CN107771112B - 具有集成的光束位置传感器的扫描头以及用于离线校准的校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光材料加工的扫描头(2)，该扫描头具有聚焦光学系统(15)以及用于影响激光束位置的光束位置系统(3)，该光束位置系统在激光束(9)的传播方向上放置在聚焦光学系统(15)前面并且包括至少两个可控制的可移动的光学元件，借助该光束位置系统能够调节激光束(9)在加工表面(13)上的入射角(α)并且激光束(9)的作业地点(12)能够二维地在该加工表面(13)上移动。根据本发明，扫描头(2)包括光束位置传感器，该光束位置传感器在激光束(9)的传播方向上放置在光束位置系统(3)后面并且借助该光束位置传感器可获取激光束(9)的至少四个独立的位置参数和/或通过这些位置参数确定的激光束(9)的实际位置(19)以进行光束位置系统(3)的离线校准。此外，本发明涉及相关的校准装置以及校准方法。

Description

具有集成的光束位置传感器的扫描头以及用于离线校准的校 准装置

本发明涉及一种用于激光材料加工的扫描头，该扫描头具有聚焦光学系统以及用于影响激光束位置的光束位置系统，该光束位置系统在激光束的传播方向上放置在聚焦光学系统前面，并且包括两个可控制的可移动的光学元件，借助该光束位置系统能够动态地调节激光束在加工表面上的入射角并且激光束的作业地点能够二维地且动态地在该加工表面上移动。此外，本发明还涉及一种具有此类扫描头的校准装置以及一种用于离线校准的校准方法。

前面提到的扫描头被用于不同目的，特别是用于作标记、作记号、腐蚀性和/或结构化加工、切割、钻孔、烧结或者焊接。对于激光材料加工的不同应用而言，有利地，不仅在任意轨迹上引导激光焦点的位置，而且同时控制激光束轴线在工件上的入射角。由此能够例如将任意形状的结构引入到工件中，这些结构的边缘具有期望的相对于工件表面的倾角。理想地，应当能够独立于轨迹引导来调节入射角。这两个参数的独立调节应当能够以较高的精度和较高的速度来执行，以便在激光材料加工时达成相应较高的加工速度。

由DE 10 2013 222 834 A1已知相应的用于引导激光束的装置和方法。该用于引导激光束以加工工件的装置具有带有可移动的镜子的镜面结构，该镜面结构用于产生激光束在聚焦光学系统上的偏角以便调节激光束在工件上的横向偏移以及产生激光束在聚焦光学系统上的横向偏移以调节激光束在工件上的入射角。沿着激光束的传播方向、在激光源与镜面结构之间布置有第一分束器。第一传感器元件属于该第一分束器。该第一传感器元件用于监视光束剖面(轮廓)和光束位置。由此可以获取仅在位于镜面结构之前的区域中的光束位置。在此情况下的缺点在于，系统的校准仅可通过在激光束的传播方向上位于镜面结构之前的组件来进行。在此情况下，通常涉及不是扫描头的组成部分的组件。此类校准耗费很大、费时并且昂贵。

此外，由DE 10 2004 053 298 A1已知一种作为激光、钻孔和切割装置的零件的扫描头。该扫描头具有依次布置在激光的光路中的以下组件：与调节平行的光束位移的摆动单元处于连接的调节强度的光束衰减单元、放大激光的光束横截面的光束扩展伸缩套筒、引导激光束的焦点的扫描块、将激光束聚焦到探针上的工作单元以及可任选地耦合在光路中的附加的检验和控制单元。光束衰减单元包含依次布置在光路中的以下组件：延迟器、第一布留斯特窗、以及第二布留斯特窗，其中延迟器和/或两个布留斯特窗中的至少一个布留斯特窗被实施成能够围绕光轴旋转。摆动单元由引入到光路中的包括两个平面平行的窗口的结构构成，其中第一平面平行的窗口的旋转轴、第二平面平行的窗口的旋转轴以及激光束的传播方向彼此正交。延迟器或者平面平行的窗口适宜地通过检流计单元来移动。

因此，本发明的任务在于，提供扫描头、校准装置、以及校准方法，借助它们能够离线地(即，在实际的加工过程之前)非常高效地和/或准确地校准系统，而不会对在激光束的传播方向上位于扫描头前面的组件产生影响。

该任务通过具有独立权利要求的特征的扫描头、校准装置、以及校准方法来解决。

提议了用于激光材料加工的扫描头，该扫描头具有聚焦光学系统和光束位置系统。借助该聚焦光学系统，能够使激光束聚焦在作业地点中(特别是在工件的加工表面上)或者在该作业地点附近。借助光束位置系统，能够影响工件的加工表面上的激光束位置。激光束位置通过四个、特别是彼此独立的几何参数来定义。它们包括例如用于定义通过平面的穿透点的x坐标和y坐标以及例如通过第一和/或第二立体角来定义的空间传播方向。光束位置系统在激光束的传播方向上放置在聚焦光学系统前面。此外，光束位置系统包括至少两个、特别是可借助控制单元来控制的可移动的光学元件。光束位置系统被构造成借助其可调节激光束在加工表面上的入射角。这可例如通过垂直于聚焦光学系统的光轴来平行移动激光束的方式进行。此外，光束位置系统被构造成借助其可二维地(特别是在x-y平面中)在加工表面上移动激光束的作业地点。这可例如通过相对于聚焦光学系统的光轴来偏转(调整)激光束的方式进行。

扫描头包括光束位置传感器。光束位置传感器在激光束的传播方向上放置在光束位置系统后面。此外，光束位置传感器被构造成借助其可获取激光束的至少四个彼此独立的位置参数、特别是至少一个旋转位置参数和/或平移位置参数，从而特别是离线地校准光束位置系统。附加地或替换地，光束位置传感器被构造成借助其、特别是可间接地和/或直接地获取激光束的实际位置。实际位置通过至少四个彼此独立的位置参数来确定。在此，光束位置传感器优选布置和/或构造成借助其可在扫描头的外壳内部和/或位于光束位置系统后面的区域中获取这些至少四个独立的位置参数和/或特别是通过这些位置参数确定的激光束的实际位置。实际位置因此特别是间接地通过这些至少四个彼此独立的位置参数来获取。

该传感获取是借助光束位置传感器、特别是关于激光束的传播方向和/或关于激光束的光路在光束位置系统与聚焦光学系统之间的区域中进行的。通过首先在位于光束位置系统后面的区域中获取激光束的实际位置，可以有利地由光束位置系统本身对外部引起的误差进行校正，该误差特别是由位于扫描头前面的组件引起的。因此，不必影响外部组件。确切而言，通过扫描头本身来补偿外部误差。此外，借助先前描述的扫描头，可以非常快速地且节省成本地通过相应地再校准光束位置系统来执行系统的离线校准。此外，借助光束位置系统进行的此类离线校准的特征在于非常高的精度。

有利地，光束位置传感器被构造成能够获取平移位置参数(即，特别是2D位置地点)和/或旋转位置参数(即，2D位置角度)。在此，平移位置参数特别是在x-y平面中被获取为x坐标和/或y坐标，并且描述激光束通过x-y平面的理论穿过点。在其中获取位置参数的x-y平面因此有利地定向成相对于光路是倾斜的、特别是垂直的。附加地或替换地，还有利地，光束位置传感器可以在x-z平面中获取激光束的第一倾角和/或在y-z平面中获取激光束的第二倾角。为此有利地，光束位置传感器包括至少两个传感器、特别是2D传感器。因此，可以例如借助两个2D传感器(它们在光路中关于激光束的光束走向在照射方向上彼此间隔开地布置)在两个平面中分别确定两个平移位置参数。根据相应传感器平面的两个穿过点以及两个传感器平面之间的已知距离，现在可以确定或者获取激光束的确切的实际位置。为了确定旋转位置参数，可以例如在光束位置传感器的2D传感器前面布置传感器透镜，该传感器透镜根据入射角引起激光束的所定义的偏转和/或因此使得可以用地点敏感的传感器来测量旋转位置参数。

光束位置传感器还可以包括多个、特别是两个、三个或四个传感器单元，它们被设计成在光路中的不同位置处确定一个或多个位置参数，其中可由这些测量结果的组合来确定四个独立的位置参数。这些传感器单元在此还可以被构造成在结构上是分离的。例如，可以使用四个二极管，以便在光路的区域中的多个位置处例如确定关于光束位置的总共四个1D信息，这四个1D信息可以一起用传感器结构的已知几何形状和至测得的光束位置的距离来计算。

此外，四象限二极管、相机元件、所谓的PSD(“位置敏感设备”)或者波前传感器是可能的传感器，借助这些传感器可以确定关于光束位置的几何信息(例如地点或传播方向)并且因此可以由这些传感器中构成光束位置传感器。

光束位置传感器可以固定地集成在扫描头中。替换地，光束位置传感器还可以构造成与扫描头远离和/或仅出于校准扫描头的目的而与扫描头可拆卸地连接。

为了能够传感地获取激光束，激光束在位于光束位置系统后面的区域中输出耦合。光束在输出耦合之后的位置与光束在输出耦合的地点处的位置具有定义过的固定关系，以使得传感器内部中的测得位置唯一地表示输出耦合的地点处的位置。为此，分束器、特别是半透明的镜子有利地在激光束的传播方向上放置在光束位置传感器前面。分束器可以在光路中向内和向外摆动。因此可以构想，分束器在实际的加工过程之前(即，离线地)向内摆动以进行校准，并且在实际的加工过程期间(即，在线地)再次向外摆动。

有利地，光束位置传感器可以传感地获取激光束在光束位置系统与聚焦光学系统之间的区域中的实际位置。为此有利地，分束器在光路中布置在光束位置系统与聚焦光学系统之间的区域中。

为了能够将用于传感获取的激光束从加工光路中解耦，有利地，将光束位置传感器和分束器彼此布置成使得通过分束器的激光能被引导到光束位置传感器上和/或由分束器反射的激光能被引导到聚焦光学系统上。

为了分析传感地获取到的数据，有利地，扫描头包括集成的计算单元。该计算单元在此布置在扫描头的外部内部。优选地，光束位置传感器和/或光束位置系统的优选同样集成在扫描头中的控制单元与该集成的计算单元相连接。在此，优选地涉及前述组件的基于电缆的连接。

替换地，同样也有利地，扫描头包括外部接口，外部计算单元通过或者可通过该外部接口来与光束位置传感器和/或控制单元相连接或者可与其连接。由此，可以降低扫描头的生产成本，因为对于多个扫描头而言仅需唯一的计算单元，该计算单元可通过相应的外部接口来与光束位置传感器和/或控制单元相连接。

有利地，扫描头包括用于激光束的离线校准的校准装置或者至少被构造为此类校准装置的一部分。在此，该校准装置有利地包括用于获取实际位置的光束位置传感器、用于确定校正值的计算单元、用于调节校正值的控制单元、和/或用于调节取决于校正值的新激光束位置的光束位置系统。如果扫描头包括内部计算单元，则校准装置因此完全集成在扫描头中。在外部计算单元的情况下，扫描头构成校准装置的一部分。借助校准装置可以因此有利地在安装扫描头时或者还为了消除例如取决于温度的漂移误差，在每个加工过程之前或者在预定的时间区间中进行校准，而不必影响在激光束的光路中放置在前面的外部组件(例如激光束源)。

有利地，扫描头或者如有可能外部计算单元具有存储器，激光束的理论位置存储在该存储器中。存储器可以在此是与计算单元相连接或者还直接集成在计算单元中的单独组件。此外，理论位置还可以间接地通过至少四个独立的理论位置参数来存储。激光束的理论位置优选在工厂侧、特别是针对相应的扫描头个体地确定并且存储在扫描头的存储器中。

有利地，计算单元被构造成借助其可通过实际位置/理论位置比较来计算用于光束位置系统的至少一个校正值。为此有利地，计算单元使用或者实施迭代逼近方法或者随机搜索方法。校正值优选被构造成是多维的。这意味着，校正值在光束位置系统的多个调节维度中描述理论位置与实际位置之间的Δ。因此，对于光束位置系统的至少两个光学元件，校正值包括至少一个再校准值。此外有利地，计算单元自动地将校正值传送给控制单元。

有利地，扫描头被构造成在光束位置传感器停用时、特别是仅仅在光束位置传感器停用时实施加工过程。材料加工过程可以因此在光束位置传感器未被激活的情况下进行。

计算单元和控制单元可以被构造为分开的组件。替换地，也同样有利地，计算单元和控制单元一起构造成集成在扫描头中的计算/控制单元。

在本发明的一个有利的变型中，光束位置系统包括至少四个可旋转的镜子。这些可旋转的镜子优选地分别被构造成仅能围绕唯一的相应的旋转轴旋转。这些镜子的旋转轴至少部分地彼此不同，即，在空间中彼此不同地定向。通过控制单元可以有利地控制这些镜子。如果这些镜子分别以仅能围绕唯一的轴线转动的方式来支承，则可以非常快速地改变光束位置。

有利地，光束位置系统包括用于调节至少一个入射角的平行偏移单元。附加地或替换地，此外有利地，光束位置系统包括用于二维地移动激光束的偏转单元。优选地，平行偏移单元在光束传播方向上放置在偏转单元前面。为了能够非常快速地调节激光束位置而有利的是，平行偏移单元和/或偏转单元分别包括两个以可围绕唯一的旋转轴旋转的方式来支承的镜子。在此，可优选地借助这些镜子中的每一个镜子来调节位置参数。优选地，加工区域中的调节参数和位置参数通过在工厂校准过程中确定的坐标变换来相关联。借助平行偏移单元，激光束可以在垂直于聚焦光学系统的光轴的移动轴上移动。通过该平行移动可以改变激光束在加工表面上的入射角。

此外，有利地，扫描头包括特别是放置在光束位置传感器前面的焦点调节单元。借助该焦点调节单元可改变激光束在z方向上的焦点位置。为此，焦点调节单元优选地包括具有至少一个可沿光轴移动的透镜的、扩展光束的伸缩单元。

替换地，同样有利地，可沿其光轴轴向地移动聚焦光学系统以改变激光束在z方向上的焦点位置。焦点调节单元此外优选地与控制单元相连接，以使得可以相应地控制焦点调节单元。

此外，提议了用于扫描头的离线校准的校准装置。该校准装置包括用于激光材料加工的扫描头。该扫描头包括聚焦光学系统，借助该聚焦光学系统可在作业地点中将激光束聚焦到工件的加工表面上。此外，扫描头具有用于影响激光束位置的光束位置系统。光束位置系统在激光束的传播方向上放置在聚焦光学系统前面。此外，光束位置系统包括至少两个可控制的和/或可移动的光学元件。借助光束位置系统，可通过垂直于聚焦光学系统的光轴平行地移动激光束来调节激光束在加工表面上的入射角。附加地或替换地，借助光束位置系统，激光束的作业地点可二维地在加工表面上移动。除了扫描头之外，校准装置还包括计算单元。计算单元特别是被构造为外部计算单元和/或通过扫描头的外部接口来与扫描头的光束位置传感器和/或控制单元相连接。扫描头是根据以上描述来构造的，其中所提及的特征可以个体地或者以任意的组合存在。借助校准装置，可以非常快速且高质量地进行扫描头的离线校准。在此有利地，不必影响在光束走向的方向上放置在扫描头前面的外部单元(例如，激光束源)。取而代之的是，在扫描头中确定全部数据并且还借助扫描头、特别是借助光束位置系统来调节和/或调整这些数据。扫描头或校准装置因此是可独立于客户侧环境来安装和校准的自立系统。

此外，提议了用于扫描头和/或校准装置的离线校准的校准方法。扫描头和/或校准装置是根据以上描述来构造的，其中所提及的特征可以个体地或者以任意的组合存在。在该校准方法中，离线地(即，在实际的加工过程之前)获取激光束的实际位置。借助可获取激光束的至少四个独立的位置参数的光束位置传感器来获取或确定激光束的该实际位置。此外，数据获取或激光束的实际位置的获取是在位于扫描头的光束位置系统后面的区域中关于激光束的传播方向来进行的。有利地，因此除了外部引起的激光束位置的改变之外，还可由光束位置传感器感测由光束位置系统引起的激光束位置的改变。在借助光束位置传感器来获取激光束的实际位置之后，计算单元将所获取的激光束的实际位置与特别是存储在存储器中的理论位置进行比较。特别是在实际位置与所存储的理论位置偏离时，计算单元计算用于光束位置系统的校正值。随后，控制单元在考虑该校正值的情况下校准光束位置系统。前面描述的校准方法可以执行一次或多次，其中在多次的情形中校准方法描绘调节回路。

有利地，在工厂侧、特别是在工厂校准过程的框架下确定激光束的理论位置。此外有利地，将针对每个生产出的扫描头个体地确定的激光束的理论位置存储在存储器中。

特别地，可以将在其中执行扫描头的工厂校准过程的光束位置确定为激光束的理论位置。在运行中，可以因此恢复为其确定校准参数的光束位置。这是有利的，因为在工厂侧校准时并且在客户侧运行时，不必在扫描头的输入端处存在相同的光束位置。此外，在工厂侧校准装置和客户设备中都不需要特定的(绝对的、定心的、刚好的)光束位置，以便在运行之后达成非常良好地调整和校准的状态。

在工厂校准过程中，例如可以确定坐标变换的参数，借助这些参数在扫描头的运行中(在线地)从光束位置的预定坐标和加工场中的焦点位置来计算用于光束位置系统的可移动的光学元件的相应的调节值以及用于焦点调节系统的调节值。

在校准方法中确定的校正值可以是偏移值，该偏移值在坐标变换之后被添加至调节值。特别地，校正值可以对应于四个角度校正值，这四个角度校正值被添加至光束位置系统的四个可旋转的光学元件的四个角度调节值。

除了根据本发明用光束位置传感器来测量光束位置并且通过光束位置系统的调节自由度来校正光束位置之外，扫描头还可被构造成借助该扫描头通过一个或多个其他合适的传感器单元和相应地构造的光束位置传感器来测量光束的空间光束剖面和/或发散度，该光束位置传感器由于合适的技术设计而优选地除了光束位置之外还能确定关于激光束的特性的附加测量值。此类测量值还可以包括激光的强度、极化状态、或者频谱特性。关于光束特性的这些附加测量数据可以任选地且附加地结合前述校准方法来使用。除了所确定的用于光束位置的校正值之外，还可以在计算单元中将用于校正不同于光束位置的偏差的其他信息用于计算扫描头的移动元件的调节参数。

例如，可以在计算单元中在计算焦点调节单元和光束位置单元的调节参数的框架下补偿通过合适的测量所确定的光束的发散度与理论发散度的偏差。因此可以确保：即使在光束发散度有偏差的情况下也将焦点引导到期望的工作轨迹上并且在此还同时保持光束的预定偏角。在该示例性情形中，还可以在计算单元中在继续进行的校正方法中计算光束位置的根据本发明的校正值，并且例如与所计算的其他校正值一起传送至控制单元。

本发明的其他优点在以下实施例中描述。附图示出：

图1示出了根据第一实施例的校准装置的示意图，其中校准装置的所有组件集成在扫描头中；

图2示出了根据第二实施例的校准装置的示意图，其中计算单元通过外部接口与集成在扫描头中的组件相连接；

图3示出了根据第一实施例的光束位置传感器的示意图；

图4示出了根据第二实施例的光束位置传感器的示意图；

图5示出了根据第一实施例的光束位置系统的示意图；以及

图6示出了根据第二实施例的光束位置系统的示意图。

图1在示意图中示出了校准装置1，借助该校准装置1能够校准用于激光材料加工的扫描头2的光束位置系统3。除了光束位置系统3之外，校准装置1包括光束位置传感器4、计算单元5、存储器6、和/或控制单元7。根据图1中所示的实施例，校准装置1完全集成在扫描头2中。它们因此位于扫描仪外壳8中。

借助光束位置系统3可以影响激光束9的位置。为此，光束位置系统3包括至少两个、可通过控制单元7控制的光学元件，这些光学元件在附图中未进一步详细示出。这些光学元件优选是可旋转地支承的镜子，可以借助致动器来控制这些镜子。

根据该实施例，光束位置系统3包括偏转单元11。偏转单元11在此被构造成：借助该偏转单元11，激光束9入射到工件14的加工表面13上的作业地点12能够二维地(即，在x和y方向上)在加工表面13上移动。为此，偏转单元11优选地包括两个镜子，这两个镜子分别仅围绕唯一的旋转轴可旋转地支承。由此，通过第一镜子产生作业地点12在x方向上在加工表面13上的移动并且通过第二镜子产生作业地点12在y方向上在加工表面13上的移动。

此外，光束位置系统3包括平行偏移单元10。在激光束9的传播方向上，平行偏移单元10优选放置在偏转单元11前面。借助平行偏移单元10可以调节激光束在加工表面3上的入射角。这通过垂直于聚焦光学系统15的光轴来平行移动激光束9的方式进行。聚焦光学系统15因此在激光束9的传播方向上放置在光束位置系统3、特别是平行偏移单元10后面。借助聚焦光学系统15可以将激光束9聚焦在工件14的加工表面13上的作业地点12中。

为了形成激光束9的平行移动，平行偏移单元10包括至少两个可旋转的镜子。借助这些镜子，可以分别调节激光束9的倾角α。因此，借助x-z平面中的第一可移动镜子可调节第一倾角，并且借助y-z平面中的第二可移动镜子可调节第二倾角。替换地，还可以通过两个前后串联的、可移动的、特别是可旋转的或可翻转的光学板来实现激光束9的平行移动。

图1中所示的用于激光材料加工的扫描头2此外还包括焦点调节单元17。借助该焦点调节单元17可以在z方向上改变激光束9。为此，例如焦点调节单元17的透镜可以在轴向上在激光束的传播方向上移动。根据该实施例，焦点调节单元17布置在光束位置系统3与聚焦光学系统15之间。在此处未示出的替换实施例中，焦点调节单元17还可通过聚焦光学系统15来构成。在这种情形中，聚焦光学系统15可以在z方向上相对于其光轴16轴向移动，以改变激光束9的焦点位置。

如先前已经提及的，扫描头2具有控制单元7。根据该实施例，控制单元7集成在扫描头2中。根据图1，控制单元7与光束位置系统3、即特别是与平行偏移单元10和偏转单元11相连接。附图中未进一步详细示出的可移动的光学元件、特别是镜子可以通过控制单元7来控制。因此，借助平行偏移单元10可以调节入射角，并且借助偏转单元11可以调节作业地点12在x-y平面中的位置。附加地，控制单元7与焦点调节单元17电连接，以使得借助其可调节z方向上的焦点位置。

在客户侧运行扫描头2时的问题在于，由激光源18产生的激光束9经错误校准地进入扫描头2。因此，该校准误差即使在工厂侧按规定校准的光束位置系统3的情况下也会在光束传播方向上延续通过扫描头2的所有组件(即，平行偏移单元10和偏转单元11)。为了校正在光束位置系统3前面输入耦合的校正误差，根据图1中所示的实施例的扫描头2包括校准装置1的至少一部分，其中根据第一实施例的校准装置完全集成在扫描头2中。

光束位置传感器4在此形成校准装置的一个组件。借助光束位置传感器4，可以获取激光束9在光束位置系统3与聚焦光学系统15之间的光路区域中的实际位置19。为此，光束位置传感器4在激光束9的传播方向上放置在光束位置系统3后面。此外，光束位置传感器4在激光束9的传播方向上放置在聚焦光学系统15前面。光束位置传感器4因此集成在扫描头2中，以使得光束位置传感器4能够获取激光束9在光束位置系统3与聚焦光学系统15之间的光路区域中的实际位置19。

为此，在光束位置系统3与聚焦光学系统15之间布置有分束器20。优选地，分束器20被构造为半透明的镜子。借助分束器20，激光束9可以在不改变其实际位置19的情况下从引导至聚焦光学系统15的光路中输出耦合。激光束9的输出耦合部分仅可借助光束位置传感器4来获取。根据图1，光束位置传感器4和分束器20彼此布置成使得通过分束器的激光被引导到光束位置传感器4上并且由分束器20反射的激光被引导到聚焦光学系统15上。

激光束9的实际位置19通过激光束9的至少四个彼此独立的位置参数来确定。通过获取该至少四个彼此独立的位置参数，光束位置传感器4由此间接地感测激光束9在光束位置系统3与聚焦光学系统15之间的区域中的实际位置19。用于确定激光束9的实际位置19的位置参数可以是平移位置参数和/或旋转位置参数。

根据图1，光束位置传感器4与在此集成在扫描头2中的计算单元5相连接。通过这个连接，位置参数或者通过位置参数确定的激光束9的实际位置19可被传送至计算单元5。

此外，校准装置1包括存储器6，激光束9的理论位置21存储在该存储器6中。理论位置21指的是激光束9的在光学位置系统3与聚焦光学系统15之间的区域中应当具有的位置。在校准方法中，现在调节和/或调整该理论位置21。为此，在工厂侧在交付扫描头之前确定激光束9的理论位置21或者确定理论位置21的至少四个位置参数。在该工厂侧校准过程中，因此可以考虑光束位置系统3和/或焦点调节单元17的制造公差。工厂侧确定的激光束9的理论位置21存储在存储器6中。存储器6可以是单独的单元或者还可以集成在计算单元5中。

计算单元5将借助光束位置传感器4获取到的实际位置19与工厂侧确定的和/或存储在存储器6中的激光束9的理论位置21进行比较。如果存在位于光束位置系统3前面的校准误差，计算单元5可以确定实际位置19与期望的理论位置21的偏差。在这种情形中，计算单元5计算校正值。该校正值确定要对光束位置系统3、特别是平行偏移单元10和/或偏转单元11进行的新校准。为了计算校正值，计算单元5使用迭代逼近方法和/或随机搜索方法。计算单元5与控制单元7相连接。由此，由计算单元5确定的校正值可传送至控制单元7。现在，借助校正值、通过控制单元7来再校准光束位置系统3、特别是平行偏移单元10和/或偏转单元11的至少一个光学元件。

有利地，因此可以通过相应地再校准光束位置系统3来校正位于光束位置系统3前面的校正误差，以使得在执行校准方法之后实际位置19对应于理论位置21。可任选地，前述校准方法还可被构造为调节回路，其中借助校正值经校准的激光束9的实际位置19再次借助光束位置传感器4来传感地获取并且在进一步的实际位置/理论位置比较的框架中由计算单元5来检验。该过程可以一直执行，直至实际位置19位于预定的公差范围之内。

前面的校准方法不是在线(即，不是在加工过程期间)进行的，而是离线(即，在实际的加工过程开始之前)进行的。离线校准因此例如在客户侧安装扫描头时和/或在预定的时间区间内进行，以便能够校正取决于温度或者取决于磨损的错误校准。

图2示出了根据第二实施例的校准装置1。在此，对于与图1中所示的实施例相比较而言在其设计和/或作用方式方面相同和/或至少相当的特征，使用相同的附图标记。如果不再次详细解释这些特征，则它们的设计和/或作用方式对应于前面已经描述的特征的设计和/或作用方式。

如图1中所示的实施例，图2中所示的校准装置1包括用于获取激光束9的实际位置19的光束位置传感器4、用于执行实际值/理论值比较和/或用于计算校正值的计算单元5、用于在考虑至少一个校正值的情况下再校准光束位置系统3的控制单元7、以及用于影响激光束位置的光束位置系统3。

与图1中所示的第一实施例不同，计算单元5被构造为外部计算单元。为了将计算单元5与扫描头2、特别是与其光束位置传感器4和/或控制单元7相连接，扫描头2具有外部接口22。在此可以涉及有线和/或无线接口。如图2中所示，具有确定激光束9的理论位置的数据的存储器6集成在扫描头2中。由此，可以确保在工厂侧确定的理论位置21个体地属于对应地在工厂侧经检验的扫描头2。替换地，还可以同样构想将具有所存储的理论位置21的存储器6集成在外部计算单元5中。

在图3和图4中示出了光束位置传感器4的两个替换实施方式。如先前已经提及的，光束位置传感器4被构造成借助其可获取激光束9的至少四个位置参数。光束位置传感器4因此还可被称为4D传感器。通过该至少四个位置参数来确定激光束9的实际位置19。光束位置传感器4因此通过这四个位置参数来间接地确定激光束9的实际位置19。在此，这些位置参数可以是平移位置参数和/或旋转位置参数。

在图3中所示的第一实施例中，借助第一二维传感器23来确定两个平移位置参数。这两个平移位置参数可以是关于光束位置传感器坐标系的x坐标和y坐标。为了还能够确定激光束9在空间中的角度位置，光束位置传感器4具有第二二维传感器24。借助第二二维传感器24来确定两个旋转位置参数。为此，传感器透镜25在激光束9的传播方向上布置在第二传感器24前面。通过该传感器透镜25来进行所定义的激光束的偏转，由此实现角度测量。为了能够将进入光束位置传感器4的激光束9引导到两个传感器23、24上，在传感器23、24前面设有传感器分束器26。

替换地，根据图4中所示的实施例，可以借助两个相对于传感器分束器26具有不同距离27、28的传感器23、24来确定实际位置19。在此，借助第一传感器23来获取第一x坐标和第一y坐标并且借助第二传感器24来获取第二x坐标以及第二y坐标。根据已知的距离27、28，可以因此关于参考平面来计算x坐标、y坐标、以及激光束相对于该参考平面的入射角。

在这两个实施例中，传感器23、24可以是成像传感器、特别是相机芯片。同样，可以构想位置敏感的多面二极管(四象限二极管)和/或波前传感器。

图5示出了光束位置系统3的实施例，其中可借助四个可旋转的单轴镜29a、29b、29c、29d来调节光束位置。这些单轴镜29a、29b、29c、29d中的每一者仅可围绕唯一的旋转轴旋转。由于旋转轴并非全部彼此平行并且这些镜子布置在不同的地点，因而通过旋转轴的四个调节自由度提供了光束位置的四个调节自由度。此外，光束位置系统3的该实施例是光束位置系统3的一个示例，该光束位置系统3不是由两个分开的部分系统(即，由分开的平行偏移单元10和分开的偏转单元11)构成的，而是光束的平行移动和翻转的功能集成在唯一的系统中。

图6示出了光束位置系统3的第二实施例，其中可以借助两个可分别围绕两个旋转轴翻转的双轴镜30a、30b来调节光束位置。通过镜子翻转的2x2自由度，提供了光束位置的四个调节自由度。光束位置系统3的该实施例是光束位置系统的另一示例，该光束位置系统不是由两个部分系统构成的，而是光束的平行移动和翻转的功能集成地提供在唯一的镜子单元中。

在以上实施例中，通过检流计驱动装置来驱动镜子是有利地，以便实现非常动态的并且同时非常准确的光束位置调节。光束位置系统3的检流计驱动装置在在线运行中优选地在闭环位置调节中运行，该闭环位置调节独立于光束位置传感器4来实施。它因此基于检流计驱动装置中的独立于光束位置传感器4的位置测量。

本发明不限于所示出和所描述的实施例。专利权利要求的框架中的变型同样是可能的(例如，特征的组合)，即使这些变型是在不同的实施例中示出和描述的。

附图标记列表：

1 校准装置

2 扫描头

3 光束位置系统

4 光束位置传感器

5 计算单元

6 存储器

7 控制单元

8 扫描仪外壳

9 激光束

10 平行偏移单元

11 偏转单元

12 作业地点

13 加工表面

14 工件

15 聚焦光学系统

16 光轴

17 焦点调节单元

18 激光源

19 实际位置

20 分束器

21 理论位置

22 外部接口

23 第一传感器

24 第二传感器

25 传感器透镜

26 传感器分束器

27 第一距离

28 第二距离

29 单轴镜

30 双轴镜

Claims (20)

1.一种用于扫描头(2)的离线校准的校准装置(1)，所述校准装置(1)包括用于激光材料加工的扫描头(2)，所述扫描头(2)包括：

聚焦光学系统(15)，借助所述聚焦光学系统(15)能将激光束(9)聚焦到作业地点(12)中，以及

用于影响所述激光束(9)的实际位置(19)的光束位置系统(3)，

所述光束位置系统(3)在激光束(9)的传播方向上放置在所述聚焦光学系统(15)前面，

所述光束位置系统(3)包括至少两个可控制的可移动的光学元件，并且

借助所述光束位置系统(3)可通过垂直于所述聚焦光学系统(15)的光轴(16)来平行移动所述激光束的方式调节所述激光束(9)在工件(14)的加工表面(13)上的入射角(α)，并且所述激光束(9)的作业地点(12)能够二维地在所述加工表面(13)上移动，

其特征在于，

所述校准装置包括计算单元(5)，所述计算单元(5)与所述扫描头(2)的光束位置传感器(4)和控制单元(7)相连接，

所述光束位置传感器(4)在所述激光束(9)的传播方向上放置在所述光束位置系统(3)后面，并且

所述光束位置传感器(4)被配置成使得借助所述光束位置传感器(4)能获取所述激光束(9)的至少四个独立的位置参数并且能根据所述位置参数来获取所述激光束(9)的由所述位置参数确定的实际位置(19)。

2.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，分束器(20)在所述激光束(9)的传播方向上放置在所述光束位置传感器(4)前面。

3.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，半透明的镜子在所述激光束(9)的传播方向上放置在所述光束位置传感器(4)前面。

4.如权利要求2所述的校准装置，其特征在于，所述分束器(20)在光路中布置在所述光束位置系统(3)与所述聚焦光学系统(15)之间的区域中。

5.如权利要求2所述的校准装置，其特征在于，所述光束位置传感器(4)和所述分束器(20)彼此布置成通过所述分束器(20)的激光能被引导到所述光束位置传感器(4)上和/或由所述分束器(20)反射的激光能被引导到所述聚焦光学系统(15)上。

6.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述扫描头(2)包括集成的计算单元(5)以对所述激光束(9)进行离线校准。

7.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述扫描头(2)包括外部接口(22)以对所述激光束(9)进行离线校准，外部的计算单元(5)通过所述外部接口来与所述光束位置传感器(4)和所述控制单元(7)相连接。

8.如权利要求6所述的校准装置，其特征在于，所述光束位置传感器(4)、所述集成的计算单元(5)、所述控制单元(7)和所述光束位置系统(3)形成集成在所述扫描头中的用于所述扫描头的离线校准的校准装置。

9.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述激光束(9)的理论位置(21)被存储在存储器(6)中。

10.如权利要求9所述的校准装置，其特征在于，所述存储器(6)包括计算单元(5)的存储器(6)。

11.如权利要求10所述的校准装置，其特征在于，所述计算单元(5)被构造成借助所述计算单元(5)能通过实际位置/理论位置比较来计算用于所述光束位置系统(3)的校正值和/或能将所述校正值传送至所述控制单元(7)。

12.如权利要求11所述的校准装置，其特征在于，所述校正值包括多维的校正值。

13.如权利要求10所述的校准装置，其特征在于，所述计算单元(5)和所述控制单元(7)一起被构造为集成在所述扫描头(2)中的计算/控制单元。

14.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述光束位置系统(3)包括至少四个可旋转的光学元件，所述光学元件中的至少一个光学元件能借助检流计驱动装置来运动。

15.如权利要求14所述的校准装置，其特征在于，所述光学元件包括镜子。

16.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述光束位置系统(3)包括用于调节至少一个入射角的平行偏移单元(10)以及用于所述激光束(9)的二维移动的偏转单元(11)。

17.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述扫描头(2)具有焦点调节单元(17)，借助所述焦点调节单元(17)能改变所述激光束(9)在z方向上的焦点位置，或者

所述聚焦光学系统(15)能相对于其光轴轴向移动，以改变所述激光束(9)在z方向上的焦点位置。

18.如权利要求17所述的校准装置，其特征在于，所述焦点调节单元(17)放置在所述光束位置传感器(4)前面。

19.一种用于对扫描头(2)进行离线校准的校准方法，

其特征在于，

所述校准方法是用如权利要求1-18中的一项所述的校准装置来执行的，

其中关于激光束(9)的传播方向，在位于所述扫描头(2)的光束位置系统(3)后面的区域中，借助获取所述激光束(9)的至少四个独立的位置参数的光束位置传感器(4)来获取所述激光束(9)的实际位置(19)，

计算单元(5)将所述激光束(9)的所获取的实际位置(19)与所存储的理论位置(21)进行比较并且计算校正值，以及

控制单元(7)根据所述校正值来校准所述光束位置系统(3)。

20.如权利要求19所述的校准方法，其特征在于，所述激光束(9)的所述理论位置(21)是在工厂侧在所述扫描头的工厂校准过程的框架下确定的并且被存储在存储器(6)中。

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