CN111201107A - 用于激光加工系统的设备、具有该设备的激光加工系统及用于调节光学元件的焦点位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光加工系统的设备(100、600)，包括：至少一个光学元件(110、610)，所述光学元件布置在所述设备的射束路径中；和温度探测器组件(115、620)，所述温度探测器组件具有探测器元件矩阵，所述探测器元件矩阵配置成用于测量所述光学元件(110、610)的二维温度分布。

Description

用于激光加工系统的设备、具有该设备的激光加工系统及用 于调节光学元件的焦点位置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于激光加工系统的设备、一种激光加工系统(尤其用于借助于激光射束加工材料的系统、例如用于激光切割或激光焊接的激光加工头)以及一种用于调节光学元件的焦点位置的方法。本发明尤其涉及热透镜效应的补偿。

背景技术

在借助于激光射束进行材料加工、例如激光焊接或激光切割时，从激光源、例如激光传导纤维的端部射出的激光射束借助于射束引导和聚焦光学器件聚焦到要加工的工件上。按照标准，使用具有准直光学器件和聚焦光学器件的激光加工头，其中，激光通过光导纤维、也称为激光源来供应。激光在用于借助于激光进行材料加工的设备中、例如在激光加工头中穿过多个光学元件、例如透镜。

在激光应用中的光学元件、例如透镜和透镜系统中，由于吸收激光能量会出现局部加热。这种吸收导致温度梯度，所述温度梯度局部地改变透镜的折射率n(T)。由于透镜的不同折射率而导致激光焦点的位移。例如，视透镜材料而定，会出现负或正的焦点位移。这种焦点偏移导致在激光应用中、例如在切割过程中的加工质量降低。

在常规的应用中，能够进行透镜的冷却，以便从透镜的中部排出热量。然而，由此也产生了使焦点移动的温度梯度。由US 8274743 B2已知在用于补偿焦点偏移的透镜系统内使用不同的透镜材料。然而，这种被动补偿不适用于所有应用。

此外，由US 5991004A已知，通过光栅产生光图案，所述光图案被引导穿过透镜。这种光图案被CCD照相机检测到，并记录图案的位移。这些位移用于通过使光学器件移位来补偿焦点。

其他常规方案使用温度测量。因此，例如在JP 2000094173A中利用透镜边缘的热元件测量透镜温度。换句话说，探测光学元件的边缘上的平均加热。

在JP 01122688 A中，透镜上的温度借助于“单热电堆(Single Thermopile)”(热元件)并且通过透镜边缘上的另外的热元件来求取。换句话说，在面上和在边缘上点状地进行温度记录、即一维测量。微控制装置评估测量数据并且马达驱动地使透镜移位。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于激光加工系统的设备、一种用于调节光学元件的焦点位置的方法以及一种激光加工系统、尤其一种用于借助于激光射束加工材料的系统，例如激光加工头或用于激光切割或激光焊接的系统，它们允许以高进动补偿光学元件的由热引起的焦点偏移。

该任务通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利构型在从属权利要求中给出。

根据本发明的实施方式，给出一种用于激光加工系统的设备。所述设备包括光学元件和温度探测器组件，所述光学元件布置在所述设备的射束路径中，所述温度探测器组件具有探测器元件矩阵，所述探测器元件矩阵配置成用于测量光学元件的二维温度分布，用于调节光学元件的焦点位置。光学元件能够配置成用于聚焦和/或准直激光射束。

优选地，温度探测器组件配置成用于位置分辨地测量光学元件的温度。

优选地，温度探测器组件包括至少一个热电堆。

优选地，探测器元件矩阵至少是2x2矩阵。尤其能够使用具有16个像点的4x4矩阵。

优选地，所述设备还包括至少一个加热装置，所述至少一个加热装置布置在光学元件上，以便给光学元件供应热能。

优选地，所述设备包括热隔离装置，所述热隔离装置配置成用于隔离所述至少一个加热装置。

优选地，所述至少一个加热装置布置在光学元件的边缘区域上，以便给边缘区域供应热能。

优选地，光学元件具有导热涂层。

优选地，所述至少一个加热装置包括多个加热元件，并且尤其所述多个加热元件构成由多个部段组成的加热环。

优选地，所述至少一个加热装置包括单独的加热环。

优选地，所述至少一个加热装置包括基部和布置在所述基部上的多个热源。

优选地，所述设备还包括热耦合元件，用于将热源与光学元件热耦合。

优选地，热源是电阻。

优选地，所述设备还包括用于光学元件的保持部，其中，所述保持部布置在所述至少一个加热装置和所述光学元件之间并且配置成用于提供所述光学元件和所述至少一个加热装置之间的热接触。

优选地，所述设备还包括控制装置，所述控制装置配置成用于控制所述至少一个加热装置，使得所述光学元件具有预定的温度分布。

优选地，预定的温度分布是基本上均匀的温度分布。

优选地，控制装置配置成用于通过供应热能来调节光学元件的焦点。

优选地，所述设备包括驱动装置，所述驱动装置配置成用于调节所述光学元件的位置。

优选地，所述设备还包括控制装置，该控制装置用于控制所述驱动装置以基于所测量的温度分布来调节所述光学元件的位置。

优选地，控制装置控制驱动装置，以便调节光学元件的焦点并且尤其保持光学元件的焦点基本恒定。

优选地，光学元件是或者包括透镜、透镜系统、聚焦透镜、准直透镜、发散透镜、光束成形光学器件、防护玻璃、分束器或诸如此类中的至少一个。

优选地，光学元件由硅和/或玻璃构成或包含硅和/或玻璃。

根据本发明的另外的实施方式，给出了一种用于激光加工系统的设备。所述设备包括光学元件和至少一个加热装置，所述光学元件布置在所述设备的射束路径中，所述至少一个加热装置布置在光学元件上，用于给光学元件供应热能。光学元件能够配置成用于聚焦和/或准直激光射束。

根据本发明的另外的实施方式给出一种用于激光加工系统的设备。所述设备包括：布置在所述设备的光学路径中的光学元件；具有探测器元件矩阵的温度探测器组件，其配置成用于测量光学元件的二维温度分布；以及配置成用于调节光学元件的位置的驱动装置。光学元件能够配置成用于聚焦和/或准直激光射束。

根据本发明的另外的实施方式给出一种激光加工系统、例如用于借助于激光射束加工材料的系统或激光加工头，尤其用于激光切割或激光焊接。所述激光加工系统或者激光加工头包括用于提供激光射束的激光源和根据在此说明的实施方式的用于激光加工系统的设备，其中，所述光学元件布置在所述激光加工系统或者激光加工头的射束路径中。所述激光加工系统或激光加工头能够包括配置成用于准直激光射束的准直光学器件以及配置成用于将激光射束聚焦到工件上的聚焦光学器件。

根据其他实施方式，提供了一种用于调节光学元件的焦点位置的方法。该方法包括借助探测器元件矩阵测量光学元件的二维温度分布。

优选地，对于光学元件的表面位置分辨地测量温度分布。

优选地，所述方法包括选择性地加热光学元件以调节焦点位置。

优选地，选择性地加热光学元件的边缘区域。

优选地，所述方法包括通过选择性加热来为光学元件提供基本上均匀的温度分布。

优选地，该方法包括基于所测量的温度分布来调节光学元件的位置。

根据其他实施方式，提供了一种用于调节光学元件的焦点位置的方法。该方法包括选择性地加热光学元件以调整焦点位置。

根据另外的实施方式，提出一种用于调节光学元件的焦点位置的方法。该方法包括借助探测器元件矩阵测量光学元件的二维温度分布以及基于所测量的温度分布来调节光学元件的位置。

本发明的优选的、可选的实施方式和特别的方面由从属权利要求、附图和本说明书得出。

根据本发明，调节光学元件、例如聚焦透镜的焦点位置。为此，测量光学元件的二维温度分布并将其用于调节焦点位置。例如，能够使用热电堆矩阵来生成光学元件的表面上的温度分布的二维“地图”，由该“地图”能够求取温度梯度。通过这种位置分辨的测量能够以高精度调节焦点位置。根据一个方面，主动加热光学元件，以便基于所测量的温度来调节焦点位置。例如，光学元件能够被加热成使得光学元件具有基本上均匀的温度分布。通过选择性地加热，能够以高精度调节焦点位置。根据另一方面，基于所测量的温度分布来调节光学元件的位置以调节焦点位置。

附图说明

本发明的实施方式在附图中示出并且在下面进一步说明。其示出了：

图1根据本发明的实施方式的用于激光加工系统的设备的示意图，

图2根据本发明的实施方式的具有多个加热元件的光学元件的示意性俯视图，

图3A和B根据本发明的实施方式的图2的光学元件的温度分布，

图4根据本发明的实施方式的具有加热环的光学元件的示意性俯视图，

图5根据本发明的另外的实施方式的用于激光加工系统的设备的示意性视图，

图6根据本发明的另外的实施方式的用于激光加工系统的装置的示意性视图，

图7与温度梯度相关的示例性焦点位移，

图8以回归线示出与温度梯度相关的示例性焦点位移，

图9像素矩阵和由此记录的温度分布，

图10一维测量和二维测量之间的温度确定的分辨率和精确度的比较，

图11根据本发明的另外的实施方式的用于激光加工系统的设备的示意图，和

图12根据本发明的实施方式的用于激光加工系统的示意图。

下面只要没有另外说明，对于相同的和起相同作用的元件使用相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方式的用于激光加工系统的设备100，并且尤其示出了借助于激光射束用于材料加工、例如用于激光切割或激光焊接等的系统。设备100能够监控焦点偏移(也称为“焦点移位”)并通过温度调整来补偿。通过吸收激光射束，光学元件110主要在激光通道的位置处加热，即通常在中部加热。

焦点偏移由于光学元件中和/或光学元件上的局部温度升高而产生，该温度升高导致关于光学元件的边缘的不同折射率(Δn)。这例如会由光学元件的材料的小的热导率造成。折射率能够由下公式表示：

不像一些传统系统中那样通过透镜的边缘导出热，而是例如根据本发明的一些实施方式将热引入光学元件的边缘并且对光学元件进行热调整。由此，尤其能够调节光学元件的内部区域和外部区域之间的温度平衡，以便调节焦点位置。在其它实施方式中，例如能够沿着z轴调节光学元件的位置以调节焦点位置。

如图1中所示，设备100包括至少一个光学元件110和温度探测器组件115，所述光学元件配置成用于将激光射束2聚焦到例如工件10上，所述温度探测器组件具有探测器元件矩阵，所述探测器元件矩阵配置成用于测量光学元件的二维温度分布。温度探测器组件115能够配置成用于位置分辨地测量光学元件110的温度分布。所述温度分布能够是绝对温度分布或相对温度分布。绝对温度分布基于绝对温度的测量，而相对温度分布指示例如关于光学元件110的边缘温度的温度差。温度分布能够是光学元件110的表面上的温度分布，例如第一表面或与第一表面对置的第二表面上的温度分布。

尤其光学元件110能够包括第一表面、第二表面和至少一个侧面。第二表面能够面向工件10和/或第一表面能够布置成与第二表面对置。所述至少一个侧面能够连接第一表面和第二表面的边缘。所述至少一个侧面能够具有柱形形状。

通常，温度探测器组件包括热电堆或热电堆组件(热电堆阵列)。借助于温度探测器组件能够实现光学元件的温度监控。利用热电堆阵列也能够探测光学元件的单个小的点状污染/缺陷，所述污染/缺陷不能被标准温度测量识别。温度探测器组件参考图9来详细说明。

在一些实施方式中，设备100包括至少一个加热装置120，该加热装置布置在光学元件110上，以将热能供应给光学元件110。通过选择性地和/或局部地加热光学元件110能够调节光学元件110的焦点位置。尤其通过选择性地加热例如光学元件110的边缘区域能够提供基本上均匀的温度分布。

光学元件110能够是透镜、例如聚焦透镜。在焊接光学器件的情况下，经常使用球面的或非球面的聚焦透镜。根据本发明，焦点偏移能够通过局部加热透镜来补偿。例如能够避免在主动冷却透镜时会出现的温度梯度。

激光加工系统能够限定光学轴线1，其中，激光射束2关于光学轴线延伸。例如，激光射束2能够基本上平行于或倾斜于光学轴线1延伸。根据实施方式，激光加工系统或其部件、例如焊头能够沿着加工方向20运动。加工方向20能够是激光加工系统关于工件10的切割方向和/或运动方向。加工方向20尤其能够是水平方向。加工方向20也能够称为“进给方向”。

根据能够与其它在此说明的实施方式组合的一些实施方式，所述至少一个加热装置120能够布置在第一表面、第二表面和所述至少一个侧面中的至少一个处或布置在其上。第一表面和第二表面能够是凸形的或凹形的。在一些实施方式中，第一表面和第二表面都能够具有相同的形状，即例如是凸形或凹形。在其它实施方式中，第一表面和第二表面能够具有不同的形状。例如，一个表面能够是凸形，而另一个表面能够是凹形。

通常，所述至少一个加热装置120布置在光学元件110的边缘区域处或布置在其上，以便将热能供应给边缘区域。在图1的实施例中，所述至少一个加热装置120布置在所述至少一个侧面上，所述至少一个侧面能够是光学元件110的边缘或外边缘。

在一些实施方式中，光学元件110包括导热涂层。导热涂层能够例如用于改善石英玻璃或光学器件的低导热性。例如，导热涂层能够由蓝宝石构成。在一些实施方式中，在其上布置所述至少一个加热装置120的面能够至少部分地并且优选完全地被涂覆。通常，所述至少一个侧面(例如透镜边缘)能够设有导热涂层。然而，本发明不局限于此。例如当所述至少一个加热装置布置在第一表面和/或第二表面上时(参见图2)，第一表面和/或第二表面的边缘区域也能够被涂覆。

例如Corning

(石英玻璃)具有λ＝1.3W/m·K的导热性。当加热元件下方的边缘区域例如被涂敷蓝宝石(λ＝27.21W/m·K)时，能够实现到光学元件中的热量输入的显著改善。由此能够实现更均匀的温度曲线并且减小焦点偏移。

根据能够与其它在此说明的实施方式组合的一些实施方式，设备100包括控制装置130，该控制装置配置成用于控制所述至少一个加热装置120，使得光学元件110具有预定的温度分布。预定的温度分布能够是基本上均匀的温度分布。通常，控制装置130配置成用于通过供应热能来调节光学元件110的焦点。尤其热造成的焦点偏移能够通过局部供应热能来补偿。

在典型的实施方式中，边缘区域能够借助于所述至少一个加热装置120有针对性地调整到例如在光学元件110的中部测量的温度。所述至少一个加热装置120能够包括多个加热元件。通过多个加热元件，即使在不对称的温度分布的情况下，也能够确保光学元件110的几乎对称/均匀的加热。例如，能够由所述至少一个加热装置120实现的温度是大约30到60℃。例如在6000瓦特的激光功率下，透镜在中部加热到最大40℃。

图2示出了根据本发明的实施方式的光学元件110的示意性俯视图。图3A和B示出图2的光学元件的温度分布。

根据能够与其它在此说明的实施方式组合的实施方式，所述至少一个加热装置包括多个加热元件122。加热元件122能够布置在光学元件110的侧面上。附加地或替代地，加热元件122能够布置在光学元件110的第一表面和/或第二表面处，如在图2的实施例中所示出的那样。加热元件122能够布置在第一表面和/或第二表面的边缘区域中，使得光学元件110的中部101(激光射束穿过该中部)是空出的或不受阻碍的。

在一些实施方式中，加热元件122能够形成加热环，该加热环由多个部段、即单个的加热元件构成。图4示出了具有连续的加热环400的光学元件的替代实施方式中的一个的示意性俯视图。

控制装置能够被配置成用于单独地和/或选择性地操控加热元件122。例如，通过施加在加热环上的电压能够实现调整。控制装置能够是微控制器，其能够承担温度评估和加热元件的调整。基于借助于温度探测器组件所记录的光学元件110或透镜(例如在透镜中部)的温度，控制装置能够通过加热元件将光学元件110或透镜带到基本上相同的温度上，进而使温度接近均匀的温度分布。由此能够补偿焦点偏移。尤其光学元件能够被完全加热到均匀的温度，以确保光学元件的均匀的折射率。

根据能够与其它在此说明的实施方式结合的一些实施方式，所述设备还包括热隔离装置，该热隔离装置配置成用于使所述至少一个加热装置热隔离。借助热隔离装置能够保护光学元件以免热排出。热隔离装置能够防止单个的加热元件向周围的壳体和/或向空气辐射不太多的能量，而是有针对性地加热光学元件。由此，激光加工系统能够在能量方面被优化。

在一些实施方式中，所述至少一个加热装置包括基部和布置在基部上的多个热源。基部能够是衬底或电路板。通常，热源能够是电阻，例如低欧姆电阻。例如，用作热源的低欧姆电阻能够定位在电路板上。所述设备并且尤其所述至少一个加热装置还能够包括热耦合元件(例如热垫)，用于将热源与光学元件热耦合。通常，热耦合元件包括(或者是)优选具有高导热性的橡胶类材料。

参照图3A和B，为了清楚起见，仅示出由单个部段构成的加热环的一半。图3A示出温度分布，其中，透镜的中部101通过吸收而被加热到温度T₁，由此产生焦点偏移。加热元件122被选择性地操控，以补偿所述焦点偏移。例如，光学元件的边缘区域能够被加热到温度T₂。当T₁＝T₂时达到均匀温度。因此，能够对热透镜进行热调整。

图3B示出例如由于未精确地居中定向的激光穿透或污染而不对称的温度分布。在这种情况下，如图3A中所示，加热元件122能够被单独加热，以将透镜调整到均匀的温度，使得例如在透镜的中部与边缘之间的温度差大致为零(T₁-T₂＝ΔT＝0)。

图5示出根据本发明的其它实施方式的用于激光加工系统的设备500的示意图。

在该实施例中，装配在电路板524上的低欧姆电阻522用作热源或加热装置520。电路板524也能够用于朝外到壳体的热隔离，以提高热调整效率。换句话说，电路板524用作热隔离装置，该热隔离装置配置成用于使所述至少一个加热装置520热隔离。如箭头501所标明，从透镜510的边缘实现热量供应，用于所述焦点偏移的热补偿。

根据一些实施方式，所述设备500并且尤其所述至少一个加热装置520包括热耦合元件530(例如热垫)，用于将热源热耦合至光学元件510。通常，热耦合元件530包括(或者是)优选具有高导热性的橡胶材料。

根据能够以其它在此说明的实施方式实现的一些实施方式，所述设备500包括用于光学元件510的保持部540，该保持部布置在所述至少一个加热装置520和光学元件510之间并且配置成用于提供光学元件510和所述至少一个加热装置520之间的热接触。为此，该保持部能够直接机械接触光学元件510。

光学元件510、例如透镜能够通过保持部(其透镜托座)热接触并且调整。这例如能够通过单个操控的低欧姆电阻来实现。这些电阻能够被安置在加工头中，并且在此通过金属透镜托座来热调整透镜边缘。其上布置有电阻的电路板材料能够同时用作热隔离装置。能够控制对透镜的各个部段的加热，由此即使在不对称的激光射束分布中也确保了热调整。

图6示出了根据本发明的其它实施方式的用于激光加工系统的设备600的示意图。

如已经阐述的那样产生焦点偏移，并且该焦点偏移基于透镜中和透镜上的引起不同的折射率(Δn)的局部温度升高。该温度梯度根据透镜材料改变焦点位置。根据本发明，位置分辨地测量光学元件的温度(例如在x-y平面中或透镜表面在x-y平面中的投影中)，由此记录光学元件的温度梯度。驱动装置(例如马达)根据例如在z方向上、例如沿着光学轴线的焦点位移补偿调整光学元件。控制装置(例如微控制器)能够承担温度评估和马达的调整。

参考图6，用于激光加工系统的设备600包括配置成用于聚焦激光射束的光学元件610、配置成用于测量具有探测器元件矩阵的光学元件610的二维温度分布的温度探测器组件620以及可选地包括配置成用于沿着例如z轴调节光学元件610的位置的驱动装置630。控制装置640能够配置成用于温度评估和驱动装置630的调整。例如，对于光学元件610的整个表面、如第一表面或第二表面位置分辨地测量温度分布。尤其能够测量x-y平面中的温度分布。在光学元件610的表面弯曲的情况下，温度分布能够对应于弯曲表面在x-y平面中的投影。

控制装置640能够控制驱动装置630，以基于所测量的温度分布来调节光学元件610的位置。例如，能够沿着z轴调节光学元件610的位置，所述z轴能够平行于光学轴线。通过改变光学元件610的位置，能够调节光学元件610的焦点。尤其控制装置640能够控制驱动装置630，以保持光学元件610的焦点基本恒定。

在图6中，“+”和“-”分别表示正的和负的焦点位移。在图7中示出了示例性的由温度变化引起的、与温度梯度相关的焦点偏移。通过根据本发明的结构，根据光学元件的材料和特定特性能够实现对焦点偏移的精确主动补偿。此外，根据实施方式，温度探测器组件620能够识别光学元件610上的(陡然的)单个温度上升，并作为预警系统预测光学元件610的损坏。

根据典型实施方式，能够求取并且后续补偿温度梯度ΔT与焦点位移Δf之间的线性。为此，热电堆组件(热电堆阵列)能够用作温度探测器组件620，其监控光学元件610的由二维温度分布确定的温度梯度ΔT。借助于控制装置640能够调节驱动装置630，其中，控制装置640重调焦点位移Δf，使得Δf≈0以确保在激光应用中对焦点位移的精确补偿。

图8示出与具有回归线的温度梯度相关的示例性焦点位移。借助于确定的光学系统的先前的参考测量能够记录特征数据。在示例性参考测量中，图8以干净的透镜示出透镜的或透镜系统的具有相关联的回归线的dT-dz焦点位移。由此能够确定一斜率，该斜率对于激光加工系统、例如激光加工头和其光学系统是个性化的。借助于软件，由所述回归线求取的斜率能够存储在数据库中、例如控制装置640中。基于此，在每个相应的温度梯度下能够发生例如透镜或光学元件110的z轴位移的形式的适当的马达驱动的补偿调节，以补偿焦点偏移。

图9(a)示出根据本发明的实施方式的温度探测器组件。温度探测器组件具有由探测器元件(像素)组成的矩阵。图9(b)示出了具有32x32热电堆组件的记录，用于探测局部温度升高。

根据能够与其它在此说明的实施方式组合的一些实施方式，温度探测器组件是热电堆组件(热电堆阵列)。热电堆组件能够位置分辨地测量光学元件的温度，以便由此记录光学元件的温度梯度。

示例性的热电堆组件能够具有至少2x2探测器元件矩阵。图9(a)示出了具有总共1024个像素分辨率以及90°x90°张角的32x32矩阵，其提供了如图9(b)所示的示例性光学元件的约350个像素的分辨率。替代地，例如能够使用具有8x8矩阵的热电堆组件，该8x8矩阵具有60°x60°的张角和64个像素的分辨率。这种热电堆组件的小尺寸能够容易地集成到极小的空间中。最大可能帧速率能够在例如60Hz。

根据能够与其它在此说明的实施方式组合的一些实施方式，光学元件由硅构成。通过硅透镜能够实现对激光射束的回射的过滤。因此，仅光学元件的表面能够被记录。换句话说，能够确定在表面(诸如光学元件的整个第一表面或第二表面)上的温度分布。

在能够与其它在此说明的实施方式组合的一些实施方式中，温度探测器组件能够配置成用于测量绝对温度分布或相对温度分布。绝对温度分布基于绝对温度的测量，而相对温度分布表示温度差。

根据本发明，在至少两个空间维度上(即二维地)测量光学元件的温度分布。根据实施方式，术语“二维”能够理解为例如在透镜的中部检测两个或更多个在空间上分离的温度测量点(两个或更多个像素)。例如，温度探测器组件能够具有至少一个2x2探测器元件矩阵。这种位置分辨的二维测量与一维测量不同，在所述一维测量中，例如在透镜的中部仅记录单个温度测量点(单个像素)，如以下借助图10详细阐述的那样。

图10示出了在一维测量(唯一的像素)和根据本发明的二维测量(两个或更多个像素)之间的温度确定的分辨率和准确度的比较。

在图10中，示意性地示出了透镜710上的最热部位701和冷的部位702。最热部位701能够具有大约38℃，并且冷的部位702能够具有大约25℃。在使用根据本发明的温度探测器组件的情况下的位置分辨的测量能够通过完全监控透镜710(附图标记“703”)精确地检测最高温度的栅格，并且由这些温度形成实际的温度梯度。通过根据本发明的温度探测器组件的位置分辨的温度测量，能够可选地探测在透镜710处的损坏或污染。

与此相反，一维测量检测来自例如透镜710的中部的全部值的平均，如这以附图标记“704”标明的那样。然而，不对称的温度曲线会强烈变化，从而不能确定真实的温度梯度。

尤其在一维测量中，如JP 01122688A中所述，能够使用透镜边缘的热元件和监控透镜中部的热电堆。这种监控不能探测由透镜上的污物引起的吸收效果。仅能够检测整个透镜的平均温度升高。由此不能准确地说明，平均温度是由于更高的功率、由于激光射束的不对称分布还是由于透镜表面的缺陷或污染而产生。本发明的热电堆组件能够通过整个透镜的2D分辨率、例如通过具有技术算法的相应软件来容易地区分上述情况。

一维测量还具有的缺点是，由于1D热电堆的间距和张角，所述一维测量具有以固定且不可变的间距和角度精确地定位在透镜的中部的视野(Field of View，FoV)。换句话说，对于不同激光加工头中的每次监控必须费事地以新的间距和角度来配置传感器。该1D热电堆记录透镜的固定地调节的中部并且由此求取温度T₁。在监控直径增大时，同时记录更低的温度并且透镜中部处的温度由此还更强烈地失真。

相反，本发明的热电堆组件能够通过位置分辨的记录来检测整个透镜并且任意记录透镜中部中的相应最高温度的平均值，即使其是不对称的温度曲线也是如此。通过这个优点能够将热电堆组件为每个透镜尺寸、每个射束直径和每个射束质量个性化地在所有激光加工头中使用。

图11示出了根据本发明的其它实施方式的用于激光加工系统的设备800的示意性视图。

设备800具有热电堆组件810，所述热电堆组件具有张角812，所述热电堆组件记录透镜或光学元件110的温度梯度(ΔT)的图像820。图像820是在x-y方向上展开的图像，由此能够记录整个透镜。通过高的像素数量能够与激光射束的直径无关地对透镜的中心中的温度T₁取平均。热电堆组件810能够任意确定透镜上的最热部位，并且因此形成精确的温度曲线。作为参考值，热电堆组件810也能够对透镜边缘上的冷的部位取平均，以确定透镜边缘处的更精确的温度T₂。控制装置830评估梯度，并且马达驱动地调节透镜的位置，以调节焦点位置F。尤其马达840能够使透镜沿着z位移轴运动。附图标记850表示激光射束的焦散线。

根据一些实施方式，在参考测量中记录的斜率m(例如参见图8)能够存储在用于任意光学系统的控制装置830中。在此，在参考测量中，能够通过射束诊断测量仪对于相应的ΔT记录焦点位移Δf＝z__位移，并且随后求取斜率：

热电堆组件能够通过其位置分辨的温度测量来评估温度梯度ΔT。例如，热电堆组件记录从透镜中部到边缘的最高温度的平均水平：

ΔT＝T₁-T₂

z位移能够表示为：

z_{_位移}＝(ΔT+C)/m

C是可选的偏移因数(Offsetfaktor)，其能够根据透镜材料和测量结果而手动添加。根据本发明的设备的优点在于，热电堆组件足以用于补偿，因为在所存储的斜率因数m中不仅涉及聚焦透镜的焦点偏移，而且m也包含关于整个光学系统的焦点偏移的信息。

图12示出了根据本发明的实施方式的激光加工系统900、例如激光加工头的示意图。

所述激光加工系统或者激光加工头900包括：用于提供激光射束的激光光源(未示出)，例如光纤或诸如此类；配置成用于准直激光射束2的准直光学器件910；配置成用于将激光射束2聚焦到工件10上的聚焦光学器件920；以及根据在此说明的实施方式的用于激光加工系统的设备，其中，光学元件是聚焦光学器件920的聚焦透镜。温度探测器组件能够是具有探测器元件矩阵的热电堆组件930。

激光加工系统900包括用于产生激光射束2(也称为“加工射束”或“加工激光射束”)的激光设备。根据实施方式，激光加工系统900或其部件(例如焊头)能够是能沿着加工方向20运动的。加工方向20能够是激光加工系统900(例如焊头)关于工件10的切割方向和/或运动方向。加工方向20尤其能够是水平方向。加工方向20也能够称为“进给方向”。

通过在加工头的壳体中以相应的角度安装热电堆组件产生透镜的压缩的记录或者视野的一种椭圆形的记录。这种效果由于透镜的拱起而进一步增强。因为这种压缩的记录与热电堆组件的角度和间距相关，所以该记录能够通过在几何上改善传感器的定位来改进。因为热电堆组件的分辨率能够是非常高的，所以这种效果对测量精度几乎没有影响并且能够忽略。能够利用热电堆组件的较小的视野(FoV，视野的张角)来实现图像的这种压缩的附加改善。

根据本发明调节光学元件(例如聚焦透)镜的焦点位置。为此，测量光学元件的二维温度分布并将其用于调节焦点位置。例如，能够使用热电堆矩阵来生成光学元件的表面上的温度分布的二维“地图”，由该“地图”能够确定温度梯度。通过这种位置分辨的测量能够以高精度调节焦点位置。根据一个方面，主动地加热光学元件从而基于所测量的温度来调节焦点位置。例如，光学元件能够被加热成使得该光学元件具有基本上均匀的温度分布。通过选择性地加热能够以高精度调节焦点位置。根据另一方面，基于所测量的温度分布来调节光学元件的位置，以调节焦点位置。

Claims (19)

1.一种用于激光加工系统的设备(100、600)，其包括：

光学元件(110、610)，所述光学元件布置在所述设备的射束路径中；和

温度探测器组件(115、620)，所述温度探测器组件具有探测器元件矩阵，所述探测器元件矩阵配置成用于测量所述光学元件(110、610)的二维温度分布。

2.根据权利要求1所述的设备(100、600)，其中，所述温度探测器组件(115、620)包括至少一个热电堆。

3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，还包括：

至少一个加热装置(120)，所述加热装置布置在所述光学元件(110)上，用于给所述光学元件(110)供应热能。

4.根据权利要求3所述的设备(100)，其中，所述至少一个加热装置(120)布置在所述光学元件(110)的边缘区域处，用于给所述边缘区域供应热能。

5.根据权利要求3或4所述的设备(100)，其中，所述至少一个加热装置具有多个加热元件(122)，尤其其中所述多个加热元件(122)形成由多个部段组成的加热环。

6.根据权利要求3或4所述的设备(100)，其中，所述至少一个加热装置包括单独的加热环(400)。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的设备(500)，其中，所述至少一个加热装置(520)包括：

基部(524)；和

多个热源(522)，所述热源布置在所述基部(524)上。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的设备(500)，其还具有热耦合元件(530)，用于将所述热源(524)与所述光学元件(510)热耦合。

9.根据权利要求7或8所述的设备(500)，其中，所述热源(522)是电阻。

10.根据权利要求3至9中任一项所述的设备(500)，其还包括用于所述光学元件(510)的保持部(540)，其中，所述保持部(540)布置在所述至少一个加热装置(520)和所述光学元件(510)之间并且配置成用于提供所述光学元件(510)和所述至少一个加热装置(520)之间的热接触。

11.根据权利要求3至10中任一项所述的设备(100)，其还包括控制装置(130)，所述控制装置(130)配置成用于控制所述至少一个加热装置(120)，使得所述光学元件(110)具有预定的温度分布。

12.根据权利要求11所述的设备(100)，其中，所述控制装置(130)配置成用于通过供应热能来调节所述光学元件(110)的焦点。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备(100)，其还包括驱动装置(630)和控制装置(640)，所述驱动装置配置成用于沿着光学轴线调节所述光学元件(610)的位置，所述控制装置用于控制所述驱动装置(630)，以通过基于所测量的温度分布调节所述光学元件(610)的位置来调节所述光学元件(610)的焦点。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的设备(100、600)，其中，所述光学元件包括透镜、透镜系统、聚焦透镜、准直透镜、发散透镜、射束成形光学器件、防护玻璃和分束器中的至少一个。

15.一种激光加工系统(900)，其包括：

用于提供激光射束的激光源；和

根据权利要求1至14中任一项所述的设备，其中，光学元件布置在所述激光加工系统(900)的射束路径中。

16.一种用于调节激光加工系统中的光学元件(110、610)的焦点位置的方法，其包括：

借助探测器元件矩阵测量所述光学元件(110、610)的二维温度分布。

17.根据权利要求16所述的方法，其还包括选择性地加热所述光学元件(110)的边缘区域，以调节焦点位置。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其还包括：

通过选择性地加热，为所述光学元件(110)提供基本均匀的温度分布。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其还包括基于所测量的温度分布来沿着光学轴线调节所述光学元件(610)的位置。

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