CN111065900A - 确定和修正激光束的射束方位的射束方位测量系统和方法 - Google Patents
确定和修正激光束的射束方位的射束方位测量系统和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111065900A CN111065900A CN201880058662.0A CN201880058662A CN111065900A CN 111065900 A CN111065900 A CN 111065900A CN 201880058662 A CN201880058662 A CN 201880058662A CN 111065900 A CN111065900 A CN 111065900A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- orientation
- position sensor
- laser beam
- shaper
- laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims description 19
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 80
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 47
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims description 19
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 12
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 12
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 4
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 2
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
- B23K26/702—Auxiliary equipment
- B23K26/705—Beam measuring device
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
- B23K26/042—Automatically aligning the laser beam
- B23K26/043—Automatically aligning the laser beam along the beam path, i.e. alignment of laser beam axis relative to laser beam apparatus
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/0014—Monitoring arrangements not otherwise provided for
Abstract
本发明涉及一种用于确定激光束的射束方位的设备和方法,其具有用于将副射束从所述激光束耦合输出的分束器和布置在所述副射束中的光学位置传感器。在此设置了:在所述副射束的光路中或者在所述激光束的光路中,在所述分束器之前布置有射束成形器;所述副射束的强度轮廓通过所述射束成形器来成形,并且成像到所述光学位置传感器上;利用光学位置传感器,在所述位置传感器上可确定所成形的副射束的强度分布和/或所成形的副射束的焦点的方位;并且所述设备构造为,从利用光学位置传感器检测到的强度分布和/或从所成形的副射束的焦点的方位确定激光束的射束方位。所述设备和所述方法使得能够精确识别出激光束的射束方位误差。
Description
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的相应的前序部分所述的一种用于确定激光束的射束方位(Strahllage)的射束方位测量系统和一种用于确定和修正激光束的射束方位的方法。
背景技术
在激光束源中,在激光器运行中例如可能出现不期望的热效应,由于所述热效应,输出辐射在角度和位置方面的方位或者射束直径改变。可是,在激光技术的许多应用领域中,例如在材料加工中,要求高的指示稳定性。入射到工件上的激光束的任何位置或者角度误差都会对进行剥离的激光光斑的定位准确度发生作用,并且由此使加工的精准劣化。在输入射束的直径方面的偏差对激光束在加工平面中的焦点直径或强度分布发生作用,并且以此也对加工结果发生作用。
为了能够识别出和补偿或纠正激光束的射束方位的偏差,已知了射束方位测量系统,其中副射束(Nebenstrahl)从激光束中耦合输出,并且输送给光学位置传感器,用于进行方位确定。为了能够不仅证实激光束的横向移位而且证实激光束的传播方向的偏差,不利地需要两个分开的副射束,所述副射束分别输送给光学位置传感器。
为了进行射束成形,示例性地在离轴照明中,针对光刻或者激光材料加工、如切割、焊接或者针对消融,采用衍射光学元件(DOE)。由玻璃制成的不可改变的DOE(示例性地借助电子束或者激光光刻来制造)越来越多地通过可编程的射束成形器来替换。用于影响激光束的空间上的(oertlichen)和时间上的强度分布的可编程的射束成形器作为基于液晶的“空间光调制器(SLM,Spatial Light Modulator)”或者作为呈可动镜的一维或者二维布置形式的“数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device)”而是已知的。空间光调制器通过改变光学路程长度或者折射率来引起空间上的相位改变。在知晓输入射束的特性的情况下,可以利用所述特性而有针对性地调整输出射束的波前的所期望的形状。借助SLM,在激光加工设施的工作面上的远场中,也可以调整激光束的所期望的强度分布,并且以此调整所期望的射束形状。
发明内容
本发明的任务是提供一种设备和一种方法,利用所述设备和所述方法使得能够准确且快速地识别出激光束的射束方位的偏差。
本发明的涉及射束方位测量系统的任务通过如下方式来解决:在副射束的光路中或者在激光束的光路中,在分束器之前布置有射束成形器;副射束的强度轮廓(Intensitaetsprofil)通过射束成形器来成形;所成形的辐射束成像到光学位置传感器上;利用光学位置传感器,在位置传感器上可以确定所成形的副射束的强度分布和/或所成形的副射束的焦点的方位和/或副射束的方位;并且射束方位测量系统构造为,从利用光学位置传感器检测到的强度分布和/或从所成形的副射束的焦点的方位和/或从副射束的方位,在位置传感器上确定激光束的射束方位。射束成形的结果相对于未成形的射束射中射束成形器的位置非常敏感。如果激光束或者副射束没有在设置的位置射中射束成形器,则所成形的副射束的强度分布在位置传感器上非常强烈地改变。那么,利用位置传感器检测到的强度轮廓不再与所期望的强度轮廓相一致,所期望的强度轮廓如利用正确对准地射到射束成形器上的激光束或者副射束所获得的那样。此外,根据激光束的射束方位,焦点的如下方位改变:在该方位,所成形的副射束成像在位置传感器上。从利用位置传感器确定的强度分布和/或焦点的方位,因此可以确定关于激光束的射束方位的信息。由此,对于包括这种射束方位测量系统的激光加工设施而言,得到特别的优点,以便取得对射束偏差的查明和快速的修正可能性。以这种方式,可以明显提升或改进激光加工设施的加工准确度。
优选地可以设置,作为射束方位可以确定激光束的横向位置和/或激光束的至少传播角度和/或激光束的直径。从利用位置传感器检测到的强度轮廓相对于所期望的强度轮廓的偏差,可以非常准确地确定入射的激光束的射束位置。这样,从所成形的副射束的焦点中的射束轮廓的改变,计算入射的激光束的在微米范围中的射束位置。从成像到位置传感器上的副射束的焦点的方位的偏差,可以测定入射的激光束的传播角度。附加地,也可以从副射束的焦点中的强度分布,算出入射的激光束的直径的改变。激光束的直径的这种改变造成射束轮廓的特征性改变。该特征性改变可以明确地不同于由于横向错移的激光束带来的射束轮廓的改变。因此,相对于已知的射束方位传感器,可以利用根据本发明的射束方位测量系统,唯一地在一个位置传感器的情况下,除了检测到激光束在X方向和在Y方向上的横向偏差以及传播方向在X方向上偏差角度α或者在Y方向上偏差ß之外,也可以检测到激光束的直径。相对于已知的射束方位测量系统,因此对所需的位置传感器的采用有利地减小到最小。
对副射束或激光束和由此被耦合输出的副射束的合适的射束成形可以通过如下方式来实现:射束成形器优选地构造为可编程的射束成形器。替选地,出于该目的也构造了,将射束成形器用作衍射光学元件,或者用作折射光学元件,或者用作幅度调制器,或者用作组合的幅度和相位调制器。呈衍射或者折射光学元件形式的固定的射束成形器是维护费用低的,并且可以在长时段期间被使用。可编程的射束成形器(例如呈所谓的基于液晶的“空间光调制器(SLM)”形式或者作为呈可动镜的一维或者二维布置形式的“数字微镜器件”)有利地可以被编程为使得:该可编程的射束成形器的成形图案得到副射束的强度分布,所述强度分布易于被评估并且在射束方位与所期望的位置有偏差时快速地改变。成形图案在此可以与相应的光学结构(例如与还未成形的激光束的强度分布)匹配。
为了获得副射束在位置传感器上的成像,可以设置:在射束成形器之后,布置有折射式或者衍射式成像系统,用于将所成形的副射束成像到位置传感器上;或者射束成形器整体上具有用于将所成形的副射束成像到位置传感器上的菲涅尔(Fresnel)透镜的结构;或者射束成形器整体上作为衍射式射束成形器施加在折射透镜上;或者使用具有以折射方式聚焦的特性的折射式射束成形器。尤其是通过将成像系统集成到呈菲涅尔透镜或者衍射式射束成形器与折射透镜的组合形式的射束成形器中,或者通过使用具有以折射方式聚焦的特性的折射式射束成形器,由于节省在其他情况下另外所需的成像系统(透镜),而可以实现射束方位测量系统的成本低廉的结构。
与射束方位有关的射束成形延迟的灵敏度取决于射束成形本身。如果设置了,射束方位测量系统相对于激光束的射束方位的偏差的灵敏度可以通过使用具有不同的成形图案的射束成形器来调整,则针对射束方位的粗略测量和精细测量,可以使用不同的射束成形器。这样,例如在校准过程期间,可以首先粗略地检测和纠正激光束的方位,并且接着非常准确地检测和纠正激光束的方位。采用不同的成形图案尤其是在使用可编程的射束成形器时可以快速地且简单地实现。
激光束的射束方位的自动修正可以通过如下方式能够实现:射束方位测量系统具有用于通过如下方式来独立地修正激光束的射束方位的装置(Mittel):位置传感器的信号输送给控制单元,并且控制单元构造为借助至少一个与控制单元连接的致动器来修正射束方位。致动器可以使在激光束的光路中的光学部件(例如偏转镜或者透镜系统)移位,或者对引导射束的部件或者激光器本身施加其他影响,并且这样补偿射束方位的偏差。
本发明的涉及方法的任务可以通过如下方式来解决:激光束或者副射束被输送给射束成形器;通过射束成形器成形的副射束被成像到光学位置传感器上;并且从所成形的副射束的利用光学位置传感器确定的强度分布和/或从所成形的副射束的焦点的方位,确定激光束的射束方位。射束成形器例如可以构造为可编程的射束成形器,或者构造为衍射光学元件,或者构造为折射光学元件,或者构造为幅度调制器。利用这种射束成形器实现的强度轮廓强烈地取决于:要成形的激光束或副射束是否将射束成形器的成形图案精确地射中所期望的位置。在利用位置传感器检测到的强度轮廓与期望的强度轮廓有偏差时,因此可以简单且快速地推断出激光束的方位与所设置的光学轴线的偏差。在此,依据所检测到的强度分布,可以计算回(zurueckrechnen)到在本发明中的偏差。
根据本发明的特别优选的实施变型方案,可以设置:利用位置传感器确定所成形的副射束的强度分布;从所成形的副射束的强度分布,确定激光束的横向移位和/或确定激光束的直径;和/或从所成形的副射束的焦点在位置传感器上的侧向移位,确定激光束的传播角度。涂覆点的小的横向偏差已导致在所获得的射束轮廓中的明显的偏差。因此,不仅在X方向上而且在Y方向上,以大的准确度可以证实激光束的方位的横向偏差。同样,激光束的直径的改变导致所成形的射束轮廓的明显改变。所述改变可以明确地不同于射束轮廓的在激光束横向错移时获得的改变,并且以此可以不仅定量地而且定性地证实所述改变。激光束的角度偏差导致所成像的副射束的焦点的方位在位置传感器上的移位。因此,在仅仅唯一地使用一个位置传感器的情况下,根据本发明的方法能够实现,不仅证实激光束在X方向上和在Y方向上的横向偏差,而且证实激光束在X方向上和在Y方向上的角度偏差,以及证实了激光束的直径与预先给定的值的偏差。
特别优选地可以设置:激光束具有高斯轮廓;射束成形器使高斯轮廓成形为在位置传感器上的成像平面中具有轴向对称的强度分布的期望的轮廓;并且在对所成形的副射束的强度分布进行非对称地再分布的情况下,在位置传感器上推断出激光束的横向移位;而且在对所成形的副射束的强度分布进行旋转对称地再分布的情况下,在位置传感器上推断出激光束的直径的偏差。激光束与所期望的光学轴线的横向偏差因此可以明确地不同于入射的激光束的直径相对于预先给定的直径的偏差。
根据本发明的射束方位测量系统可以有利地被用于执行根据本发明的方法。
附图说明
在下文,依据在附图中示出的实施例,更详细地阐述了本发明。
图1以示意图示出了用于确定激光束的射束方位的射束方位测量系统,所述射束方位测量系统具有在副射束的光路中的射束成形器,
图2示出了图1中所示的具有在激光束的光路中的射束成形器的射束方位测量系统,
图3示出了所成形的副射束在激光束与光学轴线有不同偏差时的强度轮廓和焦点方位,以及
图4示出了所成形的副射束在入射的激光束的直径不同时的强度轮廓。
具体实施方式
图1以示意图示出了用于确定激光束30的射束方位的射束方位测量系统,所述射束方位测量系统具有在副射束13的光路中(例如在激光加工设施(未示出)之内)的射束成形器13。激光束30由激光器20产生,并且被转向到可调节的第一镜21和随后的可调节的第二镜22上。该实施例中的第一镜21和第二镜22代表可利用控制单元来操控的致动器和/或光学部件,通过所述致动器和/或光学部件,借助控制单元的控制信号可以以经限定的方式来改变射束走向(Strahlverlauf),并且由此改变射束方位。可调节的第一镜21利用第一控制线路26.1与控制单元24连接,并且可调节的第二镜22利用第二控制线路26.2与控制单元24连接。跟随可调节的第二镜22,在激光束30的光路中布置有分束器14。所述分束器14配属给射束方位传感器10。分束器14在本发明构造为具有弱反射的正面和抗反射覆层的背面的玻璃楔形件。可是也可设想的是,设置衍射式分束器14。分束器14将入射的激光束30分成处理射束(Prozessstrahl)31和副射束32。分束器14构造为使得:明确地确定所形成的处理射束31和副射束32彼此间和相对于入射的激光束30的几何方位。未示出的其他子射束可以从激光束30中耦合输出,所述其他子射束对于执行根据本发明的测量方法而言可是并不是必需的。处理射束31被输送给工作过程。在本发明中,处理射束31转向到待加工的工件23上。在此,可以在处理射束的光路中布置未示出的其他光学部件。副射束32输送给射束成形器13。在所示的实施例中,射束成形器13构造为可编程的空间光调制器(SLM)。可是也可设想的是,射束成形器13构造为固定的衍射光学元件(DOE),或者构造为折射式射束成形透镜。同样可设想的是,将射束成形器13构造为幅度调制器。根据本发明的另一可能的实施变型方案,射束成形器13可以实施为呈可动镜的一维或者二维布置形式的“数字微镜器件”。
通过本发明中的衍射式射束成形器13,副射束的波前局部不同地被延迟,并且由此被成形。也可设想的是,将幅度调制器作为射束成形器来采用,其中接着相对应地改变幅度。通过射束成形器13,这样形成所成形的副射束32.1。所成形的副射束32.1被成像到光学位置传感器11上。为此,在所示的实施例中,透镜12布置在所成形的副射束32.1的光路中。射束成形器13、透镜12和光学位置传感器11在本发明配属给射束方位传感器10。光学位置传感器11利用信号线路25与控制单元24连接。光学位置传感器11使得能够二维地以空间分辨的方式(ortsaufgeloest)检测到成像在其测量平面上的所成形的副射束32.1的强度。光学位置传感器在本发明构造为CCD芯片。可是,根据可设想的发明变型方案,光学位置传感器11也可以通过光电二极管、通过CMOS芯片或者通过矩阵传感器在并行评估的情况下来构造。
射束成形器13改变副射束32的射束轮廓。通过射束成形器13进行射束成形的结果在此相对于如下位置非常敏感地作出反应:未成形的副射束32在该位置上射中射束成形器13。如果副射束32没有在期望的位置射中射束成形器13,则所成形的副射束32.1的示例性地在图3和图4中所示的强度分布40、41、42、43、44、45、46、47、48在光学位置传感器11上非常强烈地改变。那么,利用光学位置传感器11测定的强度分布40、41、42、43、44、45、46、47、48不再对应于所期望的强度分布40、41、42、43、44、45、46、47、48,所述所期望的强度分布40、41、42、43、44、45、46、47、48如其在副射束32精确地向射束成形器13对准的情况下所获得的那样。从在所成形的副射束32.1的焦点中的强度分布40、41、42、43、44、45、46、47、48的改变,因而可以非常准确地确定激光束30的射束位置。由于副射束32的几何方位明确地与激光束30的方位相关联,所以激光束30相对于光学轴线的横向移位导致被耦合输出的副射束32的相对应的移位。由于射束成形与副射束32在其上射中射束成形器13的部位的非常强的相关性,可以确定激光束30在X方向上和在Y方向上的在毫米范围内的方位。
从成像在光学位置传感器11上的所成形的副射束32.1的焦点的位置的方位中,可以测定激光束30的传播角度。倾斜地走向的激光束30导致相对应地倾斜地走向的副射束32和所成形的副射束32.1。这种以一角度入射到透镜12上的所成形的副射束32.1引起成像在光学位置传感器11上的所成形的副射束32.1的焦点相对于光学轴线的可评估的侧向错移。这样,射束方位测量系统使得能够唯一地仅利用一个光学位置传感器11来:不仅确定激光束30相对于光学轴线不仅在X方向上而且在Y方向上的横向移位,而且确定激光束30的传播角度相对于光学轴线不仅在X方向上而且在Y方向上的偏差。附加地,从成像在光学位置传感器11上的所成形的副射束32.1的焦点中的强度分布40、41、42、43、44、45、46、47、48,也可以确定激光束30的直径的改变。激光束30的直径的这种改变造成射束轮廓的特征性的和可区分的改变,如这在图4中更详细地示出的那样。
光学位置传感器11在其测量平面中以空间分辨的方式测量光强度。这样获得的测量信号经由信号线路25被转发给控制单元24。控制单元24从测量信号测定激光束30的方位偏差(在X方向上和在Y方向上的横向偏差、在X方向上和在Y方向上的角度偏差和/或直径的偏差)。控制单元于是操控未示出的致动器,所述致动器影响激光束30的光路。在所示出的实施例中,经由第一控制线路26.1操控用于调整可调节的第一镜21的致动器,并且经由第二控制线路26.2操控用于调整可调节的第二镜22的致动器。在此,调节镜21、22来使得:紧接着在所成形的副射束32.1的焦点中的所测量到的强度分布40、41、42、43、44、45、46、47、48以及所成形的副射束32.1的焦点的方位对应于沿着光学轴线走向的激光束30的预给定。可设想的是,借助致动器也调节在激光束30的光路中的其他未示出的光学部件,并且这样例如改变激光束30的直径。
根据本发明的继续延伸的构思可设想的是,除了射束成形之外,通过射束成形器13还对菲涅尔透镜进行调制。射束成形器13为此优选地构造为衍射光学元件或者构造为SLM。这样可以省去用于将所成形的副射束32.1成像在位置传感器11上的透镜12。由此可以进一步简化射束方位测量系统。
图2示出了图1中所示的具有在激光束30的光路中的射束成形器13的射束方位测量系统。相同组件在此如对于图1所介绍的那样相同地来标明。在副射束32的光路中,因此不需要其他射束成形器13。针对利用激光束30实施的加工过程,使用射束成形器13。当激光束30的与高斯形强度分布有偏差的射束成形在材料加工中达到较好结果时,这可能是有意义的。借助在激光束30的光路中引入的射束成形器13,因此形成所成形的激光束30.1。激光束30.1在分束器14中被分成所成形的处理射束31.1和所成形的副射束32.1。用于确定射束方位和射束直径的测量原理对应于对于图1所描述的测量原理。有利地,在图2中所示的结构中使用本来针对加工过程设置的射束成形器13,使得为了确定射束的方位和直径仅仅需要少量附加的部件。
图3示出了所成形的副射束32.1在激光束30与光学轴线有不同偏差时的强度轮廓和焦点方位。在此,在图1和图2中所示的射束成形器13构造用于:将具有高斯形强度分布的激光束30或副射束32转换成具有矩形强度分布(高帽(Tophat))的所成形的激光束30.1或所成形的副射束32.1。
所示的第一、第二、第三、第四和第五强度分布40、41、42、43、44分别相对于具有X轴线51和Y轴线52的坐标系50示出。这些强度分布分别在成像在光学位置传感器11(图1和图2)上的所成形的副射束32.1的焦点中记录。在此,所示的线沿着相同光强度的区域走向,其中光强度朝向被环绕的内部区域增加。相应的坐标系50的原点对应于射束方位传感器10的光学轴线。第一强度分布40示出了所成形的副射束32.1的所期望的、轴向对称的、矩形的射束轮廓。当激光束30沿着所设置的光学轴线传播并且由此被耦合输出的副射束32精确地在预先给定的位置射中射束成形器13时,获得所述射束轮廓。第一强度分布的焦点居中地对准到坐标系50的原点并且由此对准到射束方位传感器10的光学轴线。激光束30因此无侧向错移地并且无角度错移地伸展至其射束导向的所设置的光学轴线。当激光束30沿着Y轴移位时,获得第二强度分布41。第二强度分布41明显地与第一强度分布40的矩形形状有偏差。在此,光强度的最大值移位至所成形的副射束32.1的焦点的侧向边缘。为了进行简单区分,光强度的最大值朝向的边缘配属给Y方向。此外,焦点本身对准到坐标系50的原点,并且由此对准到射束方位传感器10的光学轴线。依据所测定的第二强度分布,因此无疑地可以计算回:激光束30无角度错移地、可是平行地在Y方向上对于光学轴线移位地传播。当激光束30围绕X轴线翻转角度α并且相对于激光束30的射束导向的光学轴线有侧向错移地传播时,获得第三强度分布42。所成形的副射束32.1由此以一角度射中在图1和图2中所示的透镜12,并且由此在射束方位传感器10的光学轴线侧旁成像。由此,成像在光学位置传感器11上的所成形的副射束32.1的焦点布置在所配属的坐标系50的原点的Y方向上。根据第二强度分布41,当激光束30沿着X轴线平行于其光学轴线移位时,获得第四强度分布43。当激光束30围绕Y轴线翻倒角度ß并且对于光学轴线有横向错移地传播时,获得第五强度分布44。从所示的强度分布40、41、42、43、44和焦点位置,可以定量地计算激光束30的方位。
在实际应用中,定位误差可能叠加。可是,通过分开算出(auseinandergerechnet)移位的叠加,可以从利用光学位置传感器11记录的轮廓变形方式中明确地确定入射的激光束30的方位。
在图3和图4中所示的强度分布40、41、42、43、44、45、46、47、48在激光束30有射束方位误差时相对于预先给定的第一强度分布40以其来改变的灵敏度极强地取决于射束成形本身。因此,可设想的是,将不同的射束成形用于对射束方位的粗略测量和精细测量。所成形的副射束32.1的强度分布有利地选择为使得:要容易评估所述强度分布,并且在激光束30的射束方位与所期望的位置有偏差时,快速改变所述强度分布。射束成形和所成形的副射束32.1的成像此外还有利地实施为使得:覆盖光学位置传感器11的测量区域的尽可能大的面。
图4示出了所成形的副射束32.1在入射的激光束30的直径不同时的强度轮廓。第六强度分布45对应于高斯形激光束30的具有为1mm的半径的强度轮廓。通过射束成形器13和透镜12,由此成形具有圆形的第七强度分布46的圆形焦点,并且该圆形焦点成像在光学位置传感器11上。获得的焦点的直径在本发明为大约200μm。第八强度分布47对应于具有在本发明扩大到1.5mm的半径的激光束30。通过入射的激光束30的改变的半径,所成形的副射束32.1的形状改变,如这通过第九强度分布48所示出的那样。在此,第九强度分布48此外还关于光学轴线对称地构造。激光束30的直径的偏差因此可以明确地被证实,并且与激光束的传播方向的偏差或者激光束的横向移位不同。通过根据本发明的射束方位测量系统和根据本发明的方法,因此可以唯一地仅利用一个光学位置传感器11来明确地识别出激光束30与相对应的预给定的横向移位、传播方向的偏差以及直径的偏差。由此变得可能的是,例如通过调节回路执行对射束方位和/或对激光束30的直径的自动化修正。
Claims (10)
1.一种用于确定激光束(30)的射束方位的射束方位测量系统,其具有用于将副射束(32)从所述激光束(30)耦合输出的分束器(14)和布置在所述副射束(32)中的光学位置传感器(11),其特征在于,在所述副射束(32)的光路中或者在所述激光束(30)的光路中,在所述分束器(14)之前布置有射束成形器(13);所述副射束(32)的强度轮廓通过所述射束成形器(13)成形;所成形的副射束(32)成像到所述光学位置传感器(11)上;利用所述光学位置传感器(11),在所述位置传感器上能够确定所述所成形的副射束(32.1)的强度分布(40,41,42,43,44,46,48)和/或所述所成形的副射束(32.1)的焦点的方位和/或所述副射束(32)的方位;并且所述射束方位测量系统构造为,从利用所述光学位置传感器(11)检测到的所述强度分布(40,41,42,43,44,46,48)和/或从所述所成形的副射束(32)的所述焦点的所述方位和/或从所述副射束(32)的所述方位,在所述位置传感器(11)上确定所述激光束(30)的所述射束方位。
2.根据权利要求1所述的射束方位测量系统,其特征在于,作为射束方位能够确定所述激光束(30)的横向位置和/或所述激光束(30)的至少一个传播角度和/或所述激光束(30)的直径。
3.根据权利要求1或者2所述的射束方位测量系统,其特征在于,所述射束成形器(13)构造为可编程的射束成形器,或者构造为衍射光学元件,或者构造为折射光学元件,或者构造为幅度调制器,或者构造为组合的幅度和相位调制器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的射束方位测量系统,其特征在于,在所述射束成形器(13)之后布置有折射式或者衍射式成像系统,用于将所述所成形的副射束(32.1)成像到所述位置传感器(11)上;或者所述射束成形器(13)具有用于将所述所成形的副射束(32.1)成像到所述位置传感器(11)上的菲涅尔透镜的结构;或者所述射束成形器(13f)作为衍射式射束成形器(13)施加在折射透镜(12)上;或者使用具有以折射方式聚焦的特性的折射式射束成形器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的射束方位测量系统,其特征在于,所述射束方位测量系统的相对于所述激光束(30)的所述射束方位的偏差的灵敏度能够通过使用具有不同成形图案的射束成形器(13)来调整。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的射束方位测量系统,其特征在于,所述射束方位测量系统具有用于通过如下方式来独立地修正所述激光束的所述射束方位的装置:所述位置传感器(11)的信号输送给控制单元(24);并且所述控制单元(24)构造用于借助至少一个与所述控制单元(24)连接的致动器来修正所述射束方位。
7.一种用于确定激光束(30)的射束方位的方法,其中利用分束器(14)从所述激光束(30)耦合输出副射束(32),并且所述副射束(32)成像在光学位置传感器(11)上,其特征在于,所述激光束(30)或者所述副射束(32)被输送给射束成形器(13);通过所述射束成形器(13)成形的副射束(32.1)被成像到所述光学位置传感器(11)上;并且从所成形的副射束(32.1)的利用所述光学位置传感器(11)确定的强度分布(40,41,42,43,44,46,48)和/或所述所成形的副射束(32)的焦点的方位,确定所述激光束(30)的所述射束方位。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,利用所述位置传感器(11)确定所述所成形的副射束(32.1)的强度分布(40,41,42,43,44,46,48);从所述所成形的副射束(32.1)的所述强度分布(40,41,42,43,44,46,48)确定所述激光束(30)的横向移位和/或确定所述激光束(30)的直径;和/或从所述所成形的副射束(32.1)的所述焦点在所述位置传感器(11)上的侧向移位确定所述激光束(30)的传播角度。
9.根据权利要求7或者8所述的方法,其特征在于,所述激光束(30)具有高斯轮廓;所述射束成形器(13)将所述高斯轮廓成形为所期望的轮廓;并且在对所述所成形的副射束(32.1)的所述强度分布(40,41,42,43,44,46,48)进行非对称地再分布时,在所述位置传感器(11)上推断出所述激光束(30)的横向移位;而且在对所述所成形的副射束(32.1)的所述强度分布(40,41,42,43,44,46,48)进行旋转对称地再分布时,在所述位置传感器(11)上推断出所述激光束(30)的所述直径的偏差。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的射束方位测量系统用于执行根据权利要求7至9中任一项所述的方法的应用。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017215973.1 | 2017-09-11 | ||
DE102017215973.1A DE102017215973A1 (de) | 2017-09-11 | 2017-09-11 | Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Strahllage eines Laserstrahls |
PCT/EP2018/074250 WO2019048657A1 (de) | 2017-09-11 | 2018-09-10 | Strahllagenmesssystem und verfahren zur bestimmung und korrektur der strahllage eines laserstrahls |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN111065900A true CN111065900A (zh) | 2020-04-24 |
CN111065900B CN111065900B (zh) | 2022-09-20 |
Family
ID=63528806
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201880058662.0A Active CN111065900B (zh) | 2017-09-11 | 2018-09-10 | 确定和修正激光束的射束方位的射束方位测量系统和方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3682200B1 (zh) |
CN (1) | CN111065900B (zh) |
DE (1) | DE102017215973A1 (zh) |
WO (1) | WO2019048657A1 (zh) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113231734A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-08-10 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | 激光光路校准方法、装置、存储介质和激光切割机 |
CN113670438A (zh) * | 2021-10-22 | 2021-11-19 | 之江实验室 | 一种小型化的光束漂移检测装置及方法 |
CN113751861A (zh) * | 2020-05-27 | 2021-12-07 | 山东大学 | 一种光束偏转稳定系统 |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20200092962A (ko) * | 2017-11-29 | 2020-08-04 | 에이에스엠엘 네델란즈 비.브이. | 레이저 빔 모니터링 시스템 |
KR102529643B1 (ko) | 2019-03-20 | 2023-05-04 | 트럼프 레이저시스템즈 포 세미컨덕터 매뉴팩처링 게엠베하 | 레이저 빔을 조정하기 위한 방법, 조정된 레이저 빔을 제공하기 위한 장치 및 광학 조립체 |
DE102019111501A1 (de) * | 2019-05-03 | 2020-11-05 | Pulsar Photonics Gmbh | Verfahren zur Optimierung einer mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgeführten Laserbearbeitung, sowie Laserbearbeitungsvorrichtung |
DE102019004337B4 (de) | 2019-06-21 | 2024-03-21 | Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit Laserstrahlung | Optisches System und Strahlanalyseverfahren |
CN110340553B (zh) * | 2019-08-12 | 2022-01-04 | 浙江华工光润智能装备技术有限公司 | 一种大幅面玻璃激光切割切孔定位方法及系统 |
DE102020214566B4 (de) | 2020-11-19 | 2023-08-03 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Bestimmungsvorrichtung zur Bestimmung der Lage und Richtung eines Laserstrahls und System und Verfahren zum Einstellen der Lage und Richtung eines Laserstrahls |
DE102020134317A1 (de) | 2020-12-18 | 2022-06-23 | Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit Laserstrahlung | Vorrichtung und Verfahren zur Fokuslagen-Bestimmung |
DE102022104530A1 (de) | 2022-02-25 | 2023-08-31 | Trumpf Laser Gmbh | Verfahren zum Stabilisieren der Strahllage und Lasersystem mit Strahllagebestimmung |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060202115A1 (en) * | 2005-03-10 | 2006-09-14 | Hitachi Via Mechanics, Ltd. | Apparatus and method for beam drift compensation |
US20090059766A1 (en) * | 2007-08-31 | 2009-03-05 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Beam irradiation device and laser radar |
CN101573204A (zh) * | 2006-12-27 | 2009-11-04 | 罗伯特·博世有限公司 | 激光束加工装置以及聚焦位置的调节方法 |
CN103098319A (zh) * | 2010-04-08 | 2013-05-08 | Haas激光技术公司 | 激光束分析装置 |
CN103358018A (zh) * | 2012-03-28 | 2013-10-23 | 东丽工程株式会社 | 激光光轴校准方法和利用该方法的激光加工装置 |
CN105246636A (zh) * | 2013-05-29 | 2016-01-13 | 通快机床两合公司 | 用于确定高能射束焦点位置的设备和方法 |
DE102016001355A1 (de) * | 2016-02-08 | 2017-08-10 | Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit Laserstrahlung | Analyse von Laserstrahlen in Anlagen für generative Fertigung |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3594706B2 (ja) * | 1995-08-22 | 2004-12-02 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光源位置調整装置 |
-
2017
- 2017-09-11 DE DE102017215973.1A patent/DE102017215973A1/de active Pending
-
2018
- 2018-09-10 EP EP18766251.5A patent/EP3682200B1/de active Active
- 2018-09-10 CN CN201880058662.0A patent/CN111065900B/zh active Active
- 2018-09-10 WO PCT/EP2018/074250 patent/WO2019048657A1/de unknown
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060202115A1 (en) * | 2005-03-10 | 2006-09-14 | Hitachi Via Mechanics, Ltd. | Apparatus and method for beam drift compensation |
CN101573204A (zh) * | 2006-12-27 | 2009-11-04 | 罗伯特·博世有限公司 | 激光束加工装置以及聚焦位置的调节方法 |
US20090059766A1 (en) * | 2007-08-31 | 2009-03-05 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Beam irradiation device and laser radar |
CN103098319A (zh) * | 2010-04-08 | 2013-05-08 | Haas激光技术公司 | 激光束分析装置 |
CN103358018A (zh) * | 2012-03-28 | 2013-10-23 | 东丽工程株式会社 | 激光光轴校准方法和利用该方法的激光加工装置 |
CN105246636A (zh) * | 2013-05-29 | 2016-01-13 | 通快机床两合公司 | 用于确定高能射束焦点位置的设备和方法 |
DE102016001355A1 (de) * | 2016-02-08 | 2017-08-10 | Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit Laserstrahlung | Analyse von Laserstrahlen in Anlagen für generative Fertigung |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113751861A (zh) * | 2020-05-27 | 2021-12-07 | 山东大学 | 一种光束偏转稳定系统 |
CN113231734A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-08-10 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | 激光光路校准方法、装置、存储介质和激光切割机 |
CN113670438A (zh) * | 2021-10-22 | 2021-11-19 | 之江实验室 | 一种小型化的光束漂移检测装置及方法 |
CN113670438B (zh) * | 2021-10-22 | 2022-01-18 | 之江实验室 | 一种小型化的光束漂移检测装置及方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3682200B1 (de) | 2023-03-29 |
CN111065900B (zh) | 2022-09-20 |
WO2019048657A1 (de) | 2019-03-14 |
EP3682200A1 (de) | 2020-07-22 |
DE102017215973A1 (de) | 2019-03-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111065900B (zh) | 确定和修正激光束的射束方位的射束方位测量系统和方法 | |
US10245683B2 (en) | Apparatus and method for beam diagnosis on laser processing optics | |
JP7273999B2 (ja) | 焦点位置制御のためのシステム及び方法 | |
US9091534B2 (en) | Measuring apparatus, measuring method, and method of manufacturing an optical component | |
US7123345B2 (en) | Automatic focusing apparatus | |
KR20060004963A (ko) | 샘플의 이미징동안 초점위치를 결정하는 방법 및 어레이 | |
US9030661B1 (en) | Alignment measurement system | |
KR20160093021A (ko) | 비접촉 광학 방법을 이용한 포토리소그래피 마스크를 위치시키기 위한 방법 및 장치 | |
KR20140048824A (ko) | 교정 장치, 교정 방법 및 계측 장치 | |
AU2010361365B2 (en) | Device and method for processing material by means of focused electromagnetic radiation | |
TW201807389A (zh) | 決定波前像差的測量系統 | |
US10838361B2 (en) | Holographic grating lithography system and a method for adjusting the self-collimation of the interference optical path thereof | |
US8439902B2 (en) | Apparatus and method for processing material with focused electromagnetic radiation | |
JP5126648B2 (ja) | レンズユニット調芯装置 | |
JP2003207323A (ja) | 光学式変位測定器 | |
NL2026937B1 (en) | Alignment system and method for aligning an object having an alignment mark | |
JP7308439B2 (ja) | レーザ加工装置および光学調整方法 | |
KR101867316B1 (ko) | 초점위치 오차 검출 장치 및 방법 | |
KR101720575B1 (ko) | 레이저 가공장치의 광학계 정렬 장치 및 광학계 정렬 방법 | |
JPS62140418A (ja) | 面位置検知装置 | |
JP2556126B2 (ja) | 間隔測定装置及び間隔測定方法 | |
CN105807571A (zh) | 一种光刻机用调焦调平系统及其调焦调平方法 | |
JPH021503A (ja) | 位置検出装置 | |
CN106908386B (zh) | 光学拾取装置 | |
CN116783024A (zh) | 一种用于确定焦点位置的装置和方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |