CN113891776A - 用于确定激光束的焦点位置的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于确定激光加工头的加工激光束的焦点位置的设备，其中，所述设备包括用于从激光束的射束路径中耦合输出子射束的光学耦合输出元件、用于检测子射束的至少一个射束参数的探测器和具有可调设的焦距的至少一个光学元件，该光学元件在该子射束的射束路径中布置在光学耦合输出元件与探测器之间。此外，公开了一种包括这种设备的激光加工头以及一种用于确定激光束的焦点位置的方法。

Description

用于确定激光束的焦点位置的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定激光束的、尤其是激光加工头中的加工激光束的焦点位置的设备和一种用于确定激光束的焦点位置的方法。此外，本发明涉及一种包括这种设备的激光加工头。这种设备和方法能够用于在激光材料加工时确定和调节激光加工头中的焦点位置。

背景技术

激光材料加工中的一个问题是所谓的“热透镜(热诱导的折射能力变化)”，该热透镜能够归因于通过激光功率、尤其是在数千瓦范围中的激光功率对用于激光束引导和激光束聚焦的光学元件的加热和光学玻璃的折射率的温度相关性。在激光材料加工时，热透镜导致沿着射束传播方向的焦点移动，该焦点移动在加工工件时具有负面影响。因此，为了保证加工质量，期望通过对焦点位置进行测量来控制焦点位置。即，需要检测相应的焦点位置并且补偿焦点位置移动、即需要提供快速且精确的焦点位置调节。

热透镜的起因在于沿着光学部件的径向的热梯度。由于径向的激光功率分布，温度并且因此折射率改变在光学器件中心处比在边缘处明显更强。如果只测量激光束的折射部分，则关于热透镜的信息丢失并且不可能精确地求取其对焦点位置的影响。在非常明显的热透镜的情况下，能够预期球面像差。即，由于在边缘上的和在光学部件的中心上的不同温度，边缘射束和近轴射束不入射到相同的焦点上。此外，边缘射束的功率份额小于近轴射束的功率份额。如果仅借助边缘射束的信息求取焦点位置，则也能够预期测量的低准确性。热透镜不仅导致焦点移动，还由于成像误差导致射束质量的恶化。这导致整个射束焦散面的变化，即也导致焦点直径的变化。因此，通过与参考值的比较来求取焦点位置，是不准确的。

为了确定激光束的焦点位置，已知不同的方法和设备。问题在于将这些方法和设备集成到激光加工头中，以便在激光材料加工过程期间实时地保证精确的焦点位置测量。

国际标准ISO 11146规定用于测量激光束的方法、尤其是用于激光束参数的检查方法。在此尤其给出，能够如何测量射束规格(Strahlabmessung)，例如射束宽度或者射束直径、发散角、射束传播系数、衍射指数和射束质量。为了确定焦点位置、即射束的最小直径的位置，确定在沿着射束走向的至少十个位置上的射束直径。根据射束传播方向或射束传输方向(Strahlpropagationsrichtung)在数学上借助所谓的射束焦散面描述射束直径的变化。通过使所测量的射束直径匹配于射束焦散面，不仅能够求取焦点位置，还能够求取所有其他激光束参数。

根据DE 10 2015 106 618 B4，基于激光功率在使用相应的特性曲线族的情况下进行焦点位置调节，所述特性曲线族描述取决于激光功率的焦点移动。

虽然借助在不测量实际焦点位置的情况下能够实现焦点位置调节的方法和设备能够以最小的结构技术开销实现在加工质量方面的改进，但是不能够实现在焦点位置调节方面的高精度并且因此也不能够实现高的加工质量。

DE 196 30 607 C1描述一种用于监控激光束的能量的设备。由于窗口相对于激光束的轴线的倾斜位态，一部分从激光束中耦合输出并且指向探测器。在此，探测器布置在将激光束成像到基底上的光学器件的图像平面中，该图像平面相应于基底的表面。

除此之外，尤其是在激光切割中，优选具有尽可能大的自动聚焦范围的激光加工头。然而，自动聚焦范围越大，就越难提供简单且紧凑的焦点位置测量。换言之，更大的自动聚焦范围导致更大的结构技术体积。例如，具有50mm的自动聚焦范围的用于激光切割的激光加工头需要以下焦点位置测量设备：该焦点位置测量设备在该范围内实现一致的测量分辨率。

发明内容

即，本发明的任务在于，提供一种用于确定、优选实时地确定激光束的、尤其是激光加工头的加工激光束的焦点位置的设备，所述设备能够以最小的结构技术开销并且通过紧凑且简单的方式实现或者能够集成到激光加工头中，以及提供一种具有该设备的激光加工头。本发明的另一个任务在于，提供一种用于简单且精确地确定、优选实时地确定激光束的、尤其是激光加工头的加工激光束的焦点位置的方法。

该任务通过根据权利要求1的设备、根据权利要求11的激光加工头和根据权利要求11的方法得到解决。有利的构型是从属权利要求的主题。

根据一种实施方式，根据本发明的用于确定激光束的、尤其是激光加工头的加工激光束的焦点位置的设备包括：用于从激光束的射束路径中耦合输出子射束的光学耦合输出元件，用于检测子射束的至少一个射束参数的探测器，和具有可调设的焦距的至少一个光学元件，该光学元件在子射束的射束路径中布置在光学耦合输出元件与探测器之间。

优选地，该设备此外包括分析处理单元，该分析处理单元设置用于，基于子射束的所检测的至少一个射束参数的多个值和光学元件的所调设的焦距的相应的配属的值确定激光束的焦点位置。

借助子射束的射束路径中的具有可调设的或者可变的焦距的光学元件和紧接着布置的探测器，能够在光学元件的所调设的不同的焦距的情况下沿着子射束的传播方向或者传输方向检测射束参数。例如，针对光学元件的所调设的每个焦距，能够求取用于子射束的射束参数的相应的值。由此，例如能够扫描或者确定子射束的射束焦散面。由于耦合输出的子射束的射束焦散面与激光束的射束焦散面相对应，因此，根据耦合输出的子射束的射束焦散面能够确定激光束的当前的或实际的射束焦散面。

分析处理单元还能够设置用于确定光学元件的以下所调设的焦距：在该焦距的情况下，所检测的至少一个射束参数具有最大值或者最小值。基于所检测的射束参数和光学元件的相应的所调设的焦距，能够确定激光束的、尤其是加工激光束的实际的焦点位置。优选地，为了确定焦点位置，能够确定光学元件的以下所调设的焦距：在该焦距的情况下，子射束的射束参数具有极值，例如在该焦距的情况下子射束的激光强度具有最大值和/或在该焦距的情况下子射束的射束直径具有最小值。最后，基于用于所调设的焦距的所述值，能够确定激光束的或加工激光束的焦点位置。

另一方面，在借助激光加工头的加工激光束进行的加工过程期间能够确定激光束的焦点位置是否已改变。为此，能够保持光学元件的焦距恒定，即该焦距调设为固定的。在加工过程开始时或者在启动加工过程之前，例如调设加工激光束的期望的焦点位置，例如在待加工的工件上，并且通过探测器求取子射束的射束参数的参考值。在此，能够如此调设具有可调设的焦距的光学元件，使得该可调设的焦距是无穷大的或者说调设为无折射能力。在加工过程的进程中，激光加工头的光学元件的折射能力能够改变，尤其是由于热透镜现象，这导致激光束的焦点位置的变化。这同样导致子射束的由探测器检测的射束参数的改变。通过将通过探测器连续检测的射束参数与先前经测量的参考值进行比较能够确定所述改变，并且该改变是用于子射束的焦点位置的改变的度量。由此，能够确定激光束的焦点位置的改变。此外，能够根据通过探测器连续检测的射束参数与先前所求取的参考值的比较确定当前的焦点位置与激光束的加工过程开始时的焦点位置之间的区别。

分析处理单元能够设置用于还基于下述值中的至少一个值确定激光束的焦点位置：光学耦合输出元件的取向、光学耦合输出元件至探测器的间距、光学耦合输出元件至聚焦单元的间距、光学耦合输出元件至具有可调设的焦距的光学元件的间距、和具有可调设的焦距的光学元件至探测器的间距，其中，间距在此指的是沿着子射束的射束传播方向的路径长度。

激光强度也能够被称为表面功率密度或者能够简称为“功率密度”。例如，能够以“瓦特每平方米”为单位给出表面功率密度。

即，为了获得简单且在结构技术方面紧凑的、用于在激光加工过程期间精确地确定、优选实时地确定焦点位置的解决方案，在第一步骤中，从激光束中耦合输出子射束。在第二步骤中，借助探测器和具有可调设的焦距的光学元件来求取耦合输出的子射束的焦点位置。

具有可调设的焦距的光学元件能够静止地布置在子射束的射束路径中，但是至少沿子射束的射束传播方向静止地布置。根据一种实施方式，具有可变的焦距的至少一个光学元件关于子射束的传播方向静止地布置。换言之，光学元件的位置能够是沿着子射束的传播方向固定的或者确定的。探测器的位置也能够是沿着子射束的传播方向固定的或者确定的或静止的。优选地，探测器布置在子射束的射束路径中，使得子射束在经过具有可调设的焦距的光学元件之后入射到探测器上。换言之，探测器能够在子射束的射束路径中布置在光学元件后方。具有可调设的焦距的光学元件能够具有自动聚焦功能。

通过具有可变的焦距的光学元件能够在不使具有可调设的焦距的光学元件或者探测器沿着子射束的传播方向或者说在轴向上移动的情况下确定激光束的焦点位置或者说射束焦散面。由此，能够实现根据本发明的设备的紧凑的结构形式。此外，由此能够实时地求取激光束的焦点位置，因为不需要借助执行器或者马达使设备的元件移动。此外，该设备并且因此具有该设备的激光加工头也能够构造得较不复杂且更简单，因为例如不需要用于使元件移动的引导元件。

除此之外，根据本发明的设备能够在具有自动聚焦功能的激光加工头中或者在模块化的激光加工头中使用。例如，根据本发明的设备能够在具有不同聚焦焦距的激光加工头中使用，而无需大的在结构技术方面或构造方面的开销和影响。例如，根据本发明的设备不仅能够在具有150mm的焦距的激光加工头中使用，还能够在具有200mm的焦距的激光加工头中使用。能够借助具有可调设的或可变的焦距的光学元件(例如借助液体透镜)来补偿焦距方面的区别。

探测器能够设置用于检测子射束的激光强度和/或射束直径。根据一种实施方式，探测器设置用于，在至少一个光学元件的所调设的不同的焦距的情况下检测子射束的激光强度和/或射束直径。分析处理单元设置用于，相应于子射束的最大激光强度和/或相应于子射束的最小射束直径确定光学元件的焦距的所调设的值。

例如，探测器构型为单像素传感器。由此，简化对由探测器产生的信号或者数据的分析处理。探测器能够是非地点分辨式传感器。在这种情况下，探测器的传感器面

优选小于子射束的相应于最小射束直径的横截面面积

换言之，传感器面的横截面能够小于子射束的射束直径。探测器的传感器面能够布置在子射束的横截面内或射束直径内，优选地，传感器面布置在子射束的光轴上。

此外，该设备能够包括光阑，该光阑布置在具有可调设的焦距的光学元件与探测器之间。光阑优选与耦合输出的子射束的光轴同轴地布置或布置在该光轴上。光阑开口的面积能够等于或者小于子射束的相应于最小射束直径的横截面面积。由此能够保证，即使不使用地点分辨式探测器或者使用具有更大面积的单像素传感器，探测器也始终求取子射束的激光强度，该激光强度取决于子射束的焦点位置或激光束的焦点位置。

在另一示例中，对辐射强度敏感的光电探测器能够用作探测器，该光电探测器能够是单像素传感器。在这种类型的光电探测器的情况下，传感器输出不仅取决于入射的光子的总流量，还取决于如下面的尺寸：光子入射到所述面上。这表示，如果射束直径变化，则传感器输出的信号沿着子射束的射束传播变化。由此能够实现对辐射强度的测量。辐射强度沿着传播方向在焦点上达到最大值。因此，激光强度在射束直径沿着子射束的传播方向最小的地方达到最大值。

辐射强度敏感性是非线性的光敏感性，如对于许多薄膜太阳能电池技术而言典型的那样，例如

电池(也被称为电化学染料太阳能电池，英语“dye-sensitized solarcell”，染料敏化太阳能电池)。电化学染料太阳能电池不使用半导体材料来吸收光线，而是使用有机染料。与其他半导体技术(硅、InGaAs等等)相比，由于高度本地化的电荷载体和电荷传输过程，这些光电探测器技术中的电荷传输过程导致与辐射强度相关的敏感性。

探测器也能够包括地点分辨式传感器，例如多像素传感器或者CCD摄像机。这能够实现对子射束的射束直径的检测。在这种情况下，分析处理单元能够设置用于，基于通过传感器检测的射束直径确定焦点位置。探测器也能够包括光电二极管阵列。在这种情况下，像素数量能够比在CCD摄像机的情况下小。由此能够简化对探测器信号的分析处理。

优选地，至少一个光学元件具有连续的和/或能够任意调设的或可变的焦距。例如，光学元件的焦距能够在-1m与+1m之间变化。

具有可调设的焦距的至少一个光学元件能够包括可变形的或可形变的光学元件。例如，具有可变的焦距的光学元件能够包括可变形的透镜。可变形的透镜的一个示例是液体透镜。对光进行折射的材料能够是液体。对光进行折射的材料同样能够是可变形的聚合物。在这种情况下，可变形的透镜是聚合物透镜。同样，具有可变的焦距的光学元件能够包括可变形的镜。例如，该可变形的镜能够是压电可形变的镜或者基于MEMS(“微光机电适应性，microoptoeletromechanical adaptive”)的镜。该可变形的镜还能够是具有通过压力可变半径的镜。因此，根据本发明，可变形的反射式光学元件和可变形的透射式光学元件能够用作具有可调设的焦距的至少一个光学元件。

具有可变的焦距的至少一个光学元件能够包括相对于彼此可旋转的多个光学元件。例如，具有可变的焦距的光学元件能够包括莫尔透镜或者莫尔透镜对。该透镜能够通过旋转在宽的焦距范围内聚焦。

具有可变的焦距的至少一个光学元件能够包括上述元件中的一个或者多个元件，或者能够包括上述元件中的不同元件的组合。例如，具有可变的焦距的至少一个光学元件能够构造为透镜组，其中，透镜组的透镜中的一个透镜是液体透镜。

此外，设备能够包括控制单元，该控制单元设置用于调设具有可调设的焦距的至少一个光学元件的焦距。

换言之，控制单元能够设置用于控制光学元件的焦距。控制单元能够设置用于连续地或者离散地调设光学元件的焦距。换言之，控制单元能够设置用于调设用于光学元件的焦距的不同值。由此能够对子射束的射束焦散面进行测量或扫描。

根据一种实施方式，具有可调设的焦距的至少一个光学元件能够包括具有可调设的焦距的第一光学元件和具有可调设的焦距的第二光学元件。控制单元能够设置用于，独立于第二光学元件的焦距地对第一光学元件的焦距进行调设。此外，控制单元能够设置用于，基于激光加工系统的激光束的目标焦点位置对第一光学元件的焦距进行调设。随后，能够保持用于第一光学元件的焦距的值恒定。能够例如连续地改变第二光学元件的焦距，以便如此检测用于至少一个射束参数的不同值。

换言之，控制单元能够设置用于，通过调设第一光学元件的焦距来实现激光加工头的光导纤维的端部在设备的探测器上的成像。由此，根据本发明的设备能够被调设在激光束的所调设的焦点位置、即能够被调设在加工激光束的焦点位置的目标值。这相当于根据激光束的所调设的焦点位置或者目标焦点位置对根据本发明的设备的预调设。此外，控制单元能够设置用于，例如连续地改变第二光学元件的焦距，使得能够如上所示地例如由激光强度的沿着射束传播方向的最大值确定激光束的实际的或当前的焦点位置、即焦点位置的实际值。

控制单元的功能性还能够通过分析处理单元来实施。

根据一个实施例，光学耦合输出元件设置用于借助部分反射从激光束的射束路径中耦合输出子射束。光学耦合输出元件能够构造为对于激光束而言是半透明的。耦合输出的子射束能够是入射的激光束的经反射的或者经透射的部分。光学耦合输出元件能够构造为分束器，或者能够包括分束器。

光学耦合输出元件能够设置用于耦合输出具有如下射束传播方向的子射束：该射束传播方向与穿过光学耦合输出元件之后的激光束的射束传播方向围成一角度，该角度大于0°且小于180°、优选大于或者等于90°且小于180°或者在45°与135°之间。光学耦合输出元件能够以相对于激光束的传播方向倾斜的方式布置。换言之，光学耦合输出元件能够在加工激光束的射束路径中斜角地布置，或者光学耦合输出元件能够关于光轴斜角地

歪斜地(gekippt)或者倾斜地布置。

优选地，如此构造光学耦合输出元件，使得通过激光束的整个横截面面积实现子射束的耦合输出。由此，除了激光束的边缘射束之外，还耦合输出激光束的中间的射束，并且由探测器来测量所述中间的射束。

光学耦合输出元件能够包括保护玻璃和/或镜。

例如，光学耦合输出元件包括激光加工头的最后的透明的光学表面或者最后的透明的光学表面中的一个，所述最后的透明的光学表面或所述最后的透明的光学表面中的一个沿加工激光束的传播方向位于待加工的工件前方。例如，激光加工头的最后的保护玻璃相对于激光加工头的光轴或相对于加工激光束的传播方向斜角地或者倾斜地布置。

在例如借助保护玻璃耦合输出子射束时，可能由于耦合输出元件的不同面上的反射而发生多个子射束的耦合输出。在此，子射束也能够被称为反向反射。根据本发明，只需要或只期望一个耦合输出的子射束，以便用于检测至少一个射束参数。为了防止多个子射束被耦合输出，或为了防止不期望的耦合输出的子射束到达探测器，能够使用具有预给定的或增加的厚度的耦合输出元件、例如保护玻璃，使得能够容易且可靠地在空间上分离保护玻璃两侧的反向反射。在光学耦合输出元件的或保护玻璃的沿着光轴相继布置的表面上的不同涂层能够作为用于分离额外的反向反射的替代措施，或者能够使用楔形的保护玻璃作为耦合输出元件或者能够在耦合输出的子射束的射束路径中附加地布置一楔形体。

用于借助保护玻璃耦合输出子射束的一种替代方案是，借助半透性的镜使加工激光束转向并且将探测器布置在镜后方。即，耦合输出元件能够包括半透性的镜，其中，探测器布置在入射在镜上之前的加工激光束的光轴的延长上、但是沿射束传播方向布置在镜后方。在这种情况下，子射束相应于入射在镜上的激光的经透射的部分，入射在镜上的激光的经反射的部分被用作用于材料加工的加工激光束。

分析处理单元能够与探测器和控制单元连接。分析处理单元能够从探测器获得子射束的激光强度的所检测的值和/或子射束的射束直径的所检测的值。分析处理单元能够从控制单元获得光学元件的焦距的所调设的值。基于从探测器和控制单元获得的值，分析处理单元能够确定子射束的射束焦散面和/或能够确定子射束的最大激光强度和/或子射束的最小射束直径。此外，分析处理单元能够确定该最大激光强度的和/或该最小射束直径的在子射束的传播方向中的地点，或者能够相应于该最大激光强度或相应于该最小射束直径确定光学元件的所调设的焦距。

此外，本发明涉及一种包括根据本发明的设备的激光加工头。根据一种实施方式，激光加工头设置用于产生用于对工件进行激光材料加工的激光束或加工激光束。根据本发明，光学耦合输出元件布置在激光束的或加工激光束的射束路径中。

此外，激光加工头能够包括聚焦单元，用于例如关于待加工的工件对激光束的焦点位置进行调设。聚焦单元能够包括一个或者多个光学元件，例如准直光学器件或准直透镜或准直透镜组和/或聚焦光学器件或聚焦透镜或者聚焦透镜组。聚焦单元或该聚焦单元的至少一个或者多个元件或者部分，能够沿着激光束的传播方向移动。此外，激光加工头能够包括调节单元。调节单元能够设置用于，基于通过设备确定的焦点位置对聚焦单元进行调设或者使聚焦单元移动。例如，调节单元能够将通过设备确定的实际的焦点位置(换言之，焦点位置的实际值)与焦点位置的目标值进行比较并且基于该比较通过调设聚焦单元来调设焦点位置。换言之，调节单元设置用于，通过聚焦单元基于通过设备确定的实际的或当前的焦点位置对焦点位置进行调节。由此，例如能够弥补或补偿由于热透镜现象造成的、激光束的焦点偏移或者不期望的焦点位置变化。

调节单元能够从设备接收加工激光束的焦点位置的通过设备确定的值、即焦点位置的实际值，并且能够将焦点位置的所确定的值与加工激光束的焦点位置的目标值进行比较。调节单元能够基于该比较对加工激光束的焦点位置进行调设或调节。

根据本发明的加工激光束能够实现对加工激光束的焦点位置的自动调节或追踪。通过根据本发明的激光加工头，能够连续地测量和调节加工激光束的焦点位置。换言之，能够实时地测量和调节焦点位置。

激光加工头能够是模块化的激光加工头或者具有自动聚焦功能的激光加工头、尤其是具有大约50mm或者以上的大的自动聚焦范围的激光加工头。

优选地，光学耦合输出元件布置在激光束的朝向焦点会聚的部分中。换言之，光学耦合输出元件能够在激光束的传播方向中在聚焦单元后方布置在激光束的射束路径的会聚区域中。

根据本发明的设备的分析处理单元能够布置或者集成在设备的控制单元中、设备的探测器中或者激光加工头的调节单元中。设备的分析处理单元的上述功能能够通过设备的控制单元、通过设备的探测器或者通过激光加工头的调节单元来实施。例如，激光加工头的调节单元能够直接与具有可变的焦距的光学元件的控制单元和探测器连接，以便接收相应的信号。分析处理单元的功能还能够通过这些元件中的多个元件共同实施。

此外，本发明涉及一种用于确定激光束的、尤其是激光加工头中的加工激光束的焦点位置的方法。该方法包括下述步骤：从加工激光束中耦合输出子射束，调设具有可调设的焦距的至少一个光学元件的焦距，引导子射束穿过至少一个光学元件，相应于所调设的焦距检测子射束的至少一个射束参数，和基于所检测的射束参数和所调设的焦距确定激光束的焦点位置。优选地，基于所检测的射束参数的极值(即最小值或者最大值)确定焦点位置。

此外，该方法能够包括下述步骤：以光学元件的至少一个另外的所调设的焦距重复调设的步骤和检测的步骤，其中，所调设的第二焦距与所调设的第一焦距不同。

此外，根据本发明的设备能够在上述用于确定激光束的焦点位置的方法中使用。

附图说明

下面根据附图详细描述本发明。其中，

图1A和图1B是在加工激光束的不同的焦点位置的情况下具有根据本发明的一种实施方式的用于确定激光加工头的加工激光束的焦点位置的设备的激光加工头的示意性视图；

图2是具有根据本发明的另一种实施方式的用于确定激光加工头的加工激光束的焦点位置的设备的激光加工头的示意性视图；

图3A和图3B是具有根据本发明的实施方式的用于确定焦点位置的设备的一个片段的示意性视图；

图4A和图4B是具有根据本发明的另一种实施方式的用于确定激光加工头的加工激光束的焦点位置的设备的激光加工头的示意性视图；

图5A是射束焦散面的示意图，该射束焦散面通过根据本发明的实施方式的用于确定焦点位置的设备确定；

图5B是激光强度的图表，该激光强度通过根据本发明的实施方式的用于确定激光束的焦点位置的设备确定。

具体实施方式

下面，除非另有说明，相同的附图标记用于相同的和起相同作用的元件。

图1A是根据本发明的一种实施方式的用于确定激光加工头的加工激光束的焦点位置的设备的和激光加工头的示意性视图。

激光加工头101设置用于产生加工激光束102。加工激光102射入到工件(未示出)上，以便加工该工件。加工激光束102具有传播方向11。传播方向11能够基本上垂直于待加工的工件的表面。

激光加工头101包括聚焦单元20。聚焦单元20设置用于调设加工激光102的焦点位置。如图1A所示，加工激光102具有第一焦点位置12。聚焦单元20包括沿着传播方向11可移动的元件21、例如准直光学器件和沿着传播方向11静止的元件22、例如聚焦光学器件。光学元件21和22可以是透镜。通过使可移动的元件21沿着传播方向11移动，调设或改变激光束102的焦点的位置或其焦点位置。

此外，激光加工头101包括调节单元31。该调节单元设置用于对加工激光束102的焦点位置进行调设或调节。为此目的，调节单元31能够与聚焦单元20连接。调节单元31能够与聚焦单元20的可移动的元件21连接，以便沿着加工激光束102的传播方向11调设可移动的元件21的位置。换言之，调节单元31可调设聚焦单元20，以便调设加工激光束102的焦点位置。因此，聚焦单元20、尤其是可移动的元件21能够被视为执行器(Aktuator)。

用于确定激光加工头101的加工激光束102的焦点位置的设备81包括光学耦合输出元件814。光学耦合输出元件814设置用于从加工激光束102中耦合输出子射束51。根据在图1中示出的实施方式，光学耦合输出元件814是半透明的光学元件。在该示例中，将入射到光学耦合输出元件814上的激光的一部分作为子射束耦合输出。

根据在图1A中示出的实施方式，光学耦合输出元件814是在加工激光束102入射到待加工的工件上之前沿着加工激光束102的传播方向11的一个或者最后的透明的光学元件。例如，光学耦合输出元件814可以是激光加工头101的保护玻璃。优选地，光学耦合输出元件814沿着传播方向11布置在聚焦单元20的后方，即布置在加工激光束102的射束路径的聚焦区域中。

如图所示，光学耦合输出元件814以相对于加工激光束102的传播方向11或者光轴倾斜的方式布置，以便从加工激光束102的射束路径中耦合输出子射束51。这表示，加工激光束102以不等于90度的角度入射到光学耦合输出元件814的面上。

根据在图1A中示出的实施方式，耦合输出的子射束51通过转向元件814转向或者折叠(gefaltet)。这具有如下优点：能够实现对子射束51的在空间上紧凑的射束引导或实现子射束51的在空间上紧凑的射束路径，使得能够在空间上紧凑地构造设备81。例如，转向元件815能够构造为镜。然而，转向元件815不是必需的。

此外，设备81包括具有可调设的或者说可变的焦距的光学元件812。光学元件812布置在子射束51的射束路径中。换言之，子射束51被光学元件812折射或聚焦。即，光学元件812能够借助可调设的焦距改变子射束51的焦点位置。根据在图1中示出的实施方式，光学元件812具有连续可调设的焦距，并且构造为可变形的透镜、例如液体透镜或者聚合物透镜。能够通过使光学元件812变形来调设所述焦距。但是，光学元件812同样能够包括多个莫尔透镜(Moiré-Linsen)，所述多个莫尔透镜中的至少一个莫尔透镜以可旋转的方式受到支承。在此，通过使透镜相对于彼此旋转来调设光学元件812的焦距。

即，在从激光束102中耦合输出之后，子射束51必要时通过转向单元815被转向，随后被引导穿过具有可调设的焦距的光学元件812或穿过光学元件812。然后，子射束51入射到探测器811上，该探测器沿着子射束51的传播方向布置在光学元件812后方。

能够如此构型设备81，使得当光学元件812的焦距被调设为无限大时(即当光学元件812不折射子射束51时)，加工激光束的在聚焦单元20(例如聚焦单元20的静止的元件22)与加工激光束的目标聚焦位置之间的光学路程等于子射束51的在聚焦单元20(例如聚焦单元20的静止的元件22)与探测器811之间的光学路程。在这种情况下，该探测器布置在子射束51的焦点上。加工激光束与目标焦点位置的偏差能够通过相应地改变由探测器811检测的射束参数来识别。

根据在图1A中示出的实施方式，探测器811是设置用于检测入射的子射束51的激光强度或激光功率密度的探测器。例如，探测器811构造为光电二极管或者对辐射强度敏感的光电探测器。探测器811同样能够设置用于检测入射的子射束51的直径。在这种情况下，探测器811能够构造为地点分辨式探测器、例如CCD摄像机或者光电二极管阵列。

具有可变的焦距的光学元件812和探测器811都关于子射束51的传播方向静止地构造。这能够实现设备81的紧凑的构造方式，因为不需要沿着子射束51的传播方向可运动或者可移动的元件。

此外，设备81包括分析处理单元813。分析处理单元813与光学元件812和探测器811连接。

分析处理单元813设置用于调设光学元件812的不同焦距。该功能也能够通过单独的控制单元(未示出)来实施。此外，分析处理单元813设置用于，针对光学元件812的相应调设的焦距，对子射束51的由探测器811测量的激光强度或测量的射束直径进行分析处理。尤其是，分析处理单元813能够设置用于，基于光学元件812的相应调设的不同的焦距和通过探测器812检测的相应的用于子射束51的激光强度或射束直径的值来确定用于光学元件812的所调设的焦距的值，在该焦距的情况下，激光强度具有最大值或子射束51的射束直径具有最小值。此外，分析处理单元813能够确定子射束51的射束焦散面。分析处理单元813设置用于，在通过激光加工头10的加工激光束102进行激光材料加工期间连续地和/或实时地执行上文提到的、相应于激光强度的最大值或子射束51的射束直径的最小值对光学元件812的所调设的焦距的值的确定。

分析处理单元813能够根据所调设的焦距的值(在所述焦距的情况下，激光强度具有最大值或子射束51的射束直径具有最小值)并且基于光学耦合输出元件814与探测器811之间的沿着子射束51的射束传播方向的间距实时地或连续地确定加工激光束102的当前的焦点位置。光学耦合输出元件814与探测器811之间的沿着子射束51的射束传播方向的间距能够被视为子射束51的光学路程。

由此能够始终实时地确定或求取加工激光束102的焦点位置的实际值。因此，能够实时地且精确地调节加工激光束102的焦点位置。

为此目的，分析处理单元813能够与调节单元31连接。调节单元31从分析处理单元813接收加工激光束102的实际焦点位置的实际值或经确定的值，并且将所接收的实际值与用于焦点位置的所调设的值或者说目标值进行比较。如果所述比较表明，所调设的目标值与实际值不同(例如因为由于热透镜造成的焦点位置移动)，则调节单元31如此控制聚焦单元20，使得对加工激光束102的焦点或焦点位置进行追踪或对该偏差进行补偿。

图1B示出在加工激光束102的所调设的第二焦点位置13的情况下根据在图1A中示出的实施方式的设备81和激光加工头101。

图2示出具有根据本发明的另一实施方式的激光加工头的示意性视图，激光加工头用于确定加工激光束的焦点位置的设备。除了下面描述的区别之外，本发明的在图2中示出的实施方式相应于在图1A和图1B中示出的实施方式。

图2中示出的实施方式的光学耦合输出元件814与在图1A和图1B中示出的实施方式的光学耦合输出元件814的区别在于，该光学耦合输出元件包括镜。该镜是半透明的或半透性的。该镜反射入射的激光的一部分作为加工激光束102。入射的激光的未被反射的部分作为子射束51被耦合输出。换言之，耦合输出的子射束51在此是入射到镜上的激光的透射的部分，并且加工射束102被镜反射并且指向待加工的工件。根据在图2中示出的实施方式，设备81不包括转向元件。然而，也能够如在图1A和图1B中示出的那样在根据在图2中示出的实施方式的设备中设置转向元件815。

图3A和图3B分别示出图1A和图1B的设备的一个片段的示意性视图。图3A和图3B分别示出转向元件815、光学元件812和探测器811，所述转向元件、所述光学元件和所述探测器依次布置在子射束51的射束路径中。在图3A所示状态中，光学元件812具有与在图3B所示状态中不同的所调设的焦距。光学元件812的相应调设的焦距导致，子射束51在探测器上具有最小的射束直径。因此，借助具有可调设的焦距的光学元件812能够将子射束51聚焦到探测器811上，而与加工激光束102的焦点位置无关。在此关键的是，将耦合输出元件814与探测器811的(已知的)间距与耦合输出元件814与加工激光束的焦点位置12的间距比较。子射束51的由探测器811检测的射束直径或子射束51的由探测器811检测的激光强度，一方面取决于光学元件812的所调设的焦距，另一方面取决于激光加工头101的聚焦单元20的调设和热透镜现象，该现象例如能够在聚焦单元20处出现。因此，由光学耦合输出元件耦合输出的子射束51在图3A和图3B中也具有不同的射束直径。然而，基于最小的射束直径或最大的强度来确定焦点位置12。

图4A和图4B是根据本发明的其他实施方式的激光加工头的示意性视图，激光加工头具有用于确定加工激光束的焦点位置的设备。除了下面描述的区别之外，本发明的在图4A和图4B中示出的其他方式相应于在图1A和图1B中示出的实施方式。

与根据在图1A和图1B中示出的实施方式的具有可调设的焦距的透射式光学元件812不同，根据在图4A和图4B中示出的实施方式的具有可调设的焦距的光学元件812具有反射式光学元件，例如可变形的镜。例如，该可变形的镜可以是压电可形变(piezoelektrischverformbarer)的镜或者基于MEMS(“微光机电适应性，microoptoeletromechanicaladaptive”)的镜。该可变形的镜还可以是具有根据压力可变的半径的镜。能够通过使光学元件812形变或变形来调设光学元件812的焦距。

图4A示出在所调设的第一焦点位置12的情况下的设备81和激光加工头。图4B示出在所调设的第二焦点位置13的情况下根据在图4A中示出的实施方式的设备81和激光加工头101，所述第二焦点位置比第一焦点位置12长。

图5A是射束焦散面的示意图，该射束焦散面通过根据本发明的实施方式的用于确定焦点位置的设备81来确定。图5B是子射束51的沿着其射束传播方向的激光强度的图表，该图表通过根据本发明的实施方式的用于确定焦点位置的设备81来确定。

根据激光束的或子射束的传播方向在数学上借助所谓的射束焦散面描述射束直径的变化。图5A是对子射束51的这种射束焦散面的一种阐明，该射束焦散面通过根据本发明的实施方式的用于确定激光束的焦点位置的设备来确定。

根据本发明，还能够获得子射束51的射束焦散面，其方式是：借助设备81，在用于光学元件812的所调设的焦距的不同的值的情况下，借助探测器811检测或测量用于子射束51的射束直径的相应的值(相应于图5A中的圆)。借助所求取的射束直径和数学模型，能够将射束焦散面确定为图5A中的包络线，以便对子射束51进行表征。然而，基于射束参数的极值进行的分析处理更容易且更快速。

相应地，根据本发明，如图5B所示，能够由探测器811根据光学元件812的所调设的焦距来确定子射束51的激光强度。激光强度达到用于光学元件812的焦距的最大值，在该焦距的情况下，子射束51的直径是最小的。

根据本发明，用于确定激光束的、尤其是激光加工头的加工激光束的焦点位置的设备使用探测器和具有可调设的焦距的光学元件，所述光学元件和所述探测器依次沿从激光束耦合输出的子射束的传播方向布置。探测器设置用于检测子射束的射束参数，例如激光强度和/或射束直径。此外，能够设置有分析处理单元，以便确定光学元件的以下所调设的焦距：在该焦距的情况下激光强度具有最大值或在该焦距的情况下射束直径具有最小值。基于光学元件的所调设的焦距，能够确定激光束的焦点位置。由于不需要为了确定焦点位置而使元件移动，因此能够实现设备的简单且紧凑的构造方式。此外，能够实现焦点位置的精确的实时确定，并且焦点位置的确定不受成像误差影响，所述成像误差通过激光束的或者子射束的射束焦散面的、尤其是焦点直径的由于热透镜现象而导致的改变所引起。

附图标记列表

11 加工激光束的传播方向

12 第一焦点位置

13 第二焦点位置

101 激光加工头

102 加工激光束

20 聚焦单元

21 可移动的元件

22 静止的元件

31 调节单元

51 耦合输出的子射束

81 用于确定加工激光束的焦点位置的设备

811 探测器

812 具有可调设的焦距的光学元件

813 分析处理单元

814 光学耦合输出元件

815 转向元件。

Claims (16)

1.一种用于确定激光加工头(101)的加工激光束(102)的焦点位置的设备(81)，所述设备(81)包括：

光学耦合输出元件(814)，用于从所述加工激光束(102)的射束路径中耦合输出子射束(51)，

探测器(811)，用于检测所述子射束(51)的至少一个射束参数，和

具有可调设的焦距的至少一个光学元件(812)，所述至少一个光学元件在耦合输出的子射束(51)的射束路径中布置在所述光学耦合输出元件(814)与所述探测器(811)之间。

2.根据权利要求1所述的设备(81)，所述设备此外包括分析处理单元(813)，所述分析处理单元设置用于，基于所述光学元件(812)的所调设的不同的焦距和所述子射束(51)的至少一个射束参数的相应的值，确定所述加工激光束(102)的焦点位置。

3.根据权利要求2所述的设备(81)，其中，所述探测器(811)设置用于，在所述至少一个光学元件(812)的所调设的不同的焦距的情况下检测所述至少一个射束参数的值，其中，所述分析处理单元(813)设置用于，相应于所述至少一个射束参数的极值确定所述光学元件(812)的所调设的焦距的值。

4.根据上述权利要求中任一项所述的设备(81)，其中，所述子射束(51)的至少一个射束参数包括所述子射束(51)的激光强度和/或射束直径。

5.根据上述权利要求中任一项所述的设备(81)，其中，具有可调设的焦距的至少一个光学元件(812)包括可变形的光学元件、可变形的透镜、可变形的镜、基于MEMS的可变形的镜、压电可变形的镜、基于压力的可变形的镜、相对于彼此可旋转的多个光学元件和/或莫尔透镜对。

6.根据上述权利要求中任一项所述的设备(81)，其中，具有可调设的焦距的至少一个光学元件(812)关于所述子射束(51)的传播方向静止地布置。

7.根据上述权利要求中任一项所述的设备(81)，所述设备此外包括控制单元，所述控制单元设置用于调设所述光学元件(812)的不同的焦距。

8.根据权利要求7所述的设备(81)，

其中，具有可调设的焦距的至少一个光学元件(812)包括具有可调设的焦距的第一光学元件和具有可调设的焦距的第二光学元件，

其中，所述控制单元设置用于：基于所述加工激光束(102)的目标焦点位置调设所述第一光学元件的焦距，并且改变所述第二光学元件的焦距。

9.根据上述权利要求中任一项所述的设备(81)，其中，所述光学耦合输出元件(814)设置用于，借助部分反射从所述加工激光束(102)的射束路径中耦合输出所述子射束(51)，和/或其中，所述光学耦合输出元件(814)包括保护玻璃和/或镜。

10.根据上述权利要求中任一项所述的设备(81)，其中，所述探测器(811)包括非地点分辨式传感器、单像素传感器、对辐射强度敏感的光电探测器、光电二极管阵列或CCD摄像机，和/或其中，在所述探测器(811)与具有可调设的焦距的光学元件(812)之间布置有光阑。

11.一种用于借助加工激光束(102)加工工件的激光加工头(101)，所述激光加工头包括：

聚焦单元(20)，用于调设所述加工激光束(102)的焦点位置；和

根据上述权利要求中任一项所述的设备(81)，其中，所述光学耦合输出元件(814)布置在所述加工激光束(102)的射束路径中。

12.根据权利要求11所述的激光加工头(101)，所述激光加工头此外包括：

调节单元(31)，所述调节单元设置用于：借助所述聚焦单元(20)，基于通过所述设备(81)确定的焦点位置，关于所述工件调节所述加工激光束(102)的焦点位置。

13.根据权利要求11或12所述的激光加工头(101)，其中，所述光学耦合输出元件(814)布置在所述加工激光束(102)的朝向所述焦点会聚的部分中，和/或布置在所述聚焦单元(20)与所述工件之间，和/或在所述工件前方作为所述加工激光束(102)的射束路径中的最后的光学元件布置，和/或在所述加工激光束(102)的射束路径中布置在所有进行成像的或射束成形的光学元件后方。

14.一种用于确定激光加工头(101)的加工激光束(102)的焦点位置的方法，所述方法包括下述步骤：

从所述加工激光束(102)中耦合输出子射束(51)，

调设具有可调设的焦距的至少一个光学元件(812)的焦距，所述光学元件布置在被耦合输出的子射束(51)的射束路径中，

在穿过具有可调设的焦距的至少一个光学元件(812)之后，相应于所调设的焦距检测所述子射束(51)的至少一个射束参数，和

基于所检测的射束参数和所调设的焦距确定所述加工激光束(102)的焦点位置。

15.根据权利要求14所述的方法，所述方法此外包括下述步骤：

以所述光学元件(812)的至少一个其他所调设的焦距重复所述调设的步骤和所述检测的步骤，其中，所调设的焦距彼此不同。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，在所述至少一个光学元件(812)的所调设的不同的焦距的情况下检测所述至少一个射束参数的值，并且相应于所述至少一个射束参数的极值确定所述光学元件(812)的所调设的焦距的值，以便在此基础上确定所述焦距位置。

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