CN111989552B - 用于在激光加工系统中确定焦点位置的装置、激光加工系统和相应的方法 - Google Patents

Abstract

本公开文件涉及一种用于在激光加工系统(100)中确定激光束(10)的焦点位置(F)的装置(200)。该装置(200)包括第一光学元件(210)，所述第一光学元件设置用于反射激光束(10)的一部分以耦合输出激光束(10)的第一子光束(12)；第二光学元件(220)，所述第二光学元件设置用于反射激光束(10)的另外的部分以耦合输出激光束(10)的与第一子光束(12)基本上同轴的第二子光束(14)；空间分辨传感器(230)，第一子光束(12)和第二子光束(14)能够偏转到所述空间分辨传感器上；和评估单元(240)，所述评估单元设置用于基于射到空间分辨传感器(230)上的第一和第二子光束(12，14)来确定激光束(10)的焦点位置(F)。

Description

用于在激光加工系统中确定焦点位置的装置、激光加工系统 和相应的方法

技术领域

本公开文件涉及一种用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的装置、一种具有该装置的激光加工系统以及一种用于在激光加工系统中确定激光束焦点位置的方法。本公开文件特别是涉及用于实时地确定加工激光束的焦点位置的装置和方法。

背景技术

在用于借助激光进行材料加工的装置，例如在例如用于激光焊接或激光切割的激光加工头中，由激光光源或激光光纤的端部射出的激光束借助光束导向透镜和聚焦光学器件聚焦或聚束到待加工的工件上。符合标准地使用具有准直器光学器件和聚焦光学器件的激光加工头，其中，激光束通过光纤传输。

在激光材料加工时的一个问题是所谓的“热透镜效应”，所述热透镜效应归因于通过特别是在多千瓦范围内的激光功率对用于激光束导向和聚焦光学元件的加热，以及光学玻璃的折射率的温度相关性。热透镜效应在激光材料加工中导致沿着光束传播方向的焦点移动，所述焦点移动会消极地影响加工质量。

在激光材料加工过程期间首先出现两个作用原理，所述作用原理导致光学元件的加热。其原因一方面在于激光功率的增大并且另一方面在于光学元件的污染。此外可能的是，光学元件经受机械变形，所述机械变形导致折射能力的改变。机械变形可以例如由光学元件的边框的热膨胀引起。

为了确保高质量的激光加工而需要的是，检测相应的焦点位置并且补偿焦点位置移动、即提供快速的和准确的焦点位置调节。

DE 10 2011 007 176 A1描述了一种用于将激光束聚焦到工件上的装置，该装置包括：至少一个透射光学元件，所述至少一个透射光学元件关于垂直于激光束的光轴的平面在一定的倾斜角度下布置；和用于检测在透射光学元件上反射的激光束的空间分辨探测器。由被探测器检测到的图像通过图像评估装置确定在探测器上反射的激光束的大小或直径，为了焦点位置调节又可以由大小或直径确定聚焦位置。

然而热透镜效应(即热感应的折射能力或折射能力改变)不仅导致焦点移动，而且导致光束质量变差，并且可以引起例如像差。这导致改变整个光束焦散线、例如聚焦直径。因此，通过与参考值简单地比较而对焦点位置的确定是不准确的。这特别是不能实时地实现焦点位置的测定。

发明内容

本公开文件的任务在于，给出一种用于在激光加工系统中确定焦点位置的装置、一种具有该装置的激光加工系统以及一种用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的方法，该装置、该激光加工系统和该方法可以可靠地确定激光束的焦点位置。本公开文件的任务尤其在于，在激光加工过程期间实时地确定激光束的焦点位置。

该任务通过本发明来解决。本发明的有利的构型从以下说明给出。

根据本公开文件的实施方式，给出一种用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的装置。该装置包括：第一光学元件，所述第一光学元件设置用于反射激光束的一部分以耦合输出激光束的第一子光束；第二光学元件，所述第二光学元件设置用于反射激光束的另外的部分以耦合输出激光束的与第一子光束基本上同轴的第二子光束；空间分辨传感器，第一子光束和第二子光束能够偏转到所述空间分辨传感器上；和评估单元，所述评估单元设置用于基于射到空间分辨传感器上的第一子光束和第二子光束来确定激光束的焦点位置。

根据另外的实施方式，给出一种装置用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置。该装置包括：第一光学元件的第一面，该第一面设置用于反射激光束的一部分以耦合输出激光束的第一子光束；第一光学元件的第二面或第二光学元件的第一面，其设置用于反射激光束的另外的部分以耦合输出激光束的与第一子光束基本上同轴地叠加的第二子光束；空间分辨传感器用于检测叠加的第一和第二子光束的强度分布；和评估单元，该评估单元设置用于基于由空间分辨传感器检测到的、第一和第二子光束的强度分布来确定激光束的焦点位置。

根据另外的实施方式，给出一种用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的装置。该装置包括：至少一个光学元件的两个面，其中，所述一个面设置用于反射激光束的一部分以耦合输出第一子光束，并且所述另外的面设置用于反射激光束的另外的部分以耦合输出与第一子光束基本上同轴地叠加的第二子光束；用于检测叠加的第一和第二子光束的强度分布的空间分辨传感器；评估单元，该评估单元设置用于基于由空间分辨传感器检测到的、第一和第二子光束的强度分布确定激光束的焦点位置。所述两个面可以是一个唯一的光学元件的对置的面，或者是两个不同的光学元件的面。可以设置光学元件的另外的面用于通过反射耦合输出另外的子光束。如果使用多于两个反射光束或子光束用于确定焦点位置，则可以提高准确度。

根据另外的实施方式，给出一种用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的装置。该装置包括：至少一个光学元件的至少两个面，所述至少两个面分别设置用于反射激光束的一部分以耦合输出子光束，其中，包括第一子光束和第二子光束的至少两个子光束基本上同轴地叠加；用于检测叠加的子光束位置的强度分布的解析的传感器；评估单元，该评估单元设置用于基于由空间分辨传感器检测到的、子光束的强度分布来确定激光束的焦点位置。

通过检测并且评估至少两个叠加的反射光束或至少两个子光束的强度分布同时实现两个测量，所述两个测量相应于沿着光轴的两个不同的位置。一定数量子光束例如在强度分布方面可以是已知的。子光束的光路长度和/或子光束的光路长度之间的差同样可以是已知的。由强度分布可以确定子光束的光束直径。光束直径之间的差可以相应于子光束的光路长度之间的差。由此可以借助模型或函数确定激光束的光束焦散线。替代强度分布，也可以考虑通过空间分辨传感器测量子光束的另外的参数。

传感器不是必须位于相应于焦点位置的位置，而是可以与焦点位置无关地定位。

公开文件的优选的、可选的实施方式和特别的方面由附图和本说明书得出。

根据本发明，至少一个光学元件或至少两个光学元件使用，以便从激光束的光路耦合输出至少两个基本上同轴的反射光束。同轴的反射光束偏转到空间分辨传感器上，其中，由被空间分辨传感器测量到的数据可以实时地(online，在线)确定激光束的焦点位置。特别是可以使用模型或模型函数，以便评估光束焦散线并且推断出焦点位置。

优选地，第一光学元件和/或第二光学元件是透射光学元件。透射光学元件可以设置用于透射激光束的第一部分并且反射激光束的至少一个第二部分。激光束的例如由所述元件的一个面反射的第二部分可以形成第一子光束或第二子光束。由此，可作为加工激光束的激光束的一部分从光路耦合输出并且用于确定激光束的焦点位置。

优选地，第一光学元件和第二光学元件依次相继地、并且特别是直接依次相继地布置在激光束的光路中。第一光学元件和第二光学元件可以彼此平行地并且垂直于光轴布置。第一光学元件和第二光学元件可以是单独的光学元件，所述单独的光学元件沿着光路彼此隔开间距地布置。通过这两个单独的光学元件可以使第一子光束和第二子光束彼此基本上同轴地定向。

第一光学元件和第二光学元件可以根据实施方式布置在激光束的焦点区域中。第一光学元件和第二光学元件可以特别是布置在聚焦光学器件和焦点位置(或激光束的加工区域、例如工件)之间。

优选地，第一光学元件和/或第二光学元件是保护玻璃。保护玻璃可以布置在激光加工系统、例如激光加工头的光束输出侧。可以存在保护玻璃，以便保护在激光加工系统内部的(光学)元件和特别是聚焦光学器件免受例如会通过飞溅物或浓烟引起的污染。

典型地，第一光学元件具有第一面和与第一面对置的第二面，其中，第一子光束由第一面反射。第一光学元件可以设置为，第一光学元件的第二面反射第三子光束。由此，由第一光学元件的这两个对置的面分别产生反射光束，所述反射光束可以被偏转到空间分辨传感器上。

典型地，第二光学元件具有第一面和与第一面对置的第二面，其中，第二子光束由第一面反射。第二光学元件可以设置为，第二光学元件的第二面反射第四子光束。由此，由第二光学元件的这两个对置的面分别产生反射光束，所述反射光束可以偏转到空间分辨传感器上。

至少一个光学元件的一个或多个面可以被涂覆，以便加强或减少反射。光学元件可以例如具有第一面和第二面，其中，所述两个面的至少一个面具有加强或减少反射的涂层。由此，一个面的(减少的)反射光束与另一个面的(加强的)反射光束相比可以被忽略。通过所述涂层可以调整子光束的用于确定焦点位置而考虑或使用的数量。

根据实施方式，评估单元设置用于基于至少第一子光束和第二子光束在空间分辨传感器上的位置和/或延伸范围来确定激光束的焦点位置。评估单元可以例如设置用于借助模型或模型函数将由空间分辨传感器测量的光束特性特征化，以便由此推导出激光束的焦点位置。特别是可以借助模型函数(例如通过Fit)由第一子光束和第二子光束的直径确定焦点位置。模型函数可以包括用于确定激光束的光束焦散线的Fit函数。

优选地，为了确定焦点位置而使用这两个光学元件的至少四个反射光束、即第一光学元件的第一子光束和第三子光束以及第二光学元件的第二子光束和第四子光束。四个反射光束的直径特别是可以借助模型函数评估，以便例如通过出自模型的额定位置的Fit(匹配)和测量到的直径评估光束焦散线。

在一些实施方式中，该装置包括在激光束的光路中的分光器，所述分光器设置用于透射激光束并且至少将第一子光束和第二子光束(并且可选地将第三子光束和第四子光束)反射到空间分辨传感器。分光器可以是可部分穿过的镜子。分光器可以关于激光加工系统的光轴倾斜地布置，以便使反射光束偏转离开激光束的光路。分光器例如能够关于光轴以大约45°倾斜，以便使基本上垂直于激光束的光路或者垂直于激光加工系统的光轴耦合输出反射光束。

根据实施方式，该装置可以具有用于将第一子光束和第二子光束(并且可选地第三子光束和第四子光束)成像到空间分辨传感器上的光学器件。

该装置优选地包括用于第一子光束和第二子光束(并且可选地第三子光束和第四子光束)的至少一个光学滤波器。光学滤波器可以光学地过滤反射光束，从而使适合于探测的或者最优的波长或波长范围到达空间分辨传感器。由此可以例如减少传感器信号中的背景噪声或噪声。替换地或附加地也可以使用用于调节在传感器上的信号强度的滤波器、例如衰减滤波器。

根据本公开文件的一个另外的方面给出一种激光加工系统。激光加工系统包括：用于提供激光束的激光装置、用于将激光束聚焦到工件上的聚焦光学器件和前述的用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的装置。激光加工系统可以是激光切割头或激光焊接头。

优选地，激光加工系统包括用于将由激光装置提供的激光束准直的准直器光学器件。用于确定焦点位置的装置的第一光学元件和第二光学元件特别是可以布置在聚焦光学器件的焦点区域中、即在光路中在聚焦光学器件之后。分光器可以在激光束的光路中布置在聚焦光学器件和准直器光学器件之间。

根据本公开文件的实施方式，给出一种用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的方法。该方法包括：由第一光学元件耦合输出第一反射光束，所述第一光学元件布置在激光束的光路中；由第二光学元件耦合输出第二反射光束，所述第二光学元件布置在激光束的光路中，其中，第一反射光束和第二反射光束是基本上同轴的；和基于第一反射光束和第二反射光束的直径确定激光束的焦点位置。

根据本公开文件的另外的实施方式，给出一种用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的方法，该方法包括以下步骤：由至少一个光学元件耦合输出至少一个第一和第二反射光束，所述至少一个光学元件布置在激光束的光路中；检测第一子光束和第二子光束的空间分辨的强度分布；和基于检测到的空间分辨的强度分布确定激光束的焦点位置。第一和第二反射光束或被反射的子光束可以在上一个并且同一个光学元件的不同的面(即表面)上产生，或者在两个不同的光学元件的面上产生。多于两个反射光束也可以由多于一个光学元件不同的面产生。这可以提高聚焦位置确定的准确度。

优选地，该方法还包括：可选地在使用额定聚焦位置的情况下基于确定的聚焦位置调整或调节焦点位置。

该方法可以包括并且实施根据在此所述的实施方式的用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的装置以及激光加工系统的特征和特性。

由强度分布可以确定第一和第二子光束的光束直径，所述光束直径用于确定焦点位置。为了确定焦点位置还可以使用用于光束焦散线的函数或模型，以便描述光束直径与沿着光束传播方向的位置相关的改变。反射光束或子光束的用于确定焦点位置的数量可以是预先已知的或确定的。耦合输出子光束、即产生反射光束的面之间的间距也可以已知的或确定的。该间距可以例如相应于至少一个光学元件的厚度或者相应于多个光学元件或者其组合之间的间距。由此可以确定第一子光束和第二子光束的被确定的光束直径之间的差。

附图说明

公开文件的实施例在附图中示出并且在下文中详细地说明。附图中：

图1示出具有根据本公开文件的实施方式的用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的装置的激光加工系统，

图2示出根据本公开文件的实施方式的激光加工系统的用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的装置以及聚焦光学器件，

图3示出激光束的耦合输出的反射光束的模拟，该反射光束通过根据本公开文件的实施方式的用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的装置的空间分辨的探测器接收，

图4A和B示出对图3的模拟的评估，

图5示出激光束的耦合输出的反射光束的对于另外的焦点位置或准直位置的模拟，该反射光束通过用于在激光加工系统中确定激光束的焦点位置的装置的空间分辨的探测器接收，

图6A和B示出对图5的模拟的评估，和

图7示出激光束的示意性的光束焦散线。

在下文中，只要不另外注明，对于相同的并且作用相同的元件使用相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出根据本公开文件的实施方式的激光加工系统100。激光加工系统100可以包括加工头101、例如切割头或焊接头。图1示例性地示出激光加工系统100或激光束10的光路的直的结构。然而当然也可以选择例如具有90°的角度的弯曲的结构。出于简明的目的，仅仅示出激光束10，而所述激光束的光路未完全示出。

激光加工系统100包括用于提供激光束10(也称为“加工光束”或“加工激光束”)的激光装置110。激光装置110可以包括光纤或者是光纤，激光束10通过所述光纤被传导到加工头101。激光加工系统100可以具有用于准直激光束10的准直器光学器件115、例如准直透镜或具有多个透镜的放大系统。激光束10可以由激光装置110通过可选的光学装置140射到准直器光学器件115，所述可选的光学装置可以是在准直器光学器件之前的保护玻璃、透镜或遮光板或者其组合。

激光加工系统100典型地包括用于将激光束10聚焦到工件1上的聚焦光学器件120、例如聚焦透镜。准直器光学器件115和聚焦光学器件120可以集成到加工头101中。加工头101可以例如包括准直器模块，所述准直器模块集成到加工头101中或者安装在加工头101上。

激光加工系统100或者其部件、例如加工头101可以根据实施方式沿着加工方向20运动。加工方向20可以是激光加工系统100、例如加工头101关于工件1的焊接方向和/或运动方向。加工方向20尤其可以是水平方向。加工方向20也可以称为“送进方向”。

激光加工系统100或激光加工头101包括根据本公开文件的实施方式的用于确定激光束10的焦点位置的装置200。图1和2中所示的装置200包括：第一光学元件210，所述第一光学元件设置用于反射激光束10的第一子光束12；第二光学元件220，所述第二光学元件设置用于反射激光束10的(优选地与第一子光束12基本上同轴的)第二子光束14；空间分辨传感器230，第一子光束12和第二子光束14能够偏转到所述空间分辨传感器上；和评估单元240，所述评估单元设置用于根据射到空间分辨传感器230上的第一和第二子光束12和14确定激光束10的焦点位置F。优选地，第一光学元件210和第二光学元件220在加工头101的光路中彼此平行地布置。光学元件210和220可以在光路中布置在聚焦透镜120的下游。替换地，光学装置也可以包括仅仅一个具有两个面的光学元件210，其中，第一面212设置用于反射激光束10的第一子光束12，并且与第一面212对置的第二面214设置用于反射激光束10的第二子光束14。也可以使用多于两个反射光束用于确定聚焦位置，如同在下文描述的那样。

第一光学元件210特别是布置在激光束10的光路中并且从激光束10耦合输出激光束10的一部分，该部分形成第一子光束12(和之后所述的可选的第三子光束)。第二光学元件220同样布置在激光束10的光路中并且从激光束10耦合输出激光束10的另外的部分，所述另外的部分形成第二子光束14(和之后所述的可选的第四子光束)。第二光学元件220特别是耦合输出由第一光学元件210透射的激光束的一部分，该部分形成第二子光束14(和之后所述的可选的第四子光束)。

根据本发明使用至少一个光学元件，以便从激光束的光路耦合输出至少两个基本上同轴的反射光束。同轴的反射光束偏转到空间分辨传感器上，其中，由被空间分辨传感器测量到的数据可以实时地(在线)确定激光束的焦点位置。光学元件可以例如是保护玻璃，所述保护玻璃布置在聚焦光学器件120之后。由此可以提供用于激光材料加工的系统，所述系统以工程技术上紧凑的并且模块化的方式实时地实现聚焦位置测量并且由此也实时地实现焦点位置的调节。

激光束10的焦点位置F可以基本上平行于激光加工系统100的光轴2被限定或确定。在图1中示出示例性地在工件1的表面上方的焦点位置F。激光加工系统100可以根据实施方式包括用于调节焦点位置的机构。该机构可以基于由装置200测定的焦点位置F改变焦点位置F或者调节到额定值。焦点位置F可以例如这样调节，以使得所述焦点位置处于工件1的区域中、例如处于该工件的表面或者工件1内部。用于调节焦点位置F的机构可以例如包括调节驱动装置，所述调节驱动装置为了聚焦位置调节使光束导向透镜的至少一个光学元件、例如准直器光学器件115和/或聚焦光学器件120移动。

在一些实施方式中，装置200包括在激光束10的光路中的分光器250，所述分光器设置用于透射激光束10并且将反射光束、即至少将第一子光束12和第二子光束14反射到空间分辨传感器230。换句话说，分光器250可以设置用于，由光学元件210和220耦合输出同轴的反射光束并且偏转到空间分辨传感器230。分光器250典型地是可部分穿过的镜子。分光器250可以关于激光加工系统100的光轴2倾斜地布置，以便使反射光束偏转离开激光束10的光路。分光器250能够例如关于光轴2以大约45°倾斜，以便使反射光束基本上垂直于激光束10的光路或激光加工系统100的光轴2偏转离开并且指向空间分辨传感器230的方向。典型地，分光器250在激光束10的光路中布置在聚焦光学器件120和准直器光学器件115之间。

装置200的第一光学元件210和第二光学元件220可以布置在聚焦光学器件120的焦点区域中、即在激光束10的光路中紧接着聚焦光学器件120布置。第一光学元件210和第二光学元件220特别是可以布置在聚焦光学器件120和焦点位置F之间。第一光学元件210和第二光学元件220典型地布置在聚焦光学器件120和喷嘴130之间，以便保护加工头101内部并且特别是聚焦光学器件120免受污染。

在一些实施方式中，第一光学元件210和/或第二光学元件220是透射光学元件。透射光学元件可以设置用于透射激光束10的第一部分并且反射激光束10的至少一个第二部分。激光束10的第一部分可以为了材料加工被偏转到工件1上。激光束的第二部分可以从光路被耦合输出并且用于确定激光束10的焦点位置F。换句话说，激光束的子光束是激光束10的耦合输出的部分或光束部分，该激光束也称为“主光束”。

第一光学元件210和第二光学元件220可以依次相继地、并且特别是直接依次相继地布置在激光束10的光路中。直接依次相继地是指，没有另外的光学元件存在或者布置在第一光学元件210和第二光学元件220之间。第一光学元件210和第二光学元件220可以特别是单独的光学元件，所述单独的光学元件彼此隔开间距沿着光路布置。通过这两个单独的光学元件可以使第一子光束12和第二子光束14彼此基本上同轴地定向。

第一光学元件210和/或第二光学元件220典型地由玻璃构成，并且可以特别是保护玻璃。保护玻璃可以布置在喷嘴130的光束输出侧。可以存在保护玻璃，以便保护在激光加工系统内部的(光学)元件和特别是聚焦光学器件120免受例如会通过飞溅物或浓烟引起的污染。

第一光学元件210具有第一面212和与第一面212对置的第二面214。所述面可以是平面。第一面212和第二面214典型地基本上彼此平行地延伸。第一子光束12可以由第一面212或第二面214反射。第二光学元件220具有第一面222和与第一面222对置的第二面224。所述面可以是平面。第一面222和第二面224典型地基本上彼此平行地延伸。第二子光束14可以由第一面222或第二面224反射。

由第一子光束12和第二子光束14反射的面可以相同地定向。所述面可以例如包括一个并且同一个光学元件的上方的面或第一面以及下方的面或第二面。在两个光学元件的情况中，所述面可以是第一光学元件210和第二光学元件220的关于激光束10的传播方向、即从激光装置110朝向工件1的方向在上方的面或第一面。在一个另外的实例中，所述面可以是第一光学元件210和第二光学元件220的在下方的面或第二面。

根据实施方式，第一光学元件210和/或第二光学元件220基本上垂直于激光加工系统100的光轴2定向。换句话说，第一光学元件210和第二光学元件可以基本上彼此平行地定向。特别是可以第一光学元件210的第一面212和第二面214和/或第二光学元件220的第一面222和第二面224的至少一个面基本上垂直于光轴定向。然而本公开文件局限于此，并且第一光学元件210和/或第二光学元件220可以关于光轴2倾斜或者具有相对于光轴2以不等于90°的角度定向的面。

每个传感器可以用作空间分辨传感器230，通过所述空间分辨传感器可以测定例如射到空间分辨传感器230上的光束、即子光束12或14的直径。例如摄像机用作空间分辨传感器230，所述空间分辨传感器的传感器面例如由CCD-传感器构成。

根据实施方式，评估单元240设置用于基于至少第一子光束12和第二子光束14在空间分辨传感器230上的位置和/或延伸范围并且特别是直径确定激光束10的焦点位置F。评估单元240可以例如设置用于借助模型或模型函数将由空间分辨传感器230测量到的光束特性特征化，以便由此推导出激光束10的焦点位置F。特别是可以由第一子光束12和第二子光束14的直径借助模型函数(例如通过Fit)确定焦点位置F。换句话说，由直径可以计算焦点位置F。

所述模型或模型函数可以在此在制造公差方面是鲁棒的，即当不存在光束直径的完美的同心性时，或者当出现在涂层的剩余反射中的波动和在显著的厚度或间距上的偏差时等是鲁棒的。

在一些实施方式中，装置200可以具有将反射光束、例如第一子光束12和第二子光束14成像到空间分辨传感器230上的透镜。

在另外的实施方式中，装置200可选地包括用于反射光束、例如第一子光束12和第二子光束14的至少一个光学滤波器。光学滤波器可以光学地过滤反射光束，从而使适合于探测的或者最优的波长或波长范围到达空间分辨传感器230。由此可以例如减少传感器信号中的背景噪声或噪声。光学滤波器也可以包括用于调节空间分辨传感器230的信号强度的滤波器。

图2示出根据本公开文件的实施方式的用于确定焦点位置的装置200以及聚焦光学器件120。

第一光学元件210具有第一面212和与第一面212对置的第二面214。第二光学元件220具有第一面222和与第一面222对置的第二面224。在一些实施方式中，由第一或第二光学元件的两个对置的面的每个面分别产生反射光束(子光束)，所述反射光束偏转到空间分辨传感器230上。由此可以借助分光器从主光束耦合输出保护玻璃的所有四个平面的反射光束并且(可选地通过成像光学器件)指向空间分辨传感器上。空间分辨传感器的图像可以借助模型(函数)基于四个同轴的光束直径在评估单元中被评估，以便确定激光束的焦点位置。

第一光学元件210可以设置用于反射第一子光束12和第三子光束16。第一子光束12可以由第一光学元件210的第一面212反射，第三子光束16可以由第一光学元件210的第二面214反射。第二光学元件220可以设置用于反射第二子光束14和第四子光束18。第二子光束14可以由第二光学元件220的第一面222反射，并且第四子光束18可以由第二光学元件220的第二面224反射。

也就是说，为了确定焦点位置，可以使用这两个光学元件的至少四个反射光束、即第一光学元件210的第一子光束12和第三子光束16以及第二光学元件220的第二子光束14和第四子光束18。四个反射光束的直径特别是可以借助模型函数评估，以便例如通过Fit确定焦点位置。第一子光束12、第二子光束14、第三子光束16和第四子光束18可以是基本上同轴的，并且可以特别是基本上同轴地射到空间分辨传感器上。

图3示出激光束的耦合输出的反射光束的模拟，所述反射光束通过空间分辨传感器或探测器接收。图像相应于反射光束或子光束的以mW/cm2或以任意单位的强度分布，所述反射光束或子光束叠加地射到传感器上。图3(a)示出线性标度上的、空间分辨传感器的模拟信号的取反灰度图像。图3(b)示出对数标度上的、空间分辨传感器的模拟信号的取反灰度图像。图3(c)示出线性标度上的、模拟信号的假色图像。图3(d)示出对数标度上的、模拟信号的假色图像。

图4示出对图3的模拟的评估。特别是示出截面图，在截面图中能够看到反射光束的直径。总共存在四个反射光束的四个直径，所述四个反射光束由两个光学元件的四个平面产生(箭头)。图4A示出线性标度，即对图3(a)和(c)中所示的模拟的评估。图4B示出对数标度，即对图3(b)和(d)所示的模拟的评估。

图5和6示出另外的焦点位置或准直位置与图3和4中示出的模拟所使用的焦点位置或准直位置的对比模拟。

图5示出激光束的耦合输出的反射光束的模拟，所述反射光束由空间分辨的探测器接收。图像相应于射到的反射光束或射到的子光束以任意单位的强度分布。图5(a)示出线性标度上的、模拟信号的取反灰度图像(类似于图3a)。图5(b)示出对数标度上的、模拟信号的取反灰度图像(类似于图3b)。图5(c)示出线性标度上的、模拟信号的假色图像(类似于图3c)。图5(d)示出对数标度上的、模拟信号的假色图像(类似于图3d)。

图6示出对图5的模拟的评估。特别示出是模拟的截面图，在截面图中能够看到反射光束的直径。总共存在四个反射光束的四个直径，所述四个反射光束由两个光学元件的四个平面产生。图6A示出线性标度，即对图5(a)和(c)中所示的模拟的评估。图6B示出对数标度，即对图5(b)和(d)中所示的模拟的评估。

光束直径的改变与光束传播方向相关地数学地通过所谓的光束焦散线描述。图7示出激光束的示意性的光束焦散线，其中，借助测量数据和模型确定的光束直径(相应于图7中的圆)借助所述模型被匹配成光束焦散线(在图4中的包络线)，以便将光束特征化，并且特别是用于确定聚焦位置、即光束的最小直径的位置。所述模型描述例如至少两个反射光束的光程之间的差。如果成像透镜布置在传感器230之前，则这可以在所述模型中被考虑。

根据本发明使用至少一个光学元件，以便从激光束耦合输出至少两个基本上同轴的反射光束。替换地也可以使用两个光学元件，以便产生至少两个基本上同轴的反射光束或子光束。保护玻璃可以用作光学元件。由此实现简单地模块化地集成到激光加工头中。为了耦合输出可以使用分光器。同轴的反射光束偏转到空间分辨传感器上，其中，可以由被空间分辨传感器测量到的数据实时地(在线)确定激光束的焦点位置。特别是可以使用模型或模型函数，以便评估光束焦散线并且推断出焦点位置。

Claims (15)

1.一种用于在激光加工系统(100)中确定激光束(10)的焦点位置(F)的装置(200)，其包括：

至少一个光学元件(210，220)的至少两个面，所述至少两个面分别设置用于反射所述激光束(10)的一部分以耦合输出子光束(12，14，16，18)，其中，包括第一子光束(12)和第二子光束(14)的至少两个子光束基本上同轴地叠加；

空间分辨传感器(230)，所述空间分辨传感器用于检测叠加的子光束(12，14)的强度分布；和

评估单元(240)，所述评估单元设置用于基于由所述空间分辨传感器(230)检测到的、所述基本上同轴地叠加的子光束(12，14)的强度分布来确定所述基本上同轴地叠加的子光束(12，14)的直径，并且基于所述子光束(12，14)的直径来确定所述激光束(10)的焦点位置(F)。

2.根据权利要求1所述的装置(200)，其中，所述至少一个光学元件(210，220)是透射光学元件和/或保护玻璃。

3.根据权利要求1或2所述的装置(200)，其中，所述至少一个光学元件(210，220)垂直于所述激光加工系统(100)的光轴(2)布置。

4.根据权利要求1或2所述的装置(200)，其中，一个面(212)和另外的面(214，222，224)垂直于所述激光加工系统(100)的光轴(2)和/或在所述激光束(10)的焦点区域中布置，即在光路中在聚焦光学器件之后。

5.根据权利要求1或2所述的装置(200)，其中，所述子光束的数量和/或所述子光束的光路长度之间的差是已知的。

6.根据权利要求1或2所述的装置(200)，其中，所述至少一个光学元件(210，220)包括第一光学元件(210)，所述第一光学元件具有第一面(212)，其中，所述第一子光束(12)由所述第一光学元件(210)的第一面(212)反射，和/或

其中，所述至少一个光学元件(210，220)包括第二光学元件(220)，所述第二光学元件具有第一面(222)，所述第二子光束(14)由所述第二光学元件(220)的第一面(222)反射。

7.根据权利要求6所述的装置(200)，其中，所述第一光学元件(210)还包括与第一面(212)对置的第二面(214)，该第二面设置用于反射第三子光束(16)，和/或

其中，所述第二光学元件(220)还包括与第一面(222)对置的第二面(224)，该第二面设置用于反射第四子光束(18)。

8.根据权利要求1或2所述的装置(200)，该装置还包括分光器(250)，所述分光器设置用于将所述激光束(10)透射至工件并且用于将子光束(12，14)反射至所述空间分辨传感器(230)。

9.根据权利要求1或2所述的装置(200)，该装置还包括用于将所述子光束(12，14)成像到所述空间分辨传感器(230)上的光学器件。

10.根据权利要求1或2所述的装置(200)，该装置还包括用于所述子光束(12，14)的至少一个光学滤波器，所述至少一个光学滤波器布置在所述至少一个光学元件(210，220)和所述空间分辨传感器(230)之间。

11.一种激光加工系统(100)，其包括：

用于提供激光束(10)的激光装置(110)；

用于将所述激光束(10)聚焦到工件(1)上的聚焦光学器件(120)；和

根据权利要求1至10中任一项所述的装置(200)。

12.根据权利要求11所述的激光加工系统(100)，其中，所述至少一个光学元件(210，220)在所述激光加工系统(100)的光路中布置在所述聚焦光学器件(120)下游。

13.根据权利要求12所述的激光加工系统(100)，其中，所述激光加工系统(100)包括激光切割头或激光焊接头(101)。

14.根据权利要求13所述的激光加工系统(100)，其中，所述激光加工系统(100)是激光切割头或激光焊接头(101)。

15.一种用于在激光加工系统(100)中确定激光束(10)的焦点位置(F)的方法，其包括：

由至少一个光学元件(120，220)耦合输出至少一个第一和第二子光束(12，14)，所述至少一个光学元件布置在所述激光束(10)的光路中，其中，所述第一子光束(12)和所述第二子光束(14)基本上同轴地叠加；

检测所述基本上同轴地叠加的子光束(12，14)的空间分辨的强度分布；

基于所述叠加的子光束(12，14)的检测到的、空间分辨的强度分布来确定所述基本上同轴地叠加的子光束(12，14)的直径，并且

基于所述子光束(12，14)的所确定的直径来确定所述激光束(10)的焦点位置(F)。

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