CN107666981B - 激光材料加工系统和调节激光焦点的尺寸和位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光材料加工系统，其包括：具有总准直焦距(fK)的准直光学部件(K)，其包括用于发散光束(D)的光束源(Z)、具有正或负焦距(f1、f2)的第一和第二光学器件(L1、L2)，其中发散光束(D)实现穿过第一光学器件(L1)然后穿过第二光学器件(L2)，并以准直状态离开第二光学器件(L2)；配置在准直光学部件(K)的下游并且具有正焦距(fO)的第三光学器件(O)，其将以准直状态离开准直光学部件(K)的光束(P)聚焦到焦点(F)；第一和第二调节元件(A1、A2)，其沿着光束传播方向(R)独立地移动第一或第二光学器件(L1、L2)离开彼此，其中光束源(Z)与第三光学器件(O)的图像侧焦平面(B)之间的总光束路径(gs)小于第三光学器件(O)的正焦距(fO)与总准直焦距(fK)之和的两倍值。

Description

激光材料加工系统和调节激光焦点的尺寸和位置的方法

技术领域

本发明涉及用于激光材料加工的系统以及用于调节焦点沿着用于激光材料加工的激光束的光束传播方向的位置和尺寸的方法。

背景技术

激光器大规模用于材料加工，例如用于焊接和切割。为此目的，激光束必须通过工件。这可以通过相对于工件移动加工头来进行。在这方面，移动速度以及加工速度受限于加工头的质量或工件的质量。较高的加工速度可以使用加工头来实现，所述加工头其具有可移动的光学偏转单元，例如可旋转的反射镜，借此，激光束通过工件。这种类型的系统称为扫描系统。

这种类型的扫描系统也可以由机器人引导，其于是执行粗略定位。明显比机器人更动态的扫描系统执行焦点的快速且精确的微定位。

这种类型的扫描系统要求焦点的位置和尺寸在加工期间应该完全受控。在这方面，例如，可能期望的是具有恒定的焦点尺寸，例如通过其直径，在扫描系统的整个工作区域内，独立于被驱动的焦点位置得到提供。另外，例如，可能期望的是能够根据加工要求特别地改变焦点尺寸。

另外，这种类型的扫描系统中存在具有尽可能紧凑的外部尺寸的要求。例如，可能希望的是使用机器人控制的扫描系统以复杂形状浸入工件中，以便在其中在不可触及的位置执行激光加工。扫描系统的结构越紧凑，这就越容易。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有紧凑结构形状的单元，其允许以高度动态的方式独立调节焦点位置和焦点尺寸。

本发明提供一种用于激光材料加工系统，其包括：具有总准直焦距的准直光学部件，其包括用于发散光束的光束源、具有正焦距的第一光学器件和具有负焦距的第二光学器件，其中所述发散光束首先穿过第一光学器件，然后穿过第二光学器件，并且以准直状态离开第二光学器件；具有正焦距的第三光学器件，其中第三光学器件配置在准直光学部件的下游，并且将以准直状态离开准直光学部件的光束聚焦到焦点；和用于沿着光束传播方向移动第二光学器件的调节元件，其中，通过将第二光学器件和第三光学器件配置为形成伸缩式光学装置，第二光学器件的图像侧主平面与第三光学器件的物体侧主平面之间的平均光束路径被选择成使得，当借助于第二调节元件移动第二光学器件时，焦点的尺寸是大致恒定的，并且其中，光束源与第三光学器件的图像侧焦平面之间的总光束路径小于第三光学器件的正焦距与总准直焦距之和的两倍值。

根据一个实施例，第二光学器件的图像侧主平面与第三光学器件的物体侧主平面之间的平均光束路径满足以下条件：f2+0.75*fO<d2<f2+1.25*fO，或者约等于第二光学器件的负焦距与第三光学器件的正焦距之和。

根据再一实施例，第一光学器件在光束传播方向上是不动的。

根据再一实施例，所述系统还包括：光束偏转单元，其用于将来自光束传播方向的光束偏转至另一方向；和控制器，其用于控制调节元件和光束偏转单元，使得焦点相对于待加工材料的表面的位置能够被调节至预定值。

根据再一实施例，所述系统还包括：第四光学器件，其具有大致与第一光学器件的正焦距相对应的正焦距；和第五光学器件，其具有大致第二光学器件的负焦距相对应的负焦距，其中，第一光学器件和第二光学器件构造成被加工光束穿透，第四光学器件和第五光学器件构造成被观测光束穿透，第四光学器件联接至第一光学器件，并且第五光学器件的运动偶联至第二光学器件的运动。

本发明进一步提供一种用于激光材料加工系统，其包括：具有总准直焦距的准直光学部件，其包括用于发散光束的光束源、具有正焦距的第一光学器件和具有负焦距的第二光学器件，其中所述发散光束首先穿过第一光学器件，然后穿过第二光学器件，并且以准直状态离开第二光学器件；具有正焦距的第三光学器件，其中第三光学器件配置在准直光学部件的下游，并且将以准直状态离开准直光学部件的光束聚焦到焦点；用于沿着光束传播方向移动第一光学器件的第一调节元件；和用于沿着光束传播方向移动第二光学器件的第二调节元件，其中第一调节元件和第二调节元件能够彼此独立地移动第一光学器件和第二光学器件，其中光束源与第三光学器件的图像侧焦平面之间的总光束路径小于第三光学器件的正焦距与总准直焦距之和的两倍值。

根据再一实施例，通过将第二光学器件和第三光学器件配置为形成伸缩式光学装置，在第二光学器件的图像侧主平面与第三光学器件的物体侧主平面之间将平均光束路径选择成使得，当借助于第二调节元件移动第二光学器件时，焦点的尺寸是大致恒定的。

根据再一实施例，所述系统还包括：控制器，其构造成控制第一调节元件和第二调节元件，使得通过第一光学器件和第二光学器件的运动，焦点的尺寸以及焦点的位置能够沿着光束传播方向被可彼此独立选择地调节至预定值，其中，通过移动第一光学器件大致调节焦点的尺寸，通过移动第二光学器件大致沿着光束传播方向调节焦点的位置，并且其中考虑以下中的至少一个：焦点沿着光束传播方向的位置由于第一光学器件的运动而发生的变化，和焦点的尺寸由于第二光学器件的运动而发生的变化，以调节预定值。

根据再一实施例，通过以下方式考虑焦点的位置的变化和尺寸的变化中的至少一个：根据第一光学器件和第二光学器件沿着光束传播方向的位置，基于对焦点的位置和尺寸的计算或测量，来存储参考控制数据；以及借助于存储的参考控制数据来确定第一光学器件和第二光学器件沿着光束传播方向的必要位置，以调节用于焦点的位置和尺寸的预定值。

根据再一实施例，所述系统还包括：光束偏转单元，其用于将来自光束传播方向的光束偏转至另一方向，其中控制器构造成控制第一调节元件、第二调节元件和光束偏转单元，使得焦点的尺寸以及焦点相对于待加工材料的表面的位置能够被调节至预定值。

根据再一实施例，所述系统还包括：第四光学器件，其具有大致与第一光学器件的正焦距相对应的正焦距；第五光学器件，其具有大致第二光学器件的负焦距相对应的负焦距，其中，第一光学器件和第二光学器件构造成被加工光束穿透，第四光学器件和第五光学器件构造成被观测光束穿透，第四光学器件的运动偶联至第一光学器件的运动，并且第五光学器件的运动偶联至第二光学器件的运动。

根据再一实施例，光束源联接至光纤的端部，激光辐射从所述光纤的端部发散地出现。

根据一个实施例，第一光学器件的正焦距与光束源距第一光学器件的物体侧主平面的距离的比值是0.25-0.75。

根据再一实施例，第一光学器件配置成使得入射光束的角度等于出射光束的角度。

根据一个实施例，发散光束的半角发散度的正弦值处于0.05-0.15的范围内，第一光学器件的正焦距处于55mm-120mm的范围内，第二光学器件的负焦距处于-75mm到-160mm的范围内，总准直焦距处于60mm-300mm的范围内，光束穿过准直光学部件之后的直径处于14mm-50mm的范围内，并且第三光学组的正焦距处于300mm-800mm的范围内。

根据一个实施例，第三光学器件相对于光束源具有恒定距离。

根据再一实施例，第一调节元件和如果存在的第二调节元件是线性驱动器，特别是直接驱动器。

根据再一实施例，光束偏转单元沿光束传播方向配置在第三光学器件的下游，或者光束偏转单元沿光束传播方向配置在第二光学器件与第三光学器件之间。

本发明进一步提供一种用于调节焦点沿着用于激光材料加工的激光束的光束传播方向的位置和尺寸的方法，其包括：通过提供发散光束、将发散光束供应至具有正焦距的第一光学器件、将已穿过具有正焦距的第一光学器件的光束供应至具有负焦距的第二光学器件，来生成具有总准直焦距的大致准直光束，其中发散光束、第一光学器件和第二光学器件构造和配置成使得已穿过第二光学器件的光束大致处于准直状态；通过将大致准直光束供应至第三光学器件来生成焦点，其中发散光束的光束源与第三光学器件的图像侧焦平面之间的总光束路径小于第三光学器件的正焦距与总准直焦距之和的两倍值；移动第一光学器件和第二光学器件，使得焦点的尺寸以及焦点沿着光束传播方向的位置能够被可彼此独立选择地调节至预定值，其中，通过沿着光束传播方向移动第一光学器件大致调节焦点的尺寸，通过沿着光束传播方向移动第二光学器件大致调节焦点沿着光束传播方向的位置；以及考虑焦点沿着光束传播方向的位置由于第一光学器件的运动而发生的变化以及焦点的尺寸由于第二光学器件的运动而发生的变化中的至少一个，以调节预定值。

根据本发明的再一实施例，所述方法还包括：将来自光束传播方向的光束偏转至除光束传播方向之外的方向，其中第一光学器件的运动、第二光学器件的运动以及光束的偏转协调地并且同时地进行，以将焦点的尺寸以及焦点相对于待加工材料的表面的位置调节至预定值。

根据本发明的一个实施例，第三光学器件和用于发散光束的供应源相对于彼此配置在固定距离处。

附图说明

本发明的示例性实施例在附图中示出，并且将在下面更详细地说明。

附图中：

图1示出了激光材料加工系统的一个示例性实施例，

图2示出了用以说明焦点位置移动的示例性构造，

图3示出了用以说明焦点尺寸的变化的示例性构造，

图4示出了激光材料加工系统的尺寸，

图5示出了具有观测光学部件的准直光学部件，并且

图6示出了具有反射性光学元件的准直光学部件。

具体实施方式

在以下详细描述中，将参考并入本文的附图来进行，并且其中通过说明示出了特定实施例，据此能够能够本发明。在这方面，“上”、“下”、“前”、“后”等术语是参考所描述的附图中的取向使用的。由于实施例的部件可以位于多种不同取向，所以表示不同方向的术语仅用于进行说明，而不应以任何方式进行限制。应该明白的是，还可以使用其它实施例，或者可以进行结构或逻辑上的变化，而不偏离本发明的保护范围。不言而喻的是，本文描述的多个示例性实施例的特征可以相互组合，除非另有说明。因此，以下详细描述不应该理解为限制性意义，并且本发明的保护范围应该由所附权利要求书限定。

在本说明书中，比如“连接”、“附接”或“联接(偶联)”等术语可以用于描述直接和间接的连接、直接或间接的附接以及直接或间接的联接(偶联)。

在图中，在适当情况下相同或相似的构件被赋予相同的附图标记。为了清楚起见，图中并非所有元件均可以被赋予它们自身的附图标记。这特别适用于被示为与其它元件等同的元件。因此，描述和附图标记可以类似地适用于以相同方式图示说明的所有元件。附图标记的从左手侧观察时处于第一位置的一个字符(或多个字符)可以表示附图标记首次出现的图。

图1示出了用于激光材料加工的系统100的示例性实施例，借此可以使用源自激光源L的激光束处理材料(或工件)M。在这方面，激光束从激光源L沿光束传播方向R传播至焦点F。焦点F相对于材料M的位置以及焦点F的尺寸(或直径)可以受到调节。

光束源Z构造成使得激光辐射能够由此以具有半发散角hw的发散方式出现。提供发散激光辐射的激光源L可以联接至光束源Z。激光源L可以例如是光纤的端部，所述光纤可以例如联接至盘式激光器或光纤激光器。

系统100可以包括准直光学部件K，其可以使从激光源L以发散方式出现的光束D形成为准直光束P。准直光束P是大致平行的光束，术语“大致平行”将结合图2和图3更详细地说明。

准直光学部件K可以包括用于发散光束D的光束源Z、具有正焦距f1的第一光学器件L1和具有负焦距f2的第二光学器件L2。在这方面，发散光束D首先作为入射光束穿过第一光学器件L1，然后作为出射光束A穿过第二光学器件L2。第一光学器件L1可以配置成使得入射光束D的角度等于出射光束A的角度。第一光学器件L1的正焦距f1与距离d1(即光束源Z与第一光学器件L1的物体侧主平面之间的距离)的比值可以为0.25-0.75，也见图4。

与用于调节激光器焦点尺寸的无焦变焦系统(其设计为用于准直输入光束并且包括至少三个光学器件，其中的至少两个被移动)形成对比，在本例中只需两个光学器件L1、L2。焦点F的位置和尺寸可以受控于两个光学器件L1、L2(其能够彼此独立地受到控制)的移动，如图2和3中所说明的。

物镜O(以下称为第三光学器件O)用于聚焦激光束。第三光学器件O可以具有正焦距fO。第三光学器件O可以沿光束传播方向R配置在准直光学部件K的下游。它可以将离开准直光学部件K的处于准直状态的光束P聚焦到焦点F。在这方面，焦点F可以形成为处于材料M的表面上或距材料M的表面一定距离。第三光学器件O可以相对于光束源Z具有恒定距离。换言之，不必移动第三光学器件O来调节焦点F的尺寸或位置。聚焦物镜O必须偏移以便改变焦点的尺寸和位置的配置是不利于扫描系统的，这是鉴于光学元件由于光束偏转而在聚焦方面有必要大，并且其高度动态的调节相应地是不可能的。

第一光学器件L1、第二光学器件L2和第三光学器件O中的至少一个可以包括单个透镜或数个透镜。透镜能够在它们的表面处以透射方式折射激光束。第一光学器件L1、第二光学器件L2和第三光学器件O中的至少一个可以包括一个或多个非球面光学元件或反射性光学元件。非球面光学元件与球面光学元件相比可以包括较少的光学像差，由此可以降低所需光学元件的数量，并且可以提高光学系统的功率兼容性。结合图6来描述具有反射性光学元件的准直光学部件K的示例性实施例。

系统100可以包括光束偏转单元AE，用于将光束P从光束传播方向R偏转到除光束传播方向R之外的方向。光束偏转单元AE可以包括至少一个偏转轴线，所述偏转轴线通常配置为垂直于光束传播方向R(Z方向)，并且垂直于彼此(X方向，Y方向)。由此，激光束可以沿着一条线或在材料M的表面上被偏转，例如沿着待处理轮廓。光束偏转器件AE可以例如包括一个或多个特别是两个被可移动地支撑的反射镜，其被振镜驱动器(振镜扫描仪)移动。这种类型的振镜扫描仪可以是高度动态的，使高处理速度成为可能。

光束偏转单元AE可以沿光束传播方向R配置在第二光学器件L2与第三光学器件O之间。然而，光束偏转单元AE也可以沿光束传播方向R配置在第三光学器件O的下游。另外，其它部件，比如分束器、光束形成元件等，可以被包括在光束路径中。

系统100可以包括用于沿着光束传播方向R移动第一光学器件L1的第一调节元件A1和用于沿着光束传播方向R移动第二光学器件L2的第二调节元件A2。第一调节元件A1和第二调节元件A2可以彼此独立地移动第一光学器件L1和第二光学器件L2。第一调节元件A1和第二调节元件A2可以是线性驱动器，特别是直接驱动器。齿轮侧隙和惯性质量由于省略了齿轮传动机构而得到降低，从而允许第一光学器件L1和第二光学器件L2的精确且快速的移动。

由于以下事实，即焦点F的尺寸可以通过移动第一光学器件L1而大致得到调节，并且焦点F沿着光束传播方向R的位置可以通过移动第二光学器件L2而大致得到调节，如在图2和图3以及说明书的相关部分中描述的，因此激光辐射的焦点尺寸和焦点位置可以被精确地并且高动态地调节。

系统100可以包括控制器S，其能够控制第一调节元件A1、第二调节元件A2和光束偏转单元AE。由此，控制器S能够协调第一光学器件L1、第二光学器件L2的移动与光束偏转单元AE中的光束偏转，使得焦点F的尺寸、焦点F沿着光束传播方向R(Z方向)的位置以及焦点沿着偏离光束传播方向R的至少一个方向例如垂直方向(X方向，Y方向)的位置能够被调节至相应的预定值。焦点尺寸g和相对于待处理的材料M的表面的焦点位置(x、y、z)从而可以被彼此独立地调节至预定值。

图2借助于示例示出了焦点F的位置p可以如何沿光束传播方向R被偏移的装置210、220和230。装置210示出了平均焦点位置p0，装置220示出了远端焦点位置p2，而装置230而示出了近端焦点位置p1。装置210、220、230可以包括光束源Z、第一光学器件L1、第二光学器件L2和第三光学器件O。例如，焦点F的位置p可以从第三光学器件O开始测量。在图3的左手侧，沿着一个方向例如X方向示出了装置210、220和230中的光束源Z处的激光束的尺寸/直径。光束源Z处的激光束的尺寸是大致恒定的。在图3的右手侧，沿着一个方向例如X方向示出了焦点F的尺寸g。焦点F的尺寸g是大致恒定的，假如第二光学器件L2与第三光学器件O之间的光束路径被相应地选择的话(见以下关于公式5的说明)。装置210、220和230可以对应于图1的用于激光材料加工的系统100；在这方面，控制器S、第一调节元件A1、第二调节元件A2和光束偏转单元AE已经被省略，以为清楚起见。

为了移动焦点F在光束传播方向R上的位置p，可以沿着光束传播方向R移动第二光学器件L2。第二光学器件L2的移动或运动由双向箭头标记。第一光学器件L1通常不会移动来改变焦点F的位置p。

在装置210中，焦点F具有位置p0。离开第二光学器件L2的准直光束P是大致平行的，即它们具有接近零的发散度。

在装置220中，相对于装置210，第二光学器件L2移动趋近第一光学器件L1。准直光束P相对于装置210的准直光束P具有微小的发散度。作为其结果，焦点F偏移至位置p2，其比装置210中的位置p0更远离第三光学器件O。

在装置230中，相对于装置210，第二光学器件L2移动远离第一光学器件L1。准直光束P相对于装置210的准直光束P具有微小的收敛度。作为其结果，焦点F偏移至位置p1，其比装置210中的位置p0更靠近第三光学器件O。

根据准直光学部件K与第三光学器件O之间的光路，当第二光学器件L2移动时，焦点尺寸g可以改变。为了修正焦点尺寸的该变化，可以进行第一光学器件L1的小补偿运动。

图3借助于示例示出了焦点F的尺寸g可以如何改变的装置310、320和330。在这方面，装置310、320和330可以对应于图2的装置210、220和230，并且不会再次进行描述。在图3的右手侧，沿着一个方向例如X方向示出了焦点F的尺寸g0、g1和g2。装置310示出了平均焦点尺寸g0，装置320示出了小焦点尺寸g1，而装置330示出了大焦点尺寸g2。

为了改变焦点F的尺寸g，沿着光束传播方向R移动第一光学器件L1。第一光学器件L1的移动或运动由双向箭头标记。第二光学器件L2通常不会移动来改变焦点F的尺寸g。离开第二光学器件L2的准直光束P是大致平行的，即它们具有接近零的发散度。第一光学器件L1的移动大致导致图像比例的改变，从而导致焦点尺寸g的改变。

在装置310中，焦点F具有平均焦点尺寸g0。

在装置320中，第一光学器件L1相对于装置210移动趋进第二光学器件L2。与装置310的准直光束P相比，准直光束P在直径d上更大。作为其结果，与装置310中的焦点F的尺寸g0相比，焦点F可以具有较小的尺寸g1。

在装置330中，与装置310相比，第一光学器件L1移动远离第二光学器件L2。与装置310的准直光束P相比，准直光束P在直径d上较小。作为其结果，与装置310中的焦点F的尺寸g0相比，焦点F可以具有更大的尺寸g2。

当第一光学器件L1移动时，焦点F的位置p可能会略微变化。为了补偿焦点位置的该变化，可以进行第二光学器件L2的小补偿运动。

在图4中，已知装置410与根据本发明的示例性装置420进行比较。具体而言，示出了用于激光材料加工的检测系统的尺寸设计。

装置410可以包括任何准直光学部件K，其将来自光束源Z的发散光束D重塑为准直光束P。为了简化，准直光学部件K画成一条线。装置410的基本特征是，准直光学部件K中包括的光学元件可以整体相对于光束源Z移动，以便实现焦点F沿光束传播方向R的位置p的移动。为此目的，准直光学部件K可以连接至致动器和控制器，其在图中未考虑。

通过选择准直光学部件K与第三光学器件O之间的适当的平均距离d0，有可能独立于焦点沿着光束传播方向R的移动而实现恒定的焦点尺寸g。在傍轴近似法中，这样的情况就是而且仅仅是，准直光学部件K与第三光学器件O之间的距离d0等于准直光学部件K的焦距fK(准直焦距)与第三光学器件O的焦距fO之和：

公式1：d0＝fK+fO(傍轴)

公式1相当于傍轴条件，据此，准直光学部件K和第三光学器件O形成伸缩式光学装置。在用于将光纤端部成像到工件上的第三光学器件O和准直光学部件K的配置中，光束源Z与第三光学器件O的图像侧焦平面B之间的总光束路径gs在傍轴近似法中于是为总准直焦距fK与第三光学器件O的正焦距fO之和的两倍值：

公式2：gs＝2*(fK+fO)(傍轴)

然而，使用如图1-图3中示出和描述的准直光学部件K，激光材料加工系统的总光束路径gs可以显著地变短，见装置420。为了简化图示，第一光学器件L1和第二光学器件L2在装置420中被示为线条。第一光学器件L1可视为用于离开光束源Z的光束D的成像光学部件。第二光学器件L2可视为用于收敛至光束源Z’的图像的光束的虚拟准直器件。为了实现移动焦点F沿光束传播方向R的位置p，在装置420中第二光学器件L2的运动就已足够；不必像装置410中的情况那样整体上移动准直光学部件K。

通过选择准直光学部件K与第三光学器件O之间的适当的平均距离，在装置420中也有可能独立于焦点沿着光束传播方向R的移动而实现恒定的焦点尺寸g，正如已经在上面关于装置410示出的。由于以下事实，即装置420中不是整个准直光学部件K而是仅仅第二光学器件L2移动来移动焦点，所以对于装置420而言公式1改变如下：

公式3：d2＝f2+fO(傍轴)

公式3相当于傍轴条件，据此，第二光学器件L2和第三光学器件O形成伸缩式光学装置。在装置420中，第二光学器件L2相对于准直光学部件K与第三光学器件O之间的距离而言担当装置410中的总准直部件的角色。

总光束路径在装置420中显著短于装置410中的原因是，准直光学部件K中的第二光学器件L2的负焦距f2。由于焦距f2的负号，准直光学部件K与第三光学器件O之间的距离d2显著地短于根据公式3的装置420中的fO，而显著地大于根据公式1的装置410中的fO。相应地，与装置410相比，在装置420中，总光束路径gs显著地缩短。光束源Z与第三光学器件O的图像侧焦平面B之间的总光束路径gs因此可以小于第三光学器件O的正焦距fO与总准直焦距fK之和的两倍值。

这不仅可以傍轴地适用，而且基于420中能够实现的总光束路径的极大缩短，如果考虑真实的非傍轴光学器件的话，则也适用：

公式4：gs<2*(fK+fO)

在激光材料加工系统的第一实施例中，第一光学器件L1可以沿光束传播方向R是固定的(或不动的)。换言之，第一光学器件L1不需要第一调节元件A1。控制器S只需控制第二调节元件A2和光束偏转单元AE，使得焦点F例如相对于待处理材料M的表面的位置(x、y、z)可以被调节至预定值。

当第二光学器件L2借助于第二调节元件A2移动时，焦点F的尺寸g可以通过仔细选择准直光学部件K与第三光学器件O之间的平均光束路径d2而保持大致恒定，与以上描述的一样。这样的情况就是，第二光学器件L2和第三光学器件O配置成大致形成伸缩式光学装置。

在真实的非傍轴光学器件中，d2应理解为第二光学器件L2的图像侧主平面与第三光学器件O的物体侧主平面之间的光束路径。

因此，例如，如果第二光学器件L2的图像侧主平面与第三光学器件O的物体侧主平面之间的平均光束路径d2约等于第二光学器件L2的负焦距f2与第三光学器件O的正焦距fO之和，则出现独立于焦点移动的恒定焦点尺寸：

公式5：d2≈f2+fO

对于平均光束路径d2，还可以示出相应的区域，其相对于用于激光材料加工的系统的焦点尺寸的稳定性而言覆盖典型的要求：

公式6：f2+0.75*fO<d2<f2+1.25*fO

在激光材料加工系统的第二实施例中，第一光学器件L1和第二光学器件L2可以沿光束传播方向R是可移动的。控制器S可以以协调方式控制第一调节元件A1和第二调节元件A2。在这方面，焦点F沿着光束传播方向R的位置p由于第一光学器件L1的运动而发生的变化可以被控制器S考虑，以调节预定位置p。焦点F的尺寸g由于第二光学器件L2沿着光束传播方向R的运动而发生变化同样也可以被控制器S考虑，以调节预定尺寸g。因此，焦点的所需位置p和尺寸g能够被彼此独立地调节。

焦点F的位置p的变化和/或尺寸g的变化可以例如被考虑如下：控制器S可以根据第一光学器件L1和第二光学器件L2沿着光束传播方向R的位置来访问反映焦点F的位置p和尺寸g的参考控制数据。可以从焦点F的位置p和尺寸g，通过计算(例如通过激光材料加工系统的光学模拟)或者通过测量(例如在激光材料加工系统的操作之前或之中)，来确定参考控制数据。参考控制数据可以例如被存储在控制曲线或表中。使用参考控制数据，第一光学器件L1和第二光学器件L2沿着光束传播方向R的所需位置可以得到确定，以便对于焦点F的位置p和尺寸g调节所需值或预定值。视情况，参考控制数据或计算、模拟或测量可以根据操作条件得到调节或借助于测量数据得到修正(校准)。

第二光学器件L2的图像侧主平面与第三光学器件O的物体侧主平面之间的平均光束路径d2在第二实施例中也可以选择成当第二光学器件L2借助于第二调节元件A2发生移动时，例如通过将第二光学器件L2和第三光学器件O配置成形成伸缩式光学装置，使得焦点F的尺寸g是大致恒定的。然而，该要求没有约束力，因为焦点F的尺寸g在第二光学器件L2移动时发生的变化可能被第一光学器件L1的运动补偿。因此，用于激光材料加工的系统可以设计成在第二实施例中比在第一实施例中更加紧凑：

公式7：d2<f2+0.75*fO

在第二实施例中，控制器S可以控制第一光学器件L1、第二光学器件L2和光束偏转单元AE，使得焦点F例如相对于待处理材料M的表面的位置(x、y、z)以及焦点F的尺寸g可以被调节至预定值。

表1示出了以下参数的多种值和范围：发散光束D的半角发散度hw的正弦值，准直焦距fK，光束P穿过准直光学部件K之后的直径d，第一光学器件L1的正焦距f1，第二光学器件L2的负焦距f2，以及第三光学组O的正焦距fO。

表1

图5示出了装置500，其中观测光学部件C可以配置为光学地平行于准直光学部件K。观测光学部件C可以包括第四光学器件L4和第五光学器件L5，观测光束BE可以穿过它们。观测光束BE可以直接被使用者的眼睛看到，或者被传感器或摄像头SE检测到。准直光学部件K可以是上述准直光学部件K中的任一个，例如来自装置420，具有光束源Z、第一光学器件L1和第二光学器件L2。加工光束BS可以穿过准直光学部件K，所述加工光束可以包括激光束，其适合于加工材料。

装置500可以包括分束器ST和偏转反射镜U。分束器ST可以沿材料M的方向反射来自准直光学部件K的观测光束BS。来自材料M的方向的光束LS可以穿透分束器ST，并且可以入射到偏转反射镜U上。偏转反射镜U可以沿观测光学部件C的方向反射光束作为观测光束BE。由此，观测光学部件C可以与偏转反射镜U和分束器ST一起用于观察或检测加工光束BS的焦点的尺寸和位置。另外，材料M或使用加工光束PS加工的工件因此可以被观察，例如以便检测工件M的尺寸、形状或位置或者加工进度。

第四光学器件L4可以包括正焦距f4，其大致对应于第一光学器件L1的正焦距f1。第五光学器件L5可以包括负焦距f5，其大致对应于第二光学器件L2的负焦距f2。由此，观测光束BE和加工光束BS可以聚焦至相同位置，例如材料M或工件上。换言之，观测光束BE和加工光束BS可以包括相同的焦点。

在第一实施例中，第一光学器件L1可以是固定的，即，它不沿加工光束BS的方向移动。第四光学器件L4可以联接至第一光学器件L1，并且可以以相同方式得到固定。在第一实施例中，第二光学器件L2可以被移动。第五光学器件L5的运动可以偶联至第二光学器件L2的运动。换言之，第二光学器件L2和第五光学器件L5可以一起移动。准直光学部件K的光学性质通过移动第二光学器件L2而发生的变化因此可以传输至观测光学部件C，使得其焦点相应地变化。观测光束BE和加工光束BS因此可以保持相同的焦点--即使第二光学器件L2被移动了。联接可以通过第二光学器件L2与第五光学器件L5之间的刚性机械连接件实现。

在第二实施例中，第一光学器件L1和第二光学器件L2均可以移动。第四光学器件L4的运动可以偶联至第一光学器件L1的运动，并且第五光学器件L5的运动可以偶联至第二光学器件L2的运动。换言之，第一光学器件L1和第四光学器件L4可以一起移动，并且第二光学器件L2和第五光学器件L5也可以一起移动。准直光学部件K的光学性质通过第一光学器件L1的运动以及视情况的第二光学器件L2的运动而发生的变化因此可以传输至观测光学部件C，使得其焦点相应地变化。因此，当焦点位置和焦点尺寸被调节时，观测光束BE和加工光束BS可以保持相同的焦点。联接可以分别通过第一光学器件L1与第四光学器件L4的以及第二光学器件L2与第五光学器件L5的刚性机械连接件得以实现。

已联接的第一光学器件L1和第四光学器件L4的运动可以例如借助于第一调节元件A1实现。已联接的第二光学器件L2和第五光学器件L5的运动可以例如通过第二调节元件A2实现。运动的方向由双向箭头标记。

图6示出了具有光束源Z、第一光学器件L1和第二光学器件L2的准直光学部件K的一个实施例600。第一光学器件L1和第二光学器件L2可以包括反射性光学元件S1、S2、S3和S4。与透射性光学元件相比，反射性光学元件具有优点，即它们能够被更容易地冷却。这提高光学系统的功率兼容性，使得它与高激光器功率兼容。反射性光学元件S1、S2、S3、S4可以是反射镜，比如平面反射镜、凸面反射镜或凹面反射镜。反射镜可以是金属反射镜、二向色性介电反射镜(干涉反射镜)或棱镜反射镜。

光束源Z可以提供发散光束D，其可以入射到第一光学器件L1，并且作为出射光束A离开它。出射光束A可以入射到第二光学器件L2，并且可以作为准直光束P离开它。

第一光学器件L1可以是收敛器件，即它可以包括正焦距。换言之，出射光束A可以具有比入射光束D低的发散度。第一光学器件L1可以包括第一反射镜S1和第二反射镜S2。第一反射镜S1可以是平面反射镜，并且第二反射镜S2可以是凹面反射镜，或反之亦然。第一光学器件L1可以例如通过第一调节元件A1沿着光束传播方向R移动，如双向箭头所暗示的。

第二光学器件L2可以是发散器件，即它可以包括负焦距。换言之，出射光束P可以具有比入射光束A大的发散度。第二光学器件L2可以包括第三反射镜S3和第四反射镜S4。第三反射镜S3可以是平面反射镜，并且第四反射镜S4可以是凸面反射镜，或反之亦然。第二光学器件L2可以例如通过第二调节元件A2沿着光束传播方向R移动，如双向箭头所暗示的。

图6中示出的具有反射性光学元件的准直光学部件K可以用于图1-图5中描述的实施例。在这方面，第三光学器件L3可以是具有正焦距的收敛器件，类似于第一光学器件L1，其例如也由反射性光学元件生成。

图1-图6中描述的器件可以用于执行一种方法。该方法用于调节焦点F沿着用于激光材料加工的激光束的光束传播方向R的尺寸g和位置p。在该方法中，可以生成大致准直光束P，具有总准直焦距fK。

为此目的，可以提供发散光束D，其被供应至具有正焦距f1的第一光学器件L1。穿过了具有正焦距f1的第一光学器件L1的光束A可以供应至具有负焦距f2的第二光学器件L2。发散光束D、第一光学器件L1和第二光学器件L2可以构造和配置成使得穿过了第二光学器件L2的光束P大致得到准直。由此，有可能仅以两个光学器件L1、L2制成准直光学部件K。可以通过将大致准直光束P供应至第三光学器件O来形成焦点F。第三光学器件O和发散光束D的供应源Z可以相对于彼此配置在固定距离d3处。换言之，第三光学器件O不必进行移动来调节焦点尺寸和焦点位置，由此使得第三光学器件O不需要调节元件及其控制器。

发散光束D的光束源Z与第三光学器件O的图像侧焦平面B之间的总光束路径gs可以选择为小于第三光学器件O的正焦距fO与总准直焦距fK之和的两倍值，以便形成非常紧凑的用于激光材料加工的系统。

第一光学器件L1和第二光学器件L2可以移动成使得焦点F的尺寸g和焦点F的位置p可以沿着光束传播方向R被调节至预定值，可彼此独立地选择。

可以通过沿着光束传播方向R移动第一光学器件L1来大致调节焦点F的尺寸g。可以通过沿着光束传播方向R移动第二光学器件L2来大致调节焦点F沿着光束传播方向R的位置p。

当调节预定值时，可以考虑焦点F沿着光束传播方向R的位置p由于第一光学器件L1的运动而发生的变化。当设定预定值时，也可以考虑焦点F的尺寸g由于第二光学器件L2的运动而发生的变化。例如，可以借助于在先模拟或测量相应变化和确定相应修正值来进行考虑。有可能直接借助于修正值来调节期望值。

来自传播方向R的光束P可以例如被光束偏转单元AE例如振镜扫描仪偏转至除光束传播方向R之外的方向。第一光学器件L1的运动、第二光学器件L2的运动以及光束的偏转可以协调地并且同时地进行，以将焦点F的尺寸g以及焦点F相对于待加工材料M的表面的位置调节至预定值。由此，可以实现高度动态的激光材料加工。

附图标记列表

100：用于激光材料加工的系统

210：具有平均焦点位置的装置

220：具有远端焦点位置的装置

230：具有近端焦点位置的装置

310：具有平均焦点尺寸的装置

320：具有小焦点尺寸的装置

330：具有大焦点尺寸的装置

410：已知的激光材料加工系统

420：激光材料加工系统

500：具有观测光学部件的激光材料加工系统

600：具有反射性元件的准直光学部件

A：出射光束

A1：另一调节元件/第一调节元件

A2：调节元件/第二调节元件

AE：光束偏转单元

B：第三光学器件的图像侧焦平面

BE：观测光束

BS：加工光束

C：观测光学部件

D：发散光束/入射光束

F：焦点

K：准直光学部件

L：激光源

L1：第一光学器件

L2：第二光学器件

L4：第四光学器件

L5：第五光学器件

LS：光束

M：材料

O：第三光学器件

P：准直光束

R：光束传播方向

S：控制器

S1：第一反射镜

S2：第二反射镜

S3：第三反射镜

S4：第四反射镜

SE：传感器/摄像头

ST：分束器

U：偏转反射镜

Z：光束源/供应源

Z’：光束源的虚拟图像

d0：准直光学部件与第三光学器件之间的平均距离

d：准直光束的直径

d1：光束源与第一光学器件的物体侧主平面之间的距离

d2：第二光学器件的图像侧主平面与第三光学器件的物体侧主平面之间的平均距离

d3：光束源与第三光学器件之间的距离

f1：第一光学器件的焦距

f2：第二光学器件的焦距

f4：第四光学器件的焦距

f5：第五光学器件的焦距

fk：总准直焦距

fO：第三光学器件的焦距

g、g1、g2：焦点的尺寸

gs：总光束路径

hw：半发散角

p、p1、p2：焦点沿着光束传播方向的位置

Claims (20)

1.用于激光材料加工的系统，包括：

-具有总准直焦距(fK)的准直光学部件(K)，其包括：

-用于发散光束(D)的光束源(Z)，

-具有正焦距(f1)的第一光学器件(L1)，和

-具有负焦距(f2)的第二光学器件(L2)，

其中所述发散光束(D)首先穿过第一光学器件(L1)，然后穿过第二光学器件(L2)，并且以准直状态离开第二光学器件(L2)；

-具有正焦距(fO)的第三光学器件(O)，其中第三光学器件(O)配置在准直光学部件(K)的下游，并且将以准直状态离开准直光学部件(K)的光束(P)聚焦到焦点(F)；和

-用于沿着光束传播方向(R)移动第二光学器件(L2)的调节元件(A2)，

其中，通过将第二光学器件(L2)和第三光学器件(O)配置为形成伸缩式光学装置，第二光学器件(L2)的图像侧主平面与第三光学器件(O)的物体侧主平面之间的平均光束路径(d2)被选择成使得，当借助于调节元件(A2)移动第二光学器件(L2)时，焦点(F)的尺寸(g)是大致恒定的，并且

其中，光束源(Z)与第三光学器件(O)的图像侧焦平面(B)之间的总光束路径(gs)小于第三光学器件(O)的正焦距(fO)与总准直焦距(fK)之和的两倍值，其中

第二光学器件(L2)的图像侧主平面与第三光学器件(O)的物体侧主平面之间的平均光束路径(d2)满足以下条件：

f2+0.75*fO<d2<f2+1.25*fO；

或者约等于第二光学器件(L2)的负焦距(f2)与第三光学器件(O)的正焦距(fO)之和，

其中f2代表第二光学器件的负焦距，fO代表第三光学器件的正焦距，并且d2代表平均光束路径。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，

第一光学器件(L1)在光束传播方向(R)上是固定的。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，进一步包括：

-光束偏转单元(AE)，其用于将来自光束传播方向(R)的光束(P)偏转至另一方向，和

-控制器(S)，其用于控制调节元件(A2)和光束偏转单元(AE)，使得焦点(F)相对于待加工材料(M)的表面的位置能够被调节至预定值。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，进一步包括：

-第四光学器件(L4)，其具有大致与第一光学器件(L1)的正焦距(f1)相对应的正焦距(f4)，和

-第五光学器件(L5)，其具有大致第二光学器件(L2)的负焦距(f2)相对应的负焦距(f5)，

其中

-第一光学器件(L1)和第二光学器件(L2)构造成被加工光束(BS)穿透，

-第四光学器件(L4)和第五光学器件(L5)构造成被观测光束(BE)穿透，

-第四光学器件(L4)联接至第一光学器件(L1)，并且

-第五光学器件(L5)的运动偶联至第二光学器件(L2)的运动。

5.用于激光材料加工的系统，包括：

-具有总准直焦距(fK)的准直光学部件(K)，其包括：

-用于发散光束(D)的光束源(Z)，

-具有正焦距(f1)的第一光学器件(L1)，和

-具有负焦距(f2)的第二光学器件(L2)，

其中所述发散光束(D)首先穿过第一光学器件(L1)，然后穿过第二光学器件(L2)，并且以准直状态离开第二光学器件(L2)；

-具有正焦距(fO)的第三光学器件(O)，其中第三光学器件(O)配置在准直光学部件(K)的下游，并且将以准直状态离开准直光学部件(K)的光束(P)聚焦到焦点(F)；

-用于沿着光束传播方向(R)移动第一光学器件(L1)的另一调节元件(A1)；和

-用于沿着光束传播方向(R)移动第二光学器件(L2)的调节元件(A2)，其中所述另一调节元件(A1)和所述调节元件(A2)能够彼此独立地移动第一光学器件(L1)和第二光学器件(L2)，其中，光束源(Z)与第三光学器件(O)的图像侧焦平面(B)之间的总光束路径(gs)小于第三光学器件(O)的正焦距(fO)与总准直焦距(fK)之和的两倍值。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，

通过将第二光学器件(L2)和第三光学器件(O)配置为形成伸缩式光学装置，在第二光学器件(L2)的图像侧主平面与第三光学器件(O)的物体侧主平面之间将平均光束路径(d2)选择成使得，当借助于调节元件(A2)移动第二光学器件(L2)时，焦点(F)的尺寸(g)是大致恒定的。

7.根据权利要求5或6所述的系统，进一步包括：

-控制器(S)，其构造成控制所述另一调节元件(A1)和所述调节元件(A2)，使得通过第一光学器件(L1)和第二光学器件(L2)的运动，焦点(F)的尺寸(g)以及焦点(F)沿着光束传播方向(R)的位置(p)能够被可彼此独立选择地调节至预定值，其中：

-通过移动第一光学器件(L1)大致调节焦点(F)的尺寸(g)，

-通过移动第二光学器件(L2)大致调节焦点(F)沿着光束传播方向(R)的位置(p)，并且

其中考虑以下中的至少一个：

-焦点(F)沿着光束传播方向(R)的位置(p)由于第一光学器件(L1)的运动而发生的变化，和

-焦点(F)的尺寸(g)由于第二光学器件(L2)的运动而发生的变化，

来调节预定值。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，

通过以下方式考虑焦点(F)的位置(p)的变化和尺寸(g)的变化中的至少一个：

-根据第一光学器件(L1)和第二光学器件(L2)沿着光束传播方向(R)的位置，基于对焦点(F)的位置(p)和尺寸(g)的计算或测量，来存储参考控制数据，以及

-借助于存储的参考控制数据来确定第一光学器件(L1)和第二光学器件(L2)沿着光束传播方向(R)的必要位置，以调节用于焦点(F)的位置(p)和尺寸(g)的预定值。

9.根据权利要求7所述的系统，进一步包括：

-光束偏转单元(AE)，其用于将来自光束传播方向(R)的光束(P)偏转至另一方向，其中

所述控制器(S)构造成控制所述另一调节元件(A1)、所述调节元件(A2)和所述光束偏转单元(AE)，使得焦点(F)的尺寸(g)以及焦点(F)相对于待加工材料(M)的表面的位置(p)能够被调节至预定值。

10.根据权利要求5-6中任一项所述的系统，进一步包括：

-第四光学器件(L4)，其具有大致与第一光学器件(L1)的正焦距(f1)相对应的正焦距(f4)，

-第五光学器件(L5)，其具有大致第二光学器件(L2)的负焦距(f2)相对应的负焦距(f5)，

其中

-第一光学器件(L1)和第二光学器件(L2)构造成被加工光束(BS)穿透，

-第四光学器件(L4)和第五光学器件(L5)构造成被观测光束(BE)穿透，

-第四光学器件(L4)的运动偶联至第一光学器件(L1)的运动，并且

-第五光学器件(L5)的运动偶联至第二光学器件(L2)的运动。

11.根据前述权利要求5-6中任一项所述的系统，其中，光束源(Z)联接至光纤的端部，发散的激光辐射从所述光纤的端部出现。

12.根据前述权利要求5-6中任一项所述的系统，其中，第一光学器件(L1)的正焦距(f1)与光束源(Z)距第一光学器件(L1)的物体侧主平面的距离(d1)的比值是0.25-0.75。

13.根据前述权利要求5-6中任一项所述的系统，其中，第一光学器件(L1)配置成使得入射光束(D)的角度等于出射光束(A)的角度。

14.根据前述权利要求5-6中任一项所述的系统，其中，

-发散光束(D)的半角发散度(hw)的正弦值处于0.05-0.15的范围内，

-第一光学器件(L1)的正焦距(f1)处于55mm-120mm的范围内，

-第二光学器件(L2)的负焦距(f2)处于-75mm到-160mm的范围内，

-总准直焦距(fK)处于60mm-300mm的范围内，

-光束(P)的直径(d)在穿过准直光学部件(K)之后处于14mm-50mm的范围内，并且

-第三光学组(O)的正焦距(fO)处于300mm-800mm的范围内。

15.根据前述权利要求5-6中任一项所述的系统，其中，第三光学器件(O)相对于光束源(Z)具有恒定距离。

16.根据前述权利要求5-6中任一项所述的系统，其中，所述调节元件(A2)和所述另一调节元件(A1)是线性驱动器。

17.根据权利要求9所述的系统，其中，

-光束偏转单元(AE)沿光束传播方向(R)配置在第三光学器件(O)的下游，或

-光束偏转单元(AE)沿光束传播方向(R)配置在第二光学器件(L2)与第三光学器件(O)之间。

18.用于调节焦点(F)沿着用于激光材料加工的激光束的光束传播方向(R)的位置(p)和尺寸(g)的方法，包括：

-通过以下步骤生成具有总准直焦距(fK)的大致准直光束(P)：

-提供发散光束(D)，

-将发散光束(D)供应至具有正焦距(f1)的第一光学器件(L1)，

-将已穿过具有正焦距(f1)的第一光学器件(L1)的光束(A)供应至具有负焦距(f2)的第二光学器件(L2)，其中

发散光束(D)、第一光学器件(L1)和第二光学器件(L2)构造和配置成使得已穿过第二光学器件(L2)的光束(P)被大致准直，

-通过将大致准直光束(P)供应至第三光学器件(O)来生成焦点(F)，其中发散光束(D)的光束源(Z)与第三光学器件(O)的图像侧焦平面(B)之间的总光束路径(gs)小于第三光学器件(O)的正焦距(fO)与总准直焦距(fK)之和的两倍值，

-移动第一光学器件(L1)和第二光学器件(L2)，使得焦点(F)的尺寸(g)以及焦点(F)沿着光束传播方向(R)的位置(p)能够被可彼此独立选择地调节至预定值，其中：

-通过沿着光束传播方向(R)移动第一光学器件(L1)大致调节焦点(F)的尺寸(g)，

-通过沿着光束传播方向(R)移动第二光学器件(L2)大致调节焦点(F)沿着光束传播方向(R)的位置(p)，以及

-考虑以下中的至少一个：

-焦点(F)沿着光束传播方向(R)的位置(p)由于第一光学器件(L1)的运动而发生的变化，和

-焦点(F)的尺寸(g)由于第二光学器件(L2)的运动而发生的变化，

以调节预定值。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：

-将来自光束传播方向(R)的光束(P)偏转至除光束传播方向(R)之外的方向，其中

第一光学器件(L1)的运动、第二光学器件(L2)的运动以及光束的偏转协调地并且同时地进行，以将焦点(F)的尺寸(g)以及焦点(F)相对于待加工材料(M)的表面的位置调节至预定值。

20.根据权利要求18-19中任一项所述的方法，其中，第三光学器件(O)和用于发散光束(D)的供应源(Z)相对于彼此配置在固定距离(d3)处。