CN110062678B - 包括两个窗口、光学元件和xy-偏转装置的偏转单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及偏转单元(10)，其包括光学元件(20)，光学元件(20)至少部分地反射第一波长且至少部分地透射不同的第二波长。偏转单元限定操作光束(14)经由光学元件(20)处的反射从第一窗口(12)到第二窗口(24)所经过的操作光束路径。偏转单元包括XY偏转装置(22)和聚焦装置(16)，其中XY偏转装置(22)布置在操作光束路径中以扫描已经出现的操作光束；聚焦装置(16)用于聚焦操作光束(14)，其中，聚焦装置具有可变焦距，并且布置在第一窗口(12)和光学元件(20)之间的操作光束路径中。

Description

包括两个窗口、光学元件和XY-偏转装置的偏转单元
技术领域
本发明属于激光制造和激光加工技术领域，并涉及一种偏转单元。
背景技术
偏转单元在工业制造和加工过程中广泛使用，以在空间和时间方面操纵激光束的路径，以便及将激光束扫描在工作区域内的工作表面上。
偏转单元的示例性应用领域是基于激光的增材制造。增材制造在部件设计中提供了高水平的设计自由度，并特别适用于快速模型构建，快速模型构建也称为“快速原型”。
除了用于快速原型外，增材制造也越来越多地用于具有更多单元数量的工业生产，使得增材制造的应用领域正在从快速原型扩展，以包括工业大规模生产或所谓的“快速制造”。在这种情况下，工业生产中的增材精整加工越来越重要，例如在金属加工以及航空和医疗技术领域。另外，它具有取代许多传统的诸如铸造的工业制造工艺的潜力。
基于激光的增材制造包括以下工艺：“直接粉末熔融”，即，通过激光束，例如高能激光束，局部地和选择性地熔化粉末床的工艺；“光聚合”，即，通过激光选择性地和局部地暴露诸如树脂的材料的熔池并因此硬化的工艺；“直接能量沉积”，即，沿着与激光辐射方向平行或相同的方向引入粉末以沉积材料的方法。这些工艺是基于表面的组装工艺，其中逐层生成体积。在这些工艺中，由偏转单元转向的激光束在诸如，塑料熔池或桶(光聚合)或粉末床(直接能量沉积)的表面的平面工作表面上扫描，以便在表面层的选定区域产生激光诱导的塑料聚合或粉末颗粒的熔融或烧结。这将生成与底下的部件层材料性地结合的新的部件层或部件平面。这是逐层重复的，其中先前完成的部件层相对于偏转单元降低，新的松散材料层，例如，非聚合塑料或粉末，沉积在最新生产的层上。然后，根据要生产的部件的形状将激光扫描过程施加到新层。
这种基于激光并基于表面的增材组装过程可以在一定水平，例如，高达4m/s内相对快速地进行，但是由于生产部件所需的大量层，它们可能花费数天，其中该过程是全天候进行的。在这种情况下，精度要求可以在10-20μm或更小的范围内，非常高。
即使最小的过程偏差也会导致在整个部件体积中不能保持所需的精度。这会导致可能需要时间密集的后处理。如果这例如由于部件内的缺陷而不容易实现，则可能还需要重新制造整个部件。另外，可能仍未检测到过程偏差。
为避免这种情况，并且为了能够在发生过程误差时立即采取纠正措施，有必要在生产期间观察并监测该过程。这种在线质量控制与开环和/或闭环过程控制相结合，使得能够立即解决或完全避免与过程相关的部件缺陷。这样可以显著提高工艺效率、工艺可靠性和产量，并且可以替换传统的诸如铸造的基于体积的制造工艺。
例如，DE 10 2013 017 795 B3公开了一种激光扫描仪焊接装置，其包括用于扫描激光束的偏转单元和用于在线质量控制的内部相机。在该装置中，借助于分色镜，操作光束路径与相机的视场叠加，使得当使用扫描镜扫描时，相机的视场与操作激光束同步地在工件上移动。在分色镜和扫描镜之间，可移动聚焦透镜设置在操作光束路径和成像光束路径中，以调节激光束的焦点。
发明内容
本发明的目的是提供一种偏转单元，其允许具体在基于激光的增材制造工艺中的改进的激光加工过程和改进的过程观察、过程监测、过程监督和过程控制。
该目的通过权利要求1的主题来实现。有利的实施方式和扩展在从属权利要求中指定。
本发明涉及一种具体用于激光制造和用于监测激光制造过程的偏转单元。根据本发明的偏转单元包括：第一窗口，光学操作光束可以通过该第一窗口进入偏转单元；第二窗口，操作光束可以通过该第二窗口从偏转单元离开，并且检测光束可以沿着新出现的操作光束的相应轨迹并在与操作光束相反的方向从操作区域通过该第二窗口进入所述偏转单元；可选的第一检测装置，优选地位于偏转单元内；光学元件，其至少部分地反射第一波长，并且还可选地至少部分地透射至少一个其他第二波长。偏转单元限定操作光束经由所述光学元件处的反射从所述第一窗口到所述第二窗口所经过的操作光束路径。第一窗口对应于操作光束入口，例如纤维端部，操作光束通过操作光束入口进入偏转单元。
如果偏转单元包括第一检测装置，则偏转单元还限定检测光束从第二窗口到第一检测装置所经过的检测光束路径，其中，检测光束至少部分地由光学元件透射。
偏转单元还包括：XY偏转装置，在操作光束路径中布置在第二窗口和光学元件之间，以及如果存在第一检测装置，则布置在检测光束路径中，以偏转操作光束，并扫描所出现的操作光束，并且如果合适，同时偏转检测光束，使得它们通过光学元件经过检测光束路径到达第一检测装置；聚焦装置，用于聚焦操作光束，其中，聚焦装置具有可调节焦距，并且布置在第一窗口和光学元件之间的操作光束路径中。
如果存在第一检测装置，则偏转单元还可包括：光学设备，布置在光学元件和第一检测装置之间的检测光束路径中，并且配置为改变检测光束(32)的焦距。
在给定适当控制的情况下，可变焦距在各种情况下均允许对给定工作距离的不同偏转角度进行相应调节，即，所谓的平面场补偿，以及允许对不同工作距离进行调节。“可变焦距”具体可意味着焦距是可调节的和/或在该过程期间可以进行焦点跟踪。因此，具有固定焦距的刚性固定光学器件组不具有可变焦距。平面场补偿的可能性对于基于激光的增材制造特别有利，在所述增材制造中，激光被扫描在平坦、平滑的工作区域上，并且可以始终聚焦或保持聚焦在工作区域的表面上。
与上述现有技术相反，根据本发明的偏转单元包括聚焦装置和可选的光学设备，该光学设备用于为操作光束或待检测的检测光束提供可变焦距。在这种情况下，聚焦装置仅布置在操作光束中，以及光学设备可仅布置在检测光束路径中。由于这种解联接，因而可改变或调节操作光束的焦点位置，同时不会影响使用第一检测装置进行的检测，以及还可调节和改变使用第一检测装置进行的检测，同时不会影响激光操作过程。结果是，利用第一检测装置的过程观察可以相对于相应监测要求不断地优化，所述监测要求也可在过程的进行期间改变，同时，激光工艺可相对于相应过程要求不断地优化，所述过程要求也可以包括在过程期间焦点位置和/或聚焦形状的变化。
聚焦装置和光学设备的解联接意味着它们可以被彼此独立地控制，使得可以独立地优化每个不同的要求。另外，相应控制器不需要允许或补偿其他控制器的任何影响，因为作为解联接的结果，在通过第一检测装置的自适应检测和操作光束的自适应聚焦之间不需要相互作用。因此，根据本发明的偏转单元使得能够实现具有优化的过程监测的、更灵活且因而更有效的操作过程以及具有同时过程执行的、更稳健且更容错、更可靠和更准确的操作和监测过程，这对于有效的过程观察、过程监测、过程监督、过程开环和/或闭环控制是必要的。
聚焦装置优选地配置为根据XY偏转装置的设置和/或工作距离来改变焦距。这允许将焦距调节到相应的偏转角度，使得可执行平面场补偿，以及可在扫描过程期间将焦点保持在平面中。替代地或另外地，通过焦距变化，例如通过相对大的偏移值，可改变工作距离。
聚焦装置可包括一个或多个可移动透镜或透镜组，并且配置为沿着操作光束路径共同移动透镜或透镜组或多个透镜或多个透镜组。这允许改变焦距并因此改变焦点位置。本文中的“透镜组”是指与相应的单个透镜具有相同的功能的、逐个紧密布置的一系列透镜。
在上述实施方式中的一个或多个中，聚焦装置可配置为改变操作光束的聚焦直径，同时不改变焦点位置。换言之，可放大或缩小聚焦程度，并因而增大或减小相应工作表面上的强度，而不改变光束焦散，并且不改变焦点位置。这允许在扫描过程期间使工作表面上的相应强度适应于不同的条件，而无需从工作表面移除焦点。因此，可提高激光工艺的灵活性和效率。
在上述实施方式中，聚焦装置可包括例如多个可移动透镜，并且偏转单元可配置为同时彼此独立地移动至少两个透镜。这允许例如所述至少两个透镜同时沿相反方向移动。这允许改变聚焦程度，而不同时改变焦点位置。在一些实施方式中，透镜移动可以是相反方向上的移动和不沿相反方向的共同的、方向上对齐移动的组合，使得在给定适当控制的情况下，可同时改变焦点位置和聚焦程度。
在优选实施方式中，聚焦装置包括第一可移动透镜、第二可移动透镜和固定透镜，其中，第二可移动透镜在操作光束的光束方向上布置在第一可移动透镜之后或后面，以及其中，固定透镜在操作光束的光束方向上布置在第一可移动透镜和第二可移动透镜之后或后面。不言而喻，在这种情况下，第一可移动透镜和第二可移动透镜可各自由第一可移动透镜组和第二可移动透镜组形成。固定透镜也可由固定透镜组形成。因此，如下所述用于第一可移动透镜、第二可移动透镜和固定透镜的所有特征也适用于相应透镜组，如果该透镜组存在的话。
第一可移动透镜和第二可移动透镜可沿着操作光束路径共同地且在相同方向上移动或彼此独立地移动。操作光束顺序地首先传播通过第一可移动透镜，然后通过第二可移动透镜，最后通过固定透镜。固定透镜用于将操作光束聚焦在工作区域上。第一可移动透镜或第一透镜组的透镜、第二可移动透镜或第二透镜组的透镜以及固定透镜或固定透镜组的透镜中的一个或多个也可具有一个或多个非球面。
在一些实施方式中，第一可移动透镜的物侧主平面与第一窗口之间的距离与第一可移动透镜的焦距相差不超过50％，优选地不超过30％，特别优选地不超过10％。因而，操作光束可以以发散的方式进入偏转单元，以及操作光束的束腰可以位于第一窗口内。因而，上述距离始终在第一可移动透镜的焦距附近小范围变化，这确保了在每个焦点位置处均存在聚焦装置的成像比率的范围，其中操作光束在第二可移动透镜上的直径，即，光斑尺寸，与其在第一可移动透镜上的直径大致相同或大于其在第一可移动透镜上的直径。由于热透镜效应根据与光束直径的平方反比定律进行缩放，因而可以最小化第二可移动透镜在整个聚焦装置上的热变化的影响，从而能够实现避免由热引起的焦点位置和聚焦装置的成像比率的不受控制的变化。
在一些实施方式中，选择第一可移动透镜和第二可移动透镜之间的距离，使得由第一可移动透镜和第二可移动透镜产生的虚像的轴向位置可在对应于第二可移动透镜的调节范围的范围内变化。第二可移动透镜可在该调节范围内沿操作光束路径移动。该条件可以被认为是第一可移动透镜和第二可移动透镜之间的距离的下限，也可以具有更大的距离。
这允许通过第二可移动透镜的相应移位使操作光束在工作区域上的聚焦保持恒定，同时改变聚焦装置的成像比率。这可以通过以下操作来实现：将第二可移动透镜定位成使得由第一可移动透镜和第二可移动透镜产生的第一窗口的虚像之间或者固定透镜的操作光束馈送和物侧主平面之间的距离D对于聚焦装置的给定的期望焦点位置始终保持恒定。该距离D(近轴近似)由固定透镜的像侧主平面与聚焦装置的期望焦点位置Δ之间的距离以及固定透镜的透镜方程fF的焦距根据以下透镜方程给出：
Figure GDA0003173902330000061
在一些实施方式中，第一可移动透镜、第二可移动透镜和固定透镜分别具有正焦距、负焦距和正焦距。因此，操作光束可以由第一可移动透镜准直。在通过第一可移动透镜之后，操作光束可以是会聚的或发散的，这取决于第一可移动透镜和第一窗口之间的距离。
根据优选实施方式，选择第一可移动透镜和第二可移动透镜的焦距和位置，使得聚焦装置没有位于第一可移动透镜和固定透镜之间的焦点。因此，除了操作光束入口本身和工作区域上的焦点之外，聚焦装置没有其他焦点。
第一可移动透镜和第一窗口之间的距离可通过第一可移动透镜沿着操作光束路径的位移而减小，使得操作光束在第一可移动透镜和第二可移动透镜之间发散，成像比率以及因而操作光束的焦点直径或光点尺寸减小。可替代地，通过增加第一可移动透镜和第一窗口之间的距离，可指定操作光束在第一可移动透镜和第二可移动透镜之间会聚，以及成像比率以及因而操作光束的焦点直径增加。
在第一可移动透镜的这种移位的同时，为了控制聚焦装置的成像比率，聚焦装置的焦点位置也可通过第二可移动透镜的相应移位来调节，使得聚焦装置保持聚焦在工作区域上。根据本发明的偏转单元允许通过调节第一可移动透镜和第二可移动透镜的位置，而在预定范围内获得成像比率和焦距的任何可能组合。因此，操作光束始终可保持聚焦在工作区域上。另外，由焦点直径确定的操作光束的光束强度也可在不同的偏转角度下保持恒定，这在平坦的工作区域的情况下对应于不同的工作距离。
在优选实施方式中，偏转单元还包括控制单元，该控制单元配置为控制第一可移动透镜和第二可移动透镜沿着操作光束路径的移位。为此，控制单元可配置为根据XY偏转装置的设置和/或工作距离整体调节聚焦装置的焦距。控制单元还可包括：一个或多个驱动器，配置用于第一可移动透镜和第二可移动透镜的轴向位置的开环控制和闭环控制。这允许对第一可移动透镜和第二可移动透镜进行部分控制或全自动控制。控制单元还可以连接至检测装置，以提供对偏转单元的聚焦的全自动控制。
在一些实施方式中，偏转单元包括：一个或多个滑动机构，配置成沿着操作光束路径手动移位第一可移动透镜和/或第二可移动透镜。滑动机构允许手动实施第一可移动透镜和/或第二可移动透镜的定位，并允许由控制单元覆盖的第一可移动透镜和/或第二可移动透镜的调节范围扩大。因此，就聚焦装置的可能焦点位置和成像比率而言，可以实现更大的变化。
在其他优选实施方式中，光学元件可具有以下光学特性中的一个或多个：对于操作波长，具体为在1020nm和1080nm之间的波长，反射率≥80％，优选地≥90％，特别优选地≥99％；对于400nm至900nm之间的波长，透射率≥20％，优选地≥70％，特别优选地≥90％；对于1300nm至2100nm之间的波长，透射率>20％，优选地>70％，特别优选地>90％。这意味着可在操作波长上专门地或几乎完全反射地引导高能操作光束通过偏转单元，使得在偏转单元中产生很少或没有吸收热。另一方面，波长谱的范围为1300nm至2100nm，即高于1020至1080nm之间的可能操作波长，且范围为400nm至900nm，即，低于1020至1080nm之间的可能操作波长，例如，包括850nm处的照明辐射的低能检测光束可以透射通过光学元件，并因此在空间上与操作光束分离。上述操作波长范围(反射范围)对于材料加工特别有利。可能的检测光束的波长范围(透射范围)允许综合评估在工作表面处产生和/或从工作表面反射的检测光束。
根据本发明的偏转单元的有利实施方式，光学元件在检测光束路径中倾斜，并且光学补偿元件另外布置在光学元件和第一检测装置之间的检测光束路径中，光学补偿元件至少部分地补偿由于通过倾斜的光学元件的透射引起的光学失真，具体为像差和/或像散。由于光学元件的透射率和反射率特性以及光学元件的倾斜，检测光束可以与操作光束分离。然而，通过倾斜的光学元件，即，不垂直于光束的光学元件的透射可导致光学失真或像散，这可导致第一检测装置的模糊或不精确的检测。由于补偿，可直接补偿或至少减少该成像误差。如果检测装置是例如相机，则可提高图像的空间分辨率，并且可避免随后的电子校正。但是在其他检测装置中，例如，光学相干层析成像装置，可以显著提高检测精度和/或灵敏度。这使得能够进一步提高过程效率、准确性和可靠性。
在一些实施方式中，光学元件由第一平面平行板形成，以及补偿元件由第二平面平行板形成，并且这两个平面平行板相对于检测光束路径倾斜。这允许特别简单、直接、准确、被动和快速的补偿。
在优选实施方式中，偏转单元包括光学设备，该光学设备配置为用于根据XY偏转装置的设置和/或工作距离来调节准直、聚焦或光束加宽，或者可以为此目的进行控制。这允许以相同的准确度和灵敏度检测和监测操作区域，即，在激光工艺的位置处的工作表面的成像部分，操作区域的检测光束由于不同的偏转角度和/或由于不同的工作距离而行进不同的距离直到用第一检测装置检测到它们。这允许灵活、通用和准确的观察。
根据一些实施方式，偏转单元配置为用于在238mm和850mm之间、优选地在238mm和671mm之间、特别优选地在300mm和548mm之间的一个或多个工作距离处进行处理。工作距离是第二窗口的出口或入口区域与第二窗口下方的平坦工作表面之间的距离，其中在偏转单元的操作取向中，工作表面中的平坦工作区域可利用偏转单元进行处理和观察。“可处理”预先假定偏转单元可将操作光束聚焦在整个平坦工作区域上。“可观察”预先假定偏转单元可以利用第一检测装置检测工作区域内对应于第一检测装置的视场的任何操作区域，或者可以将其成像到第一检测装置的检测表面上。
在上述实施方式中的一些或多个中，偏转单元具有尺寸为200×200mm2至600×600mm2、优选地多达500×500mm2的工作区域。工作区域对应于这样的平面区域，该平面区域可用于在相应的工作距离处利用偏转单元进行处理，并且偏转单元可利用操作光束的焦点扫描该平面区域。工作区域的大小可以根据不同的工作距离而变化。
优选地，根据本发明的偏转单元的尺寸设计为使得在操作取向上，其在工作区域的平面上的投影表面在至少一侧、至少两侧、至少三侧和/或四侧上在工作区域上延伸。换言之，工作区域只能部分地延伸到“足迹”之外，或者被完全包含在其中。在工作区域延伸超出足迹的每一侧，如果偏转单元适当地并排布置，则例如矩形或正方形的工作区域可与另一偏转单元的工作区域无缝地组合。这对于并行处理特别有利，这允许进一步减少生产时间，并有利于大规模生产。
前面提到的一些偏转单元的尺寸设计为使得这些偏转单元中的四个可布置成使得在一个或多个工作距离处，它们的工作区域连接在一起，以形成单独工作区域大小的3.5倍到4倍的不间断平滑的整体工作区域。在基于激光的增材制造工艺的情况下，这允许生产高达四倍大的部件。
替代地，前面提到的一些偏转单元的尺寸也可设计为使得这些偏转单元中的四个布置成使得在一个或多个工作距离处，它们的工作区域连接在一起，以形成小于单独工作区域的不间断的平滑的整体工作区域。因而，对于相应工作区域的100％重叠，整个工作区域的尺寸可以是例如单个工作区域的尺寸的2/3。在基于激光的增材制造工艺的情况下，这使得生产时间减少了多达4倍。这通常可允许几乎达到或甚至长期达到诸如例如铸造的已建立方法的高输出率。
根据一些实施方式，偏转单元的尺寸也可设计为使得这些偏转单元中的两个可布置成使得它们的工作区域叠加在公共工作区域上，其中，公共工作区域的表面积等于每个单独工作区域的表面积的至少50％、优选地至少60％、特别优选地至少70％。因此，并行工作的偏转单元不一定必须在彼此相邻的单独工作区域上并行工作，而是也可以在公共工作区域或工作区域的公共部分上并行工作。例如，如果使用并行工作的偏转单元中的一个来校正另一偏转单元的误差，则这允许进一步提高工艺效率并且改善部件的质量。
在一些实施方式中，偏转单元包括第一检测装置，第一检测装置是相机或包括相机。这些实施方式包括用于将工作区域成像在相机上的成像光学系统，其中，成像光学系统包括上述光学设备。在这些实施方式中，光学设备配置为改变成像光学系统的焦距。这允许可视地观察和监测该过程。
在上述实施方式中，从在工作距离处在相机上成像的操作区域的面积和相机芯片的面积导出的成像比率可具有1.7和0.5之间、优选地为0.8的值。这些比率允许在以下项之间特别有利的折衷：足够精确的过程监测所需的空间分辨率；用于足够快的读出的最小数量的相机像素；用于良好光强度和产量的相当大的相机芯片(在1：1的范围内成像)；用于监测足够大的操作区域而位于工作表面上的足够大的相机视场；以及用于偏转单元的紧凑设计的最小成像路径长度。
在一些有利实施方式中，相机具有尺寸为2/3英寸或8.8mm×6.6mm的芯片，该芯片具体具有1280×1024个像素，以及操作区域的对应于在工作距离处的相机视场的成像表面区域的尺寸在8mm×6mm和14mm×10.5mm之间。这种芯片尺寸允许足够高的帧速率或时间分辨率的监测过程。另外，成像区域足够大以用于过程评估，并且确保足够大的光学或空间分辨率。
在上述实施方式中的一些中，检测光束或成像光束从进入成像光学器件到相机芯片所经过的成像路径长度在400mm和700mm之间，优选地在420mm和600mm之间，特别优选地在450mm和510mm之间，具体是480mm。这样的路径长度允许相对紧凑的设计，同时允许以下项之间的最佳折衷：空间分辨率(与成像比率、清晰度或失真自由度、像素数量相关)，速度或帧速率(与像素数量相关)，成像区域的大小(与成像比率、芯片尺寸相关)，最小复杂的成像光学器件(透镜的数量和类型)，因此可以相对稳健和廉价。紧凑的设计对于并行激光工艺(即使用多个激光束和偏转单元同时制造或处理部件)特别有利，因为偏转单元可以更紧密地彼此相邻地布置，使得它们的工作区域部分地重叠或彼此相邻。
在一个或多个上述实施方式中，相机允许图像采集速率≥500Hz，优选地≥1kHz，特别优选地≥1.5kHz，特别地是≥2kHz。这使得可以以高时间分辨率监测和检查所述过程，使得即使是最小的缺陷也可以被检测到、检查到并在必要时进行校正。
另外，根据本发明的偏转单元可包括照明装置，该照明装置被布置和对准成以第二波长同时具体以≥80％的均匀性照亮整个工作区域。这消除了对照明光束进行扫描的需要，使得可以在工作区域的方向上并且相对于工作区域使用静态照明。与扫描照明相比，在这些实施方式中，该过程可以具有高可靠性和稳健性。另外，可以获得相对高的照明均匀性，从而对于不同的区域存在一致的成像条件。
在上述实施方式中，照明装置也可配置成用于闪光照明。结果是，可以增加光强度，并且对于增加的光强度可以获得灯的更长使用寿命。
在一些实施方式中，以闪光的方式照明，使得在闪光期间每个图像均由相机记录，并且闪光持续时间大于或等于相机的图像采集周期。这确保了即使在仅整个照明区域的一小部分的情况下，记录图像也可使用足够的光强度。
照明的关闭时间优选地大于或等于照明的接通时间。这样可以避免过度加热，从而提高使用寿命和处理精度以及处理可靠性。
上述实施方式中的一些还包括帧捕捉器，相机连接至该帧捕捉器。帧捕捉器允许更快的读出和进一步处理相机图像，这进一步改进和改善过程监测，并且还相应地提高了过程效率。
在一些替代实施方式中，第一检测装置是光学相干层析成像装置(OCT)或包括光学相干层析成像装置。光学相干层析成像装置(OCT)允许检测和观察现有高度差和/或在过程期间或由于过程而产生的高度差。这是通过相机监测过程的替代方案。在其他实施方式中，第一检测装置还可包括可利用可调节光学设备有利地操作的其他检测装置。
根据本发明的偏转单元的上述实施方式中的一些还包括第二光学元件和第二检测装置，其中，第二光学元件布置在所述光学元件和第一检测装置之间的检测光束路径中，至少部分地反射第二波长以前进到第一检测装置，并且至少部分地透射其他波长以前进到第二检测装置。结果是，除了借助于第一检测装置的直接观察和监测之外，还可以在整个生产期间连续地执行附加过程监测，附加过程监测可以提供附加信息或监测其他过程参数。因此，基于这种扩展监测的开环或闭环控制过程干预可以有助于进一步提高过程效率和质量。
第二光学元件可具有以下光学特性中的一个或多个：对于630nm和670nm之间或820nm和870nm之间的照明波长且优选地在45°的入射角下，反射率≥80％，优选地≥90％，特别优选地≥95％；对于400nm和700nm之间的波长，透射率>20％，优选地>70％，特别优选地>90％；对于1300nm和2100nm之间的波长，透射率>20％，优选地>70％，特别优选地>90％。除了利用第一检测装置的观察之外，第一光学元件和第二光学元件的上述光谱扩展的透射范围使得能够在某些波长处局部地并行地或者在一个或多个更大的波长范围上整体地执行进一步的观察，诸如通过光电二极管进行光强度测量的综合方法。
第二检测装置可包括光电二极管、高温计、优选地为VIR相机的第二相机和/或用于产生辐射图和/或热图(热图生成)的多光谱相机、热图像传感器和/或光学相干层析成像装置。
根据本发明的偏转单元及其上述实施方式特别适用于增材制造，具体是用于“直接粉末熔融”、光聚合和/或“直接能量沉积”。这些过程还包括选择性激光熔化(SLM)和激光金属沉积(LMD)。但是，它们也可以用于其他应用。本发明不限于这些应用。
本发明还涉及根据一个或多个上述实施方式的偏转单元的用途，用于增材制造，具体是用于“直接粉末熔融”、光聚合和/或“直接能量沉积”。
附图说明
在下面的描述中，将参照附图更详细地解释本发明的其他优点和特征。
图1示出了根据本发明实施方式的偏转单元的示意性结构。
图2示出了图1的偏转单元的聚焦装置的详细结构。
图3示出了根据本发明另一实施方式的偏转单元。
图4示出了根据本发明另一实施方式的偏转单元。
图5示出了根据本发明实施方式的偏转单元的外视图。
图6示出了根据本发明并行生产的实施方式的四个偏转单元的布置的示意性平面图。
图7示出了根据本发明并行生产的实施方式的两个偏转单元的布置的示意性平面图。
在附图中，等同特征用相同的附图标记进行标记。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施方式的偏转单元10的示意性结构。偏转单元10包括第一窗口12，光学操作光束14可以通过第一窗口12进入偏转单元10。第一窗口12布置在光纤连接器内部，纤维激光器或光纤连接可以经由该光纤连接器连接至偏转单元10。在其他实施方式中，操作光束14可以作为自由光束进入偏转单元10，而不需要提供光纤连接器。
偏转单元10还包括：聚焦装置16，用于将操作光束14聚焦在工作表面18上；光学元件20，用于反射操作光束14；XY偏转装置22，用于将操作光束扫描在工作表面18上；以及第二窗口24，操作光束14可以通过第二窗口24从偏转单元10离开。上述元件16、20、22、24沿着操作光束路径布置在偏转单元10中，并且由进入偏转单元10的操作光束14以上述顺序穿过，或者上述元件16、20、22、24以上述顺序反射操作光束14。
XY偏转装置22包括：第一扫描镜26和第二扫描镜28，配置为沿X方向和/或Y方向偏转和扫描操作光束14。
偏转单元10还包括相机30形式的第一检测装置，其布置在偏转单元10内，以检测从工作表面18内的操作区域34反射的检测光束或成像光束32。检测的成像光束32穿过从工作表面18到相机30的检测光束路径或图像光束路径，在该路径上成像光束32依次穿过下面的元件或被它们反射：第二窗口24、XY偏转装置22、光学元件20、补偿元件36、第二光学元件38和光学设备39。光学设备39形成成像光学系统40的部分。光学设备39被配置为改变成像光学系统40的焦距。
在一些实施方式中，光学设备39是准直装置，其确保成像光束32在设备39与相机30之间的成像光束路径中的特定点处以不同的图像距离进行准直。然而，在其他实施方式中，成像光束32不需要进行准直，或者不需要在设备39与相机30之间的每个地方进行准直。由于设备39的适应性、可调节性或可变性，这是可变的或可调节的，以及在图像距离改变的情况下，设备39与相机30之间的成像光束32的准直、加宽和/或聚焦可以保持恒定。
第二窗口24可包括用于操作光束14和成像光束32的透明片。这可以保护偏转单元10的内部免受污染或玷污，并且还提供热隔离，以防止来自工作表面18过多的热输入进入偏转单元10。在其他实施方式中，第二窗口24还可以包括其中没有材料的开口，通过该开口，在偏转单元10的内部和外部之间产生空气或流体连接。
在图1的实施方式中，如图1所示，成像光学系统40包括：两个透镜42、46；光学设备39，包括附加透镜44；两个偏转镜48、50，以使操作区域34经过成像光学系统40的成像路径长度而在相机30的芯片上成像。该成像路径长度由成像光束32从成像光学系统40的入口行进直到它们撞击相机30的芯片为止的光路长度限定。在图1中，成像路径长度对应于成像光束从入射透镜42到相机芯片的光路。应该指出的是，在其他实施方式中，成像光学系统40可以具有不同的结构，并且具体地，可以包括可以与图1中所示进行不同布置的更多或更少的透镜和/或镜子。
在偏转单元10中，成像光学系统40的可变焦距通过移动透镜44的能力来实现。透镜44是光学设备39的部分，光学设备39可以是例如高速准直、加宽或聚焦装置。透镜44可以在透镜44的位置处沿着成像光束32的方向高速地前后移动。结果是，即使针对成像光束32的从操作区域34到相机30的路径长度快速变化，在扫描的同时进行高时间分辨率的监测期间，一致的清晰图像也是可以的。
在图2中更详细地示出的是，聚焦装置16还包括可变焦距。在图1和图2的实施方式中，聚焦装置包括：固定透镜52，用于聚焦操作光束14；第一可移动透镜56和第二可移动透镜54。可以控制聚焦装置16，使得第一可移动透镜56和第二可移动透镜54彼此独立地沿着操作光束路径移动。另外，第一可移动透镜56和第二可移动透镜54可以共同地沿着操作光束路径且在相同方向上移动。这改变了操作光束14的焦距，即，操作光束14的焦点至第二扫描镜28的反射点的距离改变。这是特别有利的，因为当将操作光束扫描在工作表面18上时，从相应操作区域34到XY偏转装置22的距离以及因此操作光束14从聚焦装置16行进到相应操作区域34的光路长度均改变。通过改变焦距，可以补偿光路长度的这种变化，从而确保在整个扫描过程期间操作光束14保持聚焦在工作表面18上。在平坦的工作区域18的情况下，这也称为“平面场补偿”。可变焦距还允许适应工作表面18和偏转单元10之间的不同工作距离。
第二可移动透镜54在操作光束14的光束方向上布置在第一可移动透镜56之后或后面，以及固定透镜52在操作光束14的光束方向上布置在第一可移动透镜56和第二可移动透镜54之后。关于用于聚焦的固定透镜52的选择，可以确定工作距离可调节并且可以为其设计偏转单元10的区域。如果固定透镜52具有较短的焦距，则工作距离可围绕较短的平均工作距离进行调节，以及如果固定透镜52具有较长的焦距，则工作距离可围绕较长的平均工作距离进行调节。工作距离范围对应于第二窗口24的平面与工作表面18之间的距离范围，为此，操作光束14可以聚焦在工作表面18内的相关工作区域上，并且为此，可以通过相应成像光束32执行该工作区域在相机30的芯片平面中的成像。工作区域的尺寸从相应的工作距离和角度范围获得，在该角度范围内，可以使用XY偏转装置22偏转操作光束14。
如图2所示，根据本发明的偏转单元的所示实施方式的聚焦装置16包括控制单元70，该控制单元70配置为控制第一可移动透镜56和第二可移动透镜54沿着操作光束路径的移位。另外，聚焦装置16包括：第一手动滑动机构72和第二手动滑动机构74，第一手动滑动机构72和第二手动滑动机构74配置成分别沿着操作光束路径手动移位第一可移动透镜56和第二可移动透镜54。通过激活滑动机构72和74和/或控制单元70，第一可移动透镜56和第二可移动透镜54可以在相应调节范围内沿着操作光束路径移位，控制单元70包括用于此目的的单独驱动器(未示出)。
在所示的实施方式中，第一可移动透镜56的物侧主平面与第一窗口12之间的距离与第一可移动透镜的焦距相差大于10％，其中操作光束14通过该第一窗口进入光学系统。另外，选择第一可移动透镜56和第二可移动透镜54的焦距和位置，使得在聚焦装置16内不存在中间焦点。
在所示的实施方式中，第一可移动透镜56具有正焦距。第二可移动透镜54具有负焦距，以及固定透镜52具有正焦距。在第一可移动透镜56和第一窗口12之间的当前距离的情况下，这意味着在所示实施方式中，第一可移动透镜56和第二可移动透镜54之间的操作光束14是发散的。
例如通过激活滑动机构72或通过控制单元70控制的第一可移动透镜56的相应滑动运动，通过减小第一可移动透镜56和第一窗口12之间的距离，可以减小聚焦装置16的成像比率。这导致操作光束14的焦点直径的尺寸减小，使得入射在工作区域18上的工作光束的光束强度增加。通过增加第一可移动透镜56和第一窗口12之间的距离，可以实现操作光束14的焦点直径的相应增大。因此，工作区域18上的光束强度减小。
可以调节第二可移动透镜54的位置，使得由第一可移动透镜56和第二可移动透镜54产生的第一窗口12的虚像与固定透镜52的物侧主平面相距一定距离，根据透镜方程，考虑固定透镜52的焦距对应于固定透镜52的像侧主平面与期望焦点位置之间的距离，期望焦点位置即为工作表面18。换言之，由第一可移动透镜56和第二可移动透镜54产生的第一窗口12的虚像与固定透镜52的物侧主平面相距一定距离，该距离对应于使得由透镜方程所得的固定透镜52的焦点和像侧主平面之间的距离与匹配期望焦点位置的距离相等的距离。
在图2所示的实施方式中，第一可移动透镜56的焦距为63mm，而第二可移动透镜54的焦距为68mm。固定透镜52的焦距为126mm。第一可移动透镜56和第二可移动透镜54的位置可以由控制单元70在11mm的调节范围内控制和确定，使得第一可移动透镜56和第二可移动透镜54之间的距离可以在564mm和586mm之间变化。另外，第一可移动透镜56和第一窗口12之间的距离可以在60mm和71mm之间的范围内调节。
在一个示例性实施方式中，工作区域可以具有200×200mm2至600×600mm2优选地高达500×500mm2的任何尺寸，其中可以使用聚焦装置16来适应工作区域的相应尺寸。
在图1和图2的实施方式中，可移动透镜54、56也可以控制为使得它们沿着操作光束路径在相反方向上移动，使得仅焦点直径改变，而焦点位置或从距离焦点至XY偏转装置22的距离不会改变。换言之，可以在不改变光束焦散的同时改变焦点直径。可移动透镜54、56可以定位成使得在操作光束直径变化的情况下保持焦点位置，反之亦然。
上述两种控制也可以相互组合，从而可以确保取决于相应的工作距离和由XY偏转装置22的电流设定所指定的当前偏转角或扫描角，操作光束在整个扫描过程中聚焦在工作表面18上，其中，同时在整个扫描过程中焦点直径可以独立于焦点位置而变化。这允许非常灵活和有利的工艺设计，因为操作光束在工作表面18上的强度可以快速且以受控的方式适应，以适应改变的工艺条件或要求，诸如增材组装过程中改变的粉末粒度或修改的扫描速度。
在其他不太优选的实施方式中，聚焦装置16也可以仅包括一个可移动透镜以用于调节焦距。
根据本发明的偏转单元10的上述结构允许激光加工工艺的特别有利的组合性能，例如通过在粉末床中熔融、烧结或熔化粉末颗粒的增材制造以及同时借助于相机30对激光工作工艺的过程观察和监测。
下面将更详细地解释偏转单元10的操作原理和优点。
布置在成像光束路径和图像光束路径二者中的光学元件20反射操作光束14的波长，并且对成像光束32的波长至少部分地透明。结果是，在与操作光束路径上的操作光束14相反的方向上通过第二窗口24初始进入偏转单元10的成像光束32在空间上与操作光束14分离，并且在分离之后，经由光学设备39前进到相机30。换言之，当在操作光束14的光束方向(下游方向)上观察时，成像光束路径和操作光束路径在光学元件20的后面并且在与操作光束14相反的光束方向(上游方向)上叠加，并在光学元件20后面分开。
在一些实施方式中，光学元件(20)不仅至少部分地反射第一波长，而且至少部分地反射第一波长范围，和/或不仅至少部分地透射另一第二波长，而且至少部分地透射一个或多个其他波长范围。这些一个或多个其他波长范围可以低于和/或高于第一波长范围或第一波长。
在图1的示例中，光学元件20包括在成像光束路径中倾斜的平面平行板。在垂直于平面平行板的表面与成像光束路径之间的角度可以是例如45°。
在一些实施方式中，光学元件20反射的操作波长在1020nm和1080nm之间的范围内，例如1070nm。在一些实施方式中，成像光束32由照明装置(图1中未示出)提供，该照明装置可在操作光束路径周围布置在XY偏转装置22下方，并且照亮工作表面18。在一些实施方式中，使用850nm的照明波长，对于该波长，光学元件20是透明的或者是至少部分透射的。
在示例性实施方式中，对于1070nm的波长，光学元件20在45°的反射率超过99％，并且在400nm至900nm的波长范围内的透射率>20％，优选地>70％，特别优选地>90％，以及对于波长范围为1300nm至2100nm的透射率为>20％，优选地>70％，特别优选地>90％。由于还可以透射除例如850nm的照明波长之外的波长，因而可以观察和记录将在下面进一步讨论的其他特性。
由于操作光束路径和成像光束路径在光学元件20的下游方向上叠加，因而XY偏转装置22同时用于扫描操作光束14，并用于将从相应操作区域34的位置反射到XY偏转装置22的成像光束32偏转到相机30。结果是，在操作过程期间，相机30的视场与操作光束14共同并同步地扫描在工作表面18上，使得相应操作区域34以相机30的视场在工作表面18上的尺寸再现在相机芯片上，并且可以在线监测和控制过程的进程。
应该指出的是，(其中操作光束14的聚焦是可能的)“相机视场”、“工作区域”和“工作距离”的量由偏转单元限定，并且不依赖于工作表面18的存在。相机视场和工作区域对应于相对于入射光束或出射光束的角度范围，其中，这些角度范围各自对应于给定工作距离处的表面区域。
在扫描过程期间，如前所述，可以使用聚焦装置16灵活地设计和改变操作过程，具体地，工作表面18上的平面场补偿和焦斑尺寸的变化可以彼此独立地执行。应指出的是，在非平面表面18上，聚焦装置16还可以确保在扫描期间焦点位于工作表面18上，并且可以独立于焦点位置放大和缩小。
以类似的方式，经由可移动透镜44的相应控制，可以在扫描期间进行成像光学系统40的焦距的改变。这使得对于XY偏转装置22在扫描期间的不同偏转角度以及偏转单元10和工作表面18之间的不同工作距离，能够在各种情况下设定和调节焦距，使得工作区域34在距XY偏转装置22的不同距离处以锐聚焦的方式成像在相机芯片上。换言之，成像光学系统40的光学设备39允许图像平面始终与芯片平面重合，因此，相应的工作区域可以以高空间分辨率清晰地成像在相机芯片的平面上。
在本说明书中，光学设备39和聚焦装置16涉及元件，该元件布置在分离的光束路径中的一个中，即在光学元件20的上游方向上，而不管在光学元件20的下游方向上在操作光束路径和成像光束路径中是否共同布置另外的透镜，该透镜在影响操作光束14的聚焦和成像光束32的准直的同时，不在时间上修改或调整它们。
因为光学设备39和聚焦装置16在空间上彼此分开，并且各自仅布置在成像光束路径中或仅布置在操作光束路径中，因而借助于聚焦装置16调节操作光束14不对待成像的成像光束32具有任何影响，以及通过光学设备39调节成像不会影响操作光束14。作为这种脱离联接的结果，操作过程及其观察可以同时并且彼此独立地变化，不需要考虑用于控制聚焦装置16的光学设备39的控制，反之亦然。这意味着操作过程以及监测可以同时彼此结合地、更有效、更灵活、更稳健地并以更大的容错性来执行。
由于成像光束32透射通过在成像光束路径中倾斜的光学元件20，因而可能导致例如像散形式的光学失真。结果是，操作区域34在相机芯片上的图像的空间分辨率可能降低。补偿元件36用于补偿这种光学失真。
在图1的偏转单元10中，其中，光学元件20包括平面平行板，补偿元件36还包括具有用于成像光束32的相应光学厚度的平面平行板，补偿元件布置在成像光束路径中，以与光学元件20具有相同的倾斜度但相对于光学元件20绕成像光束路径的光轴旋转约90°的角度。换言之，由光学元件20的表面法线和成像光束的光轴在光学元件20的位置处形成的平面垂直于由补偿元件36的表面法线和成像光束的相同光轴在补偿元件36的位置处形成的平面。这使得能够补偿或至少减少失真，并且使得待成像的操作区域34至少近似无失真，从而使得可以改进过程监测的空间分辨率。
补偿元件36和/或光学元件20相对于成像光束的光轴的倾斜度可以是例如45°。
在偏转单元10中，在300mm的工作距离处，相机的视场具有6mm×8mm的尺寸。该芯片具有2/3英寸或8.8mm×6.6mm的尺寸，并具有1280×1024的像素。因此，像素分辨率约为6μm。发明人发现，对于增材制造领域的优选应用，这允许实现过程监测的空间图像分辨率与时间分辨率之间的最佳折衷。确实如此的是，对于大量像素与更大的成像路径长度和更大的芯片相结合或者与更复杂的成像光学器件相结合，空间分辨率可以进一步增加。然而，尽管像素数量增加，但时间分辨率会变差。
工作距离是在操作过程期间第二窗口24和工作表面18之间的距离。使用成像光学系统40将尺寸为6mm×8mm的操作区域34成像在8.8mm×6.6mm的相机芯片上，其中，成像比率(＝(6mm×8mm)/(8.8mm×6.6mm))约为0.8。成像光束32从进入成像光学系统40即从透镜42行进直到撞击相机芯片的成像路径长度是480mm。该仅为480mm的成像路径长度允许尺寸为6mm×8mm的操作区域34以约为15μm的光学分辨成像在具有不太复杂和稳健的光学系统的相机芯片上。虽然较大的成像路径长度确实允许较高的空间光学分辨率，但是它不允许偏转单元10的这种紧凑设计。上述成像路径长度允许足够优化的图像清晰度，具体为芯片上足够高的光强度或辐照度。
480mm的成像路径长度在紧凑设计、工作距离处的足够大的相机视场、操作过程期间足够高的图像采集速率以及非常高的空间分辨率下的成像之间提供特别有利的折衷。该成像路径长度允许足够优化的图像清晰度以及具体地足够高的光强度以照射芯片。
在激光操作过程中，具体是在基于激光的增材组装过程中，6mm×8mm的区域足够大，以在足够大的过程环境下观察过程本身。
为了获得良好的结构表示，成像结构应是空间分辨率的至少两倍大。因此，15μm的光学分辨率允许在空间上分辨尺寸大至约30μm的结构。这在使用粒径可以低至45μm但通常不低于该值的粉末的增材制造工艺中特别有利。因此，480mm的成像路径长度提供了必要的空间分辨率，以便对这种操作过程进行可靠和准确的空间评估。
同时，仅480mm的成像路径长度允许偏转单元10的高紧凑性，这尤其对于并行操作模式是必需的。在并行操作中，多个偏转单元同时参与共同组装过程，并且为此，该多个偏转单元必须彼此相对靠近地布置。
通过480mm的成像路径长度与2/3英寸的相机芯片的组合实现的图像记录的高速度对于基于激光的增材制造工艺也是特别有利的。在粉末颗粒或其他材料上扫描操作光束的扫描速度可以是相对较高的，例如4m/s，因此需要高图像采集速率来不间断地监测该过程。
相机30包括例如具有1kHz至2kHz的图像采集速率的高速CMOS相机。为了在长时间内连续且持续地维持高图像采集速率，相机30可以连接至帧捕捉器。
照明优选地闪光，并且还与相机30的图像记录同步。偏转单元10中闪光的持续时间优选地长于相机30的图像采集周期。这意味着每个闪光均可以均匀地照亮可用于由偏转单元10处理的整个工作区域，并且可以以足够高的亮度记录同时只能形成照明区域的小区域的每个图像。
另外，照明的关闭时间优选地大于照明的开启时间。这允许避免强度过大的加热。这有助于延长使用寿命并提高过程可靠性。
优选使用的工作区域的总区域的静态，即未扫描的同时照明允许整个工作区域的稳健操作和均匀照明条件。
偏转单元10还优选地包括一个或多个控制单元(未示出)，该控制单元配置为根据XY偏转单元22的设置来控制聚焦装置16和光学设备39和/或调节或控制工作距离，因此如上所述，控制操作过程和监测过程。
除了使用相机30的过程监测之外，图1的偏转单元10还包括借助于光电二极管58的附加监测能力。光电二极管58布置在第二光学元件38的后面，光电二极管在空间上将成像光束路径分成到达相机30的第一光束路径和到达光电二极管58的第二光束路径。在这种情况下，如上所述可以是例如850nm的照明波长被第二光学元件38反射，由第一光学元件20透射的其他波长也由第二光学元件38透射，使得它们可以使用光电二极管58进行集体检测。
在示例性实施方式中，第二光学元件38在820nm至870nm的波长范围内并且在45°的入射角处具有超过99％的反射率，在400nm至700nm的波长范围内具有超过94％的透射率，以及在1200nm至2100nm的波长范围内具有超过93％的透射率。这意味着光电二极管58可以用于监测在这些波长范围(400-700nm和1200-2100nm)或其部分中在操作过程的位置产生多少辐射强度，这允许监测操作过程的其他属性和参数。
在其他实施方式中，代替光电二极管58，可以提供其它检测装置，例如高温计、对可见光和红外波长范围敏感的VIR相机和/或用于产生辐射图或热图的多光谱相机、热图像传感器或光学相干层析成像装置。
在这样的实施方式中，其中，所述其它检测装置包括光学相干层析成像装置，可以通过光学相干层析成像装置发射第一部分照明光束通过第二光学元件38来执行相干检测，第一部分照明光束在通过第一光学元件20之后与操作光束叠加，并且在从工作表面18反射之后被重新引导回光学相干层析成像装置。在那里，被反射的第一部分照射光束与第二部分照射光束叠加，并且使用光电二极管检测干涉图案。根据对干涉图案的分析，可以确定表面形貌。在这种情况下，可以在操作过程之前和之后立即确定表面形貌，从而允许提供操作过程的附加监测能力。
其他实施方式仅包括用于过程监测的相机30，并且没有光电二极管58，也没有用于附加过程监测的任何其他检测器装置。在这些实施方式中，第二光学元件38可以由镜子形成，该镜子仅反射但不透射。
根据本发明的偏转单元的未示出的其他实施方式仅包括用于过程监测和/或过程观察的光学相干层析成像装置，即，其作为第一检测装置替代图1中所示的相机30。因此，这些实施方式不需要光电二极管58或用于附加过程监测的任何其他检测器装置。在这些实施方式中，第二光学元件38可以由镜子形成，该镜子仅反射但不透射。可以如前所述地执行相干检测，但不同之处在于，由光学相干层析成像装置发送的第一部分照明光束并不被第二光学元件38透射，而是在此被反射，以便然后被转向到工作表面18的方向。
图3示出了这种偏转单元110的截面视图，该偏转单元110仅具有用于过程监测的相机30。如图3所示，经由使用偏转镜48、50在成像光学系统40内的成像光束路径的偏转，能够实现具有尽可能小的成像路径长度的偏转单元110的更紧凑的设计，这提供了先前的描述的优点。
图4示出了根据另一实施方式的偏转单元210的截面图，与偏转单元10相反，代替光电二极管58而包括可用于汇集过程环境的热图的热图像传感器。图4中所示的相机模块62包括先前描述的光学设备39和相机30。代替相机模块62，还可以提供OCT模块，OCT模块包括OCT和先前描述的光学设备39。
图5示出了包括照明装置64的偏转单元110的外视图，该照明装置64围绕操作光束路径环形地布置，例如呈圆环形、呈方形环形或不同的环形形状，并且配置成均匀地并以闪光模式通过第二窗口24照亮工作表面18。第二窗口24包括保护玻璃，保护玻璃通过支架66保持在支承框架68内。支承框架68可包括水冷却系统，以保护偏转单元10的内部免于被过度加热。
如图5所示，照明装置64优选地布置在外部，即，布置在偏转单元110的内部之外，使得照明光束不通过偏转单元110或者不通过其内部照亮工作表面18。另外，照明装置64相对于偏转单元110的壳体静态安装，并且不扫描照明光束。这使得能够在偏转单元110内防止或减少散射辐射和加热，并且可以使该过程更加稳健和可靠。
图6示出了四个偏转单元110的平面图，这四个偏转单元110并排布置，以用于并行操作。在所示的布置中，相邻偏转单元110的工作区域无缝地彼此邻接，并且甚至可以在过渡区域中部分地重叠。这意味着可以组合偏转单元的工作区域以形成整个工作区域，该整个工作区域可以达单个工作区域的4倍。在组合的总工作区域上，在并行操作模式中，每个偏转单元110均可以处理其自己的子区域，以产生相对大的部件的相应部分。通过偏转单元110中的每个均具有在平面图中延伸超出偏转单元110的投影表面到达工作区域的平面的工作区域，使得这种布置和相应的并行工作能力成为可能。使用多个偏转单元在较大工作区域上的并行操作允许在更短的时间内生产更大的部件。
图7示出了并行工作的另一选项。图7示出了两个偏转单元110的平面图，这两个偏转单元彼此相邻布置，使得它们的工作区域覆盖在公共工作区域上，该公共工作区域可以被两个偏转单元110共同和同时处理。偏转单元的设计可以是如此紧凑，具体地，偏转单元110在平面图方向上的投影表面也称为“足迹”，与工作区域相比可以是如此之小，工作区域可以延伸到足迹之外很远，使得公共叠加工作区域对应于偏转单元110的工作区域的尺寸的至少50％。在一些实施方式中，公共叠加工作区域甚至可以包括单个工作区域面积的70％或更多。因此，偏转单元可以特别有效地用于加速制造部件，这些部件也可以用单个偏转单元生产，但并不能在这么短的时间内生产或以这种良好的质量进行生产。
在其他实施方式中，偏转单元在工作区域的平面上的投影表面也可以完全位于工作区域内。与图6和图7所示的不同，这些偏转单元可以布置为使得它们的工作区域在所有四个侧部上与这些偏转单元中的另一个的工作区域重叠。
应该指出的是，上述实施方式仅作为本发明的示例提供，本发明不限于此。本发明的保护范围仅由所附权利要求限定。
附图标记的说明
10、110、210 偏转单元
12 第一窗口
14 操作光束
16 聚焦装置
18 工作表面
20 光学元件
22 XY偏转装置
24 第二窗口
26 第一扫描镜
28 第二扫描镜
30 相机
32 成像光束
34 操作区域
36 补偿元件
38 第二光学元件
40 成像光学系统
39 光学设备
42、44、46 透镜
48、50 偏转镜
52、54、56 透镜
58 光电二极管
60 热图像传感器
62 相机模块
64 照明装置
66 支架
68 支承框架
70 控制单元
72 手动滑动机构
74 手动滑动机构

Claims (52)

1.偏转单元（10、110、210），包括：
- 第一窗口（12），光学操作光束（14）能够通过所述第一窗口（12）进入所述偏转单元，
- 第二窗口（24），所述操作光束能够通过所述第二窗口（24）从所述偏转单元离开，并且检测光束（32）能够沿着新出现的操作光束（14）的相应轨迹并在与所述操作光束（14）相反的方向从操作区域（34）通过所述第二窗口（24）进入所述偏转单元，
- 光学元件（20），至少部分地反射第一波长，
其中，所述偏转单元：
- 限定所述操作光束（14）经由所述光学元件（20）处的反射从所述第一窗口（12）到所述第二窗口（24）所经过的操作光束路径，以及
其中，所述偏转单元还包括：
-XY偏转装置（22），布置在所述第二窗口（24）和所述光学元件（20）之间的操作光束路径中，以偏转所述操作光束（14），并扫描已经出现的操作光束，以及
- 聚焦装置（16），用于聚焦所述操作光束（14），其中，所述聚焦装置具有可变焦距，并且布置在所述第一窗口（12）和所述光学元件（20）之间的操作光束路径中，其中，所述聚焦装置（16）包括第一可移动透镜（56）、第二可移动透镜（54）和固定透镜（52），其中，所述第二可移动透镜（54）在所述操作光束的光束方向上布置在所述第一可移动透镜（56）之后，以及其中，所述固定透镜（52）在所述操作光束的光束方向上布置在所述第一可移动透镜（56）和所述第二可移动透镜（54）之后。
2.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述聚焦装置（16）配置为根据所述XY偏转装置（22）的设置和/或工作距离来改变所述焦距，其中，所述工作距离对应于所述第二窗口（24）与所述第二窗口（24）下方的工作表面（18）之间的距离，在所述工作距离，所述偏转单元（10、110、210）能够处理和观察所述工作表面（18）上的平坦工作区域。
3.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述聚焦装置（16）配置为沿着所述操作光束路径共同移动所述第一可移动透镜（56）和所述第二可移动透镜（54）。
4.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述聚焦装置（16）配置为改变所述操作光束（14）的聚焦直径，而不同时改变焦点位置。
5.根据权利要求4所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述聚焦装置包括多个可移动透镜（54、56），并且配置为同时彼此独立地移动至少两个可移动透镜（54、56）。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述第一可移动透镜（56）的物侧主平面与所述第一窗口之间的距离与所述第一可移动透镜（56）的焦距相差不超过50％。
7.根据权利要求3至5中任一项所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述第一可移动透镜（56）的物侧主平面与所述第一窗口之间的距离与所述第一可移动透镜（56）的焦距相差不超过30％。
8.根据权利要求3至5中任一项所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述第一可移动透镜（56）的物侧主平面与所述第一窗口之间的距离与所述第一可移动透镜（56）的焦距相差不超过10％。
9.根据权利要求3至5中任一项所述的偏转单元（10、110、210），其中，选择所述第一可移动透镜（56）和所述第二可移动透镜（54）之间的距离，使得由所述第一可移动透镜（56）和所述第二可移动透镜（54）产生的虚像的轴向位置能够在对应于所述第二可移动透镜（54）的调节范围的范围内变化，其中，所述第二可移动透镜（54）能够在所述调节范围内沿着所述操作光束路径移动。
10.根据权利要求3至5中任一项所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述第一可移动透镜（56）具有正焦距，所述第二可移动透镜（54）具有负焦距，以及所述固定透镜（52）具有正焦距。
11.根据权利要求3至5中任一项所述的偏转单元（10、110、210），其中，选择所述第一可移动透镜（56）和所述第二可移动透镜（54）的焦距和位置，使得所述聚焦装置（16）没有位于所述第一可移动透镜（56）和所述固定透镜（52）之间的焦点。
12.根据权利要求3至5中任一项所述的偏转单元（10、110、210），还包括控制单元，所述控制单元配置为控制所述第一可移动透镜（56）和所述第二可移动透镜（54）沿着所述操作光束路径的移位。
13.根据权利要求3至5中任一项所述的偏转单元（10、110、210），还包括一个或多个滑动机构（72、74），所述滑动机构配置成用于沿着所述操作光束路径手动移位所述第一可移动透镜（56）和/或所述第二可移动透镜（54）。
14.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述光学元件（20）具有以下光学特性中的一个或多个：
- 对于1020 nm和1080 nm之间的操作波长，反射率≥80％，
- 对于400 nm至900 nm之间的波长，透射率> 20％，
- 对于1300 nm至2100 nm之间的波长，透射率> 20％。
15.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述光学元件（20）具有以下光学特性中的一个或多个：
- 对于1020 nm和1080 nm之间的操作波长，反射率≥90％，
- 对于400 nm至900 nm之间的波长，透射率> 70％，
- 对于1300 nm至2100 nm之间的波长，透射率> 70％。
16.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），配置为用于在一个或多个工作距离下进行加工，所述工作距离在238 mm和850 mm之间，其中，所述工作距离对应于所述第二窗口（24）与所述第二窗口（24）下方的工作表面（18）之间的距离，在所述工作距离，所述偏转单元（10、110、210）能够处理和观察所述工作表面（18）上的平坦工作区域。
17.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），配置为用于在一个或多个工作距离下进行加工，所述工作距离在238 mm和671 mm之间，其中，所述工作距离对应于所述第二窗口（24）与所述第二窗口（24）下方的工作表面（18）之间的距离，在所述工作距离，所述偏转单元（10、110、210）能够处理和观察所述工作表面（18）上的平坦工作区域。
18.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），配置为用于在一个或多个工作距离下进行加工，所述工作距离在300 mm和548 mm之间，其中，所述工作距离对应于所述第二窗口（24）与所述第二窗口（24）下方的工作表面（18）之间的距离，在所述工作距离，所述偏转单元（10、110、210）能够处理和观察所述工作表面（18）上的平坦工作区域。
19.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），具有尺寸为200×200 mm2至600×600 mm2的工作区域。
20.根据权利要求19所述的偏转单元（10、110、210），所述偏转单元的尺寸确定并设计为使得在操作方向上，所述偏转单元在所述工作区域的平面上的投影表面在至少一侧、至少两侧、至少三侧和/或四侧上在所述工作区域上延伸。
21.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），所述偏转单元的尺寸确定并设计为使得这些偏转单元中的四个能够布置为使得对于一个或多个工作距离，它们的工作区域连接在一起，以形成不间断的、单个工作区域的3.5倍至4倍的平坦总工作区域，其中，所述工作距离对应于所述第二窗口（24）与所述第二窗口（24）下方的工作表面（18）之间的距离，在所述工作距离，所述偏转单元（10、110、210）能够处理和观察所述工作表面（18）上的平坦工作区域。
22.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），所述偏转单元的尺寸确定并设计为使得这些偏转单元中的两个能够布置为使得它们的工作区域叠加在公共工作区域上，其中，所述公共工作区域的表面积至少等于每个单个工作区域的表面积的50％。
23.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），所述偏转单元的尺寸确定并设计为使得这些偏转单元中的两个能够布置为使得它们的工作区域叠加在公共工作区域上，其中，所述公共工作区域的表面积至少等于每个单个工作区域的表面积的60％。
24.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），所述偏转单元的尺寸确定并设计为使得这些偏转单元中的两个能够布置为使得它们的工作区域叠加在公共工作区域上，其中，所述公共工作区域的表面积至少等于每个单个工作区域的表面积的70％。
25.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），其中，
- 所述光学元件（20）另外至少部分地透射至少一个其他第二波长；
其中，所述偏转单元（10、110、210）还包括第一检测装置，其中，所述偏转单元还：
- 限定检测光束路径，所述检测光束（32）经过所述检测光束路径从所述第二窗口（24）到所述第一检测装置，其中，所述检测光束（32）至少部分地被所述光学元件（20）透射，以及
- 包括光学设备（39），所述光学设备（39）布置在所述光学元件（20）和所述第一检测装置之间的检测光束路径中，并且配置为改变所述检测光束（32）的焦距；
其中，所述XY偏转装置（22）布置在所述操作光束路径中，并且布置在所述第二窗口（24）和所述光学元件（20）之间的检测光束路径中，以便偏转所述操作光束，并扫描新出现的操作光束，同时使所述检测光束（32）偏转，使得它们经过所述检测光束路径通过所述光学元件（20）到达所述第一检测装置。
26.根据权利要求25所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述光学元件（20）倾斜地布置在所述检测光束路径中，并且所述偏转单元还包括光学补偿元件（36），所述光学补偿元件（36）位于所述光学元件（20）和所述第一检测装置之间的检测光束路径中，所述光学补偿元件至少部分地补偿由于通过倾斜的所述光学元件（20）的透射引起的光学失真。
27.根据权利要求26所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述光学元件（20）由第一平面平行板形成，以及所述光学补偿元件（36）由第二平面平行板形成，所述第一平面平行板和所述第二平面平行板二者相对于所述检测光束路径倾斜。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述光学设备（39）配置成用于根据所述XY偏转装置（22）的设置和/或工作距离来调节准直、焦点或光束扩展，其中，所述工作距离对应于所述第二窗口（24）与所述第二窗口（24）下方的工作表面（18）之间的距离，在所述工作距离，所述偏转单元（10、110、210）能够处理和观察所述工作表面（18）上的平坦工作区域。
29.根据权利要求25所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述第一检测装置是相机（30）或包括相机（30），并且所述偏转单元包括用于将所述操作区域（34）成像在所述相机（30）上的成像光学器件（40），其中，所述成像光学器件（40）包括所述光学设备（39），以及所述光学设备（39）配置为改变所述成像光学器件（40）的焦距。
30.根据权利要求29所述的偏转单元（10、110、210），其中，在工作距离处所述操作区域（34）的成像区域与相机芯片的表面区域的成像比率具有在1.7至0.5之间的值，其中，所述工作距离对应于所述第二窗口（24）与所述第二窗口（24）下方的工作表面（18）之间的距离，在所述工作距离，所述偏转单元（10、110、210）能够处理和观察所述工作表面（18）上的平坦工作区域。
31.根据权利要求29所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述相机（30）具有尺寸为2/3英寸或8.8 mm×6.6 mm的芯片，所述芯片具有1280 ×1024个像素，以及其中，在工作距离处所述操作区域（34）的成像表面区域具有6 mm×8 mm和10.5 mm×14 mm之间的尺寸，其中，所述工作距离对应于所述第二窗口（24）与所述第二窗口（24）下方的工作表面（18）之间的距离，在所述工作距离，所述偏转单元（10、110、210）能够处理和观察所述工作表面（18）上的平坦工作区域。
32.根据权利要求30所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述检测光束（32）从进入所述成像光学器件（40）到所述相机芯片所经过的成像路径长度在400 mm和700 mm之间。
33.根据权利要求30所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述检测光束（32）从进入所述成像光学器件（40）到所述相机芯片所经过的成像路径长度在420 mm和600 mm之间。
34.根据权利要求30所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述检测光束（32）从进入所述成像光学器件（40）到所述相机芯片所经过的成像路径长度在450 mm和510 mm之间。
35.根据权利要求29或30所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述相机（30）允许成像采集速率≥500Hz。
36.根据权利要求29或30所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述相机（30）允许成像采集速率≥1kHz。
37.根据权利要求29或30所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述相机（30）允许成像采集速率≥1.5kHz。
38.根据权利要求29或30所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述相机（30）允许成像采集速率≥2kHz。
39.根据权利要求29所述的偏转单元（10、110、210），其还包括照明装置（64），以便同时以第二波长照亮整个工作区域。
40.根据权利要求39所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述照明装置配置成用于闪光照明。
41.根据权利要求40所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述照明装置闪光以使得在一次闪光期间，图像均由所述相机（30）记录，并且所述闪光持续时间大于或者等于所述相机（30）的图像采集周期，以及其中，所述光的关闭时间大于或等于所述光的接通时间。
42.根据权利要求29或30所述的偏转单元（10、110、210），还包括帧捕捉器，所述相机（30）连接至所述帧捕捉器。
43.根据权利要求25所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述第一检测装置是光学相干层析成像装置或包括光学相干层析成像装置。
44.根据权利要求25所述的偏转单元（10、110、210），还包括第二光学元件（38）和第二检测装置，其中，所述第二光学元件（38）：
- 布置在所述光学元件（20）和所述第一检测装置之间的图像光束路径中，
- 至少部分地反射所述第二波长，以前进到所述第一检测装置，
- 至少部分地透射其他波长，以前进到所述第二检测装置。
45.根据权利要求44所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述第二光学元件（38）具有以下光学特性中的一个或多个：
- 对于630 nm和670 nm之间或820 nm和870 nm之间的照明波长，反射率≥80％，
- 对于400 nm和700 nm之间的波长，透射率> 20％，
- 对于1300 nm至2100 nm之间的波长，透射率> 20％。
46.根据权利要求44所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述第二光学元件（38）具有以下光学特性中的一个或多个：
- 对于630 nm和670 nm之间或820 nm和870 nm之间的照明波长，反射率≥90％，
- 对于400 nm和700 nm之间的波长，透射率> 70％，
- 对于1300 nm至2100 nm之间的波长，透射率> 70％。
47.根据权利要求44所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述第二检测装置包括光电二极管（58）、高温计、第二相机、热图像传感器和/或光学相干层析成像装置。
48.根据权利要求47所述的偏转单元（10、110、210），其中，所述第二相机为VIR相机（60）和/或用于汇集辐射图和/或热图的多光谱相机。
49.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），所述偏转单元用于增材制造。
50.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210），所述偏转单元用于“直接粉末熔融”、光聚合和/或“直接能量沉积”。
51.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210）的用途，用于增材制造。
52.根据权利要求1所述的偏转单元（10、110、210）的用途，用于“直接粉末熔融”、光聚合和/或“直接能量沉积”。
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