射的部分233可以替换地是矩形环、线段、弧段等等，如上所述。
位置传感器126包括四个线性光传感器或传感器阵列236，每一个都关于射束110径向延伸并隔开90度。在替代的实施例中，可以使用其他数目的线性检测器。如果激光中心线改变位置，则向后反射的射束部分232也转移。检测并监视沿着每个阵列240的照射环的位置。位置传感电子装置128计算任何射束位置偏移量的x和y分量。校正信号被输出到电机控制器130，其依次控制伺服致动器132，以使光学元件156的移动补偿检测到的射束位置误差。可选择地，可以使用如在此说明的那样的其他射束转移光学装置。
可以设置DOE 231，以在相距DOE 231选择的距离处生成希望尺寸的照射形状或图案，其中，DOE 231和位置传感器阵列126之间的较大距离导致增加的灵敏度。
在替代的实施例(未显示)中，有孔的向后反射的射束整形器231可以用可透射的射束整形器代替，其中，整形的环输出部分在入射束传播的方向上和中央部分同轴地传播。在这样的实施例中，将位置传感器阵列126安置在有孔的射束整形器的下游。
在本开发的进一步的方面中，已发现，对于某些激光器而言，射束漂移作为激光器热状态的函数以相当可重复的或可预测的方式发生。现在参考图19，在那里显示了控制器260，其基于位置敏感光传感器126和一个或多个热传感器262调节补偿光学装置156。补偿光学装置156可以是任何的在此说明的光学补偿器，包括装在万向支架上的平行板光学装置、可调节的楔式系统或反射光学装置，如在此说明的那样。
提供一个或多个热传感器262以监视激光器的热状态。可以提供热传感器以监视激光器的一个或多个部分，包括但不限于泵送空腔、激光材料、谐波生成晶体、激光器外壳、环境温度等等。(一个或多个)传感器262监视的热状态和射束漂移之间的关系可以事先确定，并且存储在查询表266或其他电子存储装置中。可选择地，可以以存储的公式的形式具体表达监视的温度和射束位置之间的关系。
根据查询表或其他存储装置266，热传感器电子装置264基于检测到的热状态计算估计的射束漂移，并且生成信号，其被传递到控制器130，所述控制器130调节补偿光学装置156，以补偿由热状态引起的估计的射束漂移。光传感器126和光传感电子装置128同样监视实际的射束位置，并且调节补偿光学装置156，以将射束维持在希望的位置处。同样可以结合传感的热状态使用检测到的实际射束位置以填充或更新查询表266。尽管为了概念简化而显示为功能块，但是可以意识到，能够用共同的硬件实现光传感器处理电子装置128和热传感器处理电子装置264。
现在参考图20，在那里显示了进一步的实施例，其中，射束稳定系统使用了象限热电堆传感器阵列270，用于传感入射束的热效应。热电堆阵列270包括例如安装到电路板272的四个热电堆传感器象限271a-d，所述电路板272可以另外载有传感器驱动电子装置。激光束110被递送到可移动的射束漂移补偿光学装置156，其可以是光学板或光学楔式系统，如上所述。在显示的实施例中，显示了大圆柱(平行板)光学元件，其可以装在万向支架上，或者安装到运动板，如上所述。可选择地，可以使用借助于参考图3-5的如上所述的折射楔式系统或如图21所示的反射楔式系统。
然后激光束110传递到诸如折叠式射束分离器或衍射光学采样器之类的射束分离器120，其传送入射束110的部分(优选地为主要部分)122并且将部分124反射到热电堆传感器阵列270。优选地将热电堆传感器阵列270补偿到环境温度。优选地，将射束124传递到可选择的DOE扩散器278，以输出一致强度的射束，并且消除倾向于提供错误的射束漂移的指示的射束功率分布中的任何热点。优选地，将扩散器278的输出传送到可选择的折射透镜276，例如具有长工作距离的物镜或聚光透镜。由于分离的部分124通常是射束110的相对小的部分，所以可选择的折射透镜有利地会聚射束，以便将射束强度或功率密度带到热电堆阵列的灵敏度范围之内，并且/或者增加功率密度，以便改善动态响应并减少热电堆传感器阵列270的噪声影响。
将射束部分124递送到衍射或折射轴棱镜274的顶点。在图20的实施例中显示了正方锥轴棱镜；然而，关注其他类型的轴棱镜，包括圆锥形轴棱镜(其将生成照射的圆形环)或具有其他几何形状的轴棱镜。折射在面275a、275b、275c和275d中的一个上入射的射束124的部分，以便其分别照射在象限传感器阵列270的对角相对的象限271a、271b、271c和271d中。安置轴棱镜274，以便当射束110处在希望的位置时，将射束部分124导向轴棱镜274的顶点，并且光照射在每个热电堆传感器象限上从而使得每个热电堆传感器象限的电压输出基本相同。如果射束从希望的位置路径漂移，则分离的射束部分124将不再集中在轴棱镜274的顶点。传感器电子装置128比较传感器象限271a-d的输出以确定射束位置偏移量，其被输出到电机控制机构130，所述电机控制机构130控制伺服致动器，以使光学元件156的移动补偿检测到的射束位置误差。
尽管借助于参考无源折射射束补偿光学装置在此主要说明了本开发，但是将可以认识到，同样可以使用无源反射射束补偿光学装置。结合本发明的反射光学装置的使用有利地避免了尤其是使用高功率激光器的和由玻璃、石英、硒化锌、锗等等制成的透射光学元件的使用相关的问题，包括射束畸变、光学装置的老化以及透射光学装置的高成本。
现在参考图21和22，在那里显示了和图20的实施例类似的实施例，但是其中使用了反射补偿光学装置。将入射激光束110导向具有反射镜表面282的第一楔280。楔280关于轴284可旋转。如最好在图22中看到的那样，反射面282关于轴284倾斜。同样，安置具有反射镜表面288的第二楔286，以便反射镜表面282和288光通信。楔286关于轴290可旋转，并且表面288关于轴290倾斜。由于可旋转的楔的反射面关于它们各自的旋转轴倾斜，所以楔的旋转用来改变反射面相对于入射束的角度，从而改变射束路径的位置。
在实施中，激光束110被引导到第一反射镜表面282上，并且被反射到第二反射镜表面288。然后将射束110反射到射束分离器、DOE采样器等等120。射束的第一部分122被继续传递或递送到希望的目标或过程。将射束110的第二部分124导向位置传感器和相关的光学装置。在显示的实施例中，位置传感器是如上所述的热电堆阵列，并且用于射束部分124的传感器光学装置包括借助于参考图20的如上所述的可选择的DOE扩散器278、可选择的折射透镜276以及轴棱镜274。然而，将可以认识到，可以替代地使用如在此说明的那样的任何其他光传感检测器布置和相关的光学装置。
传感器电子装置128比较传感器象限271a-d的输出以确定射束位置偏移量，其被输出到电机控制机构130，所述电机控制机构130旋转第一和第二楔280和286以角度θ1和θ2，以补偿任何射束漂移并将射束路径转移到希望的位置。

Claims (23)

1.一种用于维持激光束的希望位置的设备，包括：
光学系统，其包括以隔开关系安置在所述射束的路径中的第一、第二和第三棱镜楔，所述射束的位置对所述第一和第二棱镜楔之一或两者的移动敏感；
所述第一棱镜楔沿着所述射束路径可移动，并且具有第一光接收面和与所述第一面相对的第二面，所述第一面关于所述射束路径横向布置，并且第一棱镜楔在垂直于所述射束路径的第一方向上逐渐变细；
所述第二棱镜楔沿着所述射束路径可移动，并且具有第一光接收面和与所述第一面相对的第二面，所述第二楔的第二面关于所述射束路径横向布置，并且第二棱镜楔在垂直于所述射束路径和所述第一方向的第二方向上逐渐变细；
所述第三棱镜楔布置在所述第一和第二楔之间，并且具有第一光接收面和与所述第一面相对的第二面，其中第三楔的第一面面对并且对准第一楔的第二面，并且其中第三楔的第二面面对并且对准第二楔的第一面；
检测器装置，用于检测所述射束的实际位置；
比较装置，用于比较所述射束的实际位置和所述射束的希望位置，并且生成表示所述射束的检测到的实际位置和所述射束的希望位置之间的差的误差信号；
用于移动所述第一和第二棱镜楔的装置，由此所述射束的光路响应于所述移动而被改变；以及
位置控制器，其响应从比较装置接收的误差信号，并且用于向所述用于移动所述第一和第二棱镜楔中的至少一个的装置生成输出信号，以便所述射束被转移到希望的射束位置。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述检测器装置包括从由以下组成的组中选择的检测器：光传感器阵列、象限光检测器、具有反射镜面和与每个所述反射镜面光对准的光检测器的棱锥、蜂房式位置传感光检测器、CCD摄像机、CMOS摄像机、一维位置敏感检测器阵列、线性光检测器阵列以及热电堆阵列。
3.如权利要求1所述的设备，进一步包括射束分离器，用于将所述射束的一部分导向所述检测器装置。
4.如权利要求3所述的设备，进一步包括衍射光学元件，用于整形被导向所述检测器装置的部分射束。
5.如权利要求1所述的设备，进一步包括射束整形器，用于整形被导向所述检测器装置的所述射束的部分。
6.如权利要求5所述的设备，其中，所述射束整形器是衍射光学元件。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述衍射光学元件包括反射部分，用于反射并整形被导向所述检测器装置的所述射束部分。
8.如权利要求7所述的设备，其中，从连续的环和分段的环中选择被反射整形的射束部分。
9.如权利要求8所述的设备，其中，从连续的圆和连续的矩形中选择所述连续的环，并且从分段的圆和分段的矩形中选择所述分段的环。
10.如权利要求5所述的设备，其中，所述检测器装置包括从一维位置敏感检测器阵列和线性光检测器阵列中选择的光检测器阵列。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述线性位置敏感检测器被隔开，并且关于所述整形的射束部分的轴径向延伸。
12.如权利要求11所述的设备，其中，整形的射束部分和入射束同轴。
13.如权利要求5所述的设备，其中，射束整形器是复合衍射光学系统，其包括：输入衍射光学元件，用于将所述射束的部分导向位置传感器；以及输出衍射光学元件，用于输出具有预先选择的形状和预先选择的强度轮廓中的一个或两个的射束。
14.如权利要求1所述的设备，其中，比较装置包括从由比较电路和用于计算检测射束位置和希望射束位置的数字图像表示之间的差的图像处理电路组成的组中选择的比较电路。
15.如权利要求1所述的设备，进一步包括用于生成所述射束的激光源。
16.一种用于维持激光束的希望位置的设备，包括：
激光源，用于生成所述射束；
光学系统，其包括可移动地安置在所述射束的路径中的一个或多个无源光学元件，所述射束的位置对所述无源光学元件中的至少一个的移动敏感；
检测器装置，用于检测所述射束的实际位置；
比较装置，用于比较所述射束的实际位置和所述射束的希望位置，并且生成表示所述射束的检测到的实际位置和所述射束的希望位置之间的差的误差信号；
用于移动所述一个或多个可移动的无源光学元件中的至少一个的装置，由此所述射束的光路响应于所述移动而被改变；以及
位置控制器，其响应从所述比较装置接收的误差信号，并且用于向所述用于移动所述一个或多个可移动的无源光学元件中的至少一个的装置生成输出信号，以便所述射束被转移到希望的射束位置；
一个或多个热传感器，用于传感所述激光源的一个或多个热状态；
热映射图，其使所述传感的热状态和估计的射束漂移相互关联；
控制电路，用于基于所述传感的热状态和所述热映射图，生成表示所述估计的射束漂移的热漂移补偿信号；
其中所述位置控制器向所述用于移动所述一个或多个可移动的无源光学元件中的至少一个的装置输出信号，以便转移射束以补偿所述估计的射束漂移的量，所述位置控制器响应于所述热漂移补偿信号而输出信号。
17.一种用于补偿激光束漂移的方法，包括：
将激光束导向射束转移器，所述射速转移器包括以隔开关系安置在所述射束路径中的第一、第二和第三棱镜楔，其中所述第一和第二棱镜楔是可移动的，以便所述射束的位置对所述第一和第二棱镜楔之一或两者的移动敏感；
所述第一棱镜楔沿着所述射束路径可移动，并且具有第一光接收面和与所述第一面相对的第二面，所述第一面关于所述射束路径横向布置，并且第一棱镜楔在垂直于所述射束路径的第一方向上逐渐变细；
所述第二棱镜楔沿着所述射束路径可移动，并且具有第一光接收面和与所述第一面相对的第二面，所述第二楔的第二面关于所述射束路径横向布置，并且第二棱镜楔在垂直于所述射束路径和所述第一方向的第二方向上逐渐变细；
所述第三棱镜楔布置在所述第一和第二楔之间，并且具有第一光接收面和与所述第一面相对的第二面，其中第三楔的第一面面对并且对准第一楔的第二面，并且其中第三楔的第二面面对并且对准第二楔的第一面；
检测所述射束的实际位置；
比较所述射束的实际位置和希望的射束位置；
如果检测的实际位置不是希望的位置，则移动所述第一和第二棱镜楔之一或两者，直到所述射束到达希望的位置为止。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括：
确定实际射束位置和希望射束位置之间的偏差，所述偏差包括：第一误差分量，其表示所述偏差在所述第一方向上的程度；以及第二误差分量，其表示所述偏差在所述第二方向上的程度；
通过沿着所述射束路径移动所述第一棱镜楔，补偿所述第一误差分量；以及
通过沿着所述射束路径移动所述第二棱镜楔，补偿所述第二误差分量。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述检测步骤包括：
沿着所述射束路径安置射束分离器，以将所述射束的一部分导向位置敏感装置。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述位置敏感装置从由以下组成的组中选择：光传感器阵列、象限光检测器、具有反射镜面和与每个所述反射镜面光对准的光检测器的棱锥、蜂房式位置传感光检测器、CCD摄像机、CMOS摄像机、一维位置敏感检测器阵列、线性光检测器阵列以及热电堆阵列。
21.如权利要求17所述的方法，其中，所述检测步骤包括：
沿着所述射束路径安置有孔径的射束整形器，所述有孔径的射束整形器被设置用来使所述射束的第一部分穿过所述孔径，并且将所述射束的第二部分导向位置敏感装置。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述第二射束部分是与所述第一射束部分同轴的整形的环。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述整形的环被反射以在与所述入射束的传播方向相反的方向上传播。
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