CN114025906A - 用于焦点位置控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定光束状态，特别是用于确定光束焦点位置的光束分析装置。所述光束分析装置包括部分光束成像装置(10)，所述部分光束成像装置(10)具有至少一个用于从所述第一测量光束(40)的第一部分孔径区域形成第一部分光束(41)的第一选择装置(11)，以及成像器件(16)，其用于将用于产生第一光束光斑(45)的第一部分光束(41)成像到具有空间分辨率检测器(21)的检测器单元(20)上。此外，光束分析装置包括评估单元(25)，用于处理探测器单元(20)的信号，确定第一光斑(45)的横向位置(a1)，以及确定第一光斑(45，45')的横向位置(a1，a1')随时间的变化。本发明还涉及一种具有激光光学装置(60)和光束分析装置的用于焦点位置控制的光学系统。本发明还涉及相应的光束分析方法以及用于激光光学装置的焦位控制和用于激光光学装置的焦位跟踪的方法。

Description

用于焦点位置控制的系统和方法
技术领域
本发明提供一种用于光束的焦点位置控制系统，更具体地说，提供一种用于激光材料加工应用中的激光束的焦点位置控制系统。
本发明涉及一种聚焦位置传感器(focal pos ition sensor)。本发明还涉及一种具有聚焦位置传感器的激光光学装置，用于实时监测激光光学装置的焦点位置，即在应用激光束期间，以及一种具有聚焦位置传感器的激光光学装置，用于控制和/或调节激光光学装置的焦点位置。
本发明还涉及一种确定光束焦点位置的方法，以及一种实时监测激光光学装置焦点位置的方法，以及一种控制和/或调节激光光学装置焦点位置的方法。
背景技术
激光材料加工的中心任务是调整激光束相对于待加工材料或工件的轴向焦点位置。为了实现最佳工艺管理，激光束的焦点不一定直接位于工件表面。相反，激光束焦点相对于工件的最佳定位取决于多个因素。例如，焦点可以位于工件内部，即工件表面下方，尤其是在加工高材料厚度的工件时。加工结果通常敏感地取决于激光束的精确焦点位置，这就是为什么在加工过程中，激光束焦点相对于工件的位置不发生变化是可取的或必要的。
现代激光处理系统使用高亮度和高功率的激光器，通常为数千瓦。由于激光加工光学元件中的材料特性，高激光功率导致光学元件发热。这会在光学元件中产生径向温度梯度，由于折射率等材料参数的温度依赖性，导致光学元件的折射率发生变化。这种效应称为热焦点偏移。尽管通过选择合适的光学元件材料，例如使用高纯度、低吸收等级的石英玻璃，可以将这种热焦点偏移降至最低，但在实践中始终存在这种情况。激光材料加工过程中产生的气体反应产物会放大这种效应，这些气体反应产物会沉积在激光光学元件或激光光学元件的防护玻璃上，并导致吸收增加。因此，特别是防护玻璃，通常会导致激光光学装置的焦点位置随时间发生意外的变化。
为了解决该问题，现有技术中已经描述了各种装置，其目的在于确定光学系统的实际焦点位置，并且因此也能够跟踪焦点位置。
例如，DE 10 2011 054 941 B3显示了一种用于校正通过光学元件管理的激光束焦点位置热位移的装置。在这种情况下，使用来自待处理材料前面的最后一个光学元件之一的表面之一的背反射，并且在背反射的焦点位置处布置传感器。根据本发明提出的概念，传感器本身可以是以足够精度确定焦点位置的任何聚焦传感器(focus sensor)。例如，该出版物引用了DE 198 23 951 A1中公开的聚焦传感器。后一出版物提出了一种聚焦传感器，其中输入光束被分为参考光束和样品光束，其中参考光束被高频抖动信号调制，样品光束和参考光束被重新组合以产生干涉图样，并且用检测装置再现干扰图案。一个电路根据检测装置的信号，生成焦点改变校正信号。
因此，所述聚焦传感器是具有运动部件的高度复杂的光学装置，并且依赖于具有足够相干性的分裂光束。
另一个困难来自这样一个事实，即当使用来自激光光学装置的光学元件的表面，特别是来自防护玻璃的表面的背反射时，如DE 10 2011 054 94 1B3中的已知技术，通常无法确保只有一个表面的所需背向反射可以单独用于评估。事实上，由激光光学装置的光学元件的每个表面产生背反射，因此，总的来说，存在多个轴向叠加的背反射。如果现在将聚焦传感器设置在多个后向反射之一上以检测其焦点位置的变化，则其他多个后向反射作为寄生信号(换句话说，作为干扰信号)出现，这会降低或甚至阻止对焦点位置的可靠检测。
与DE 10 2011 054 94 1B3类似的安排在DE 10 2007 053 63 2A1中披露。这里，提出使用从光学表面同轴反射的部分光束，该光束通过分束器与主光束分离，因此可用于光束分析。作为光束分析的传感器，哈特曼-夏克传感器被指定为其他替代品之一。哈特曼-夏克传感器用于确定光束波前的形状和曲率。关于波前曲率的信息也可用于计算焦点位置。
然而，使用哈特曼夏克传感器作为聚焦传感器也存在一些困难。已知现有技术的Hartmann-Shack传感器，也称为波前传感器，基本上由透镜阵列和空间分辨率探测器组成，其布置的距离等于透镜阵列的各个透镜的焦距。因此，在波前传感器的探测器上，光束照明导致多个单独的焦点以与透镜阵列的几何形状相对应的规则排列。各个焦点的横向位置取决于由透镜阵列的各个透镜形成的各自相关联的子孔径处光束波前的局部倾斜。因此，从焦点位置的总和，可以重建透镜阵列前面光束所显示的波前几何结构。特别是，这还允许确定波前的整体曲率，从而将其推回光束的焦点位置。
在这种情况下，可能出现的困难之一是唯一性问题。如果波前发生强烈畸变，也就是说，具有较大的局部倾斜，则属于相应部分孔径的焦点的横向位置可以横向偏移很远，以至于焦点已经滑入相邻焦点的单元中。波前传感器不再能够评估哪个焦点属于哪个部分孔径。因此，对于波前传感器，必须要求待测光束与平面波前的偏差较小，和/或部分光束光斑轴与光轴的角度小于透镜阵列单个透镜聚焦的部分光束孔径角的一半。为了实现这一点，透镜阵列的各个透镜的焦距通常较小，例如与光束直径相比，因此透镜阵列和探测器之间的距离较小。然而，这同时意味着探测器上焦点的横向位置对光束轴向(物体或中间)焦点位置变化的灵敏度相对较低。
已知技术的波前传感器的另一个困难是，如果要测量的光束实际上由多个光束的叠加或多个激光束反向反射组成，则不再可能以有意义的方式评估部分孔径的焦点位置，焦点位置彼此偏离。然而，这正是已经证明的典型情况，当测量光束或样品光束由激光光学元件表面的后向反射产生时会发生这种情况。已知技术的波前传感器将无法提供可靠的结果，因为此时探测器上出现了无法分配的多个焦点。
DE 10 2015 001 421 B4中公开的装置通过在激光光学装置的聚焦光束中引入附加元件，以产生用于光束分析的背反射，从而避免了该问题，其中，附加元件的部分反射表面的曲率适合于聚焦光束波前的平均曲率。因此，一方面，光束被准确地反射回自身，使得其他不希望的背反射的焦点位置在轴向上足够远，使得这些不再干扰，另一方面，可以选择更高的附加引入元件的部分反射系数，以减少对其他反射的干扰距离。然而，由于为此目的在光束路径中引入了附加元件，因此该方法不适用于在激光处理过程中实时确定和校正焦点位置。
DE 10 2013 227 031 A1显示了另一种用于校正焦距偏移的装置，其中由防护玻璃反射的光束的一部分被偏转到传感器上的测量光束路径中进行光束分析。从防护玻璃反射的部件通过测量光束路径中的孔，由此阻挡从装置其他部分反射的寄生光束(换句话说，干扰光束)。为了实现寄生光束的预期阻挡，设想防护玻璃的倾斜位置和/或使用楔形板偏转反射光束。作为传感器，本发明提出使用CCD摄像机或CMOS摄像机。这旨在实现符合DINISO 11146的测量，并通过ABCD矩阵计算确定实际存在的焦距。
DE 10 2011 007 176 A1还提出使用防护玻璃的背反射，并使用探测器检测背反射辐射，以确定焦点位置。在这种情况下，防护玻璃以如此大的倾斜角度布置，使得背面反射的辐射直接偏转到侧面，并且不需要进一步的分束。孔用于阻挡从防护玻璃一侧反射回来的辐射。激光束的焦点位置是通过评估探测器上激光辐射的大小，即直径来确定的。
使用倾斜防护玻璃通常是不利的，因为这会在聚焦激光束中产生像散。此外，工作距离缩短，通常用于更换防护玻璃的设计(如抽屉或螺钉安装)变得更加复杂。使用楔形板进行光束分裂或光束偏转也需要更精细的设计。
因此，现有技术中使用的聚焦传感器非常复杂，例如，在以干涉法为基础运行的装置的情况下，或者根据DIN ISO 11146进行光束测量，如果要达到高精度，则确定聚焦位置非常复杂，因此，必须在多个平面上记录光束焦散，或者使用波前传感器，这只能在有限的灵敏度范围内实现，并且在多次反射的情况下会导致评估过程中出现问题。在所有已知的聚焦传感器中，多次反射显然会导致功能限制和/或精度降低，这就是为什么通常尝试使用或多或少有效和复杂的措施来限制或消除这些反射的原因。如果用于激光处理操作的激光束的光束质量不是恒定的，而是随时间变化的，则已知现有技术的系统可能会出现进一步的问题。此后，聚焦传感器检测到的背反射光束直径可能发生变化，这可能被错误地解释为焦点位置的变化。
因此，需要一种简单、坚固且高度灵敏的聚焦位置传感器，该传感器能够评估测量光束，即使在存在寄生多次背反射的情况下，并且对基础光束的光束质量变化不敏感。进一步的，还需要改进焦位控制系统，并在激光光学装置中跟踪激光束焦点。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改进的聚焦位置传感器的焦点位置控制系统。
为了达到目的，提出了一种用于确定光束状态的光束分析装置，包括：被配置为接收第一测量光束(待测量的第一光束)的部分光束成像装置；还包括：至少一个用于从第一测量光束的第一部分孔径区域形成第一部分光束的第一选择装置；并进一步包括：具有至少一个成像光学元件的成像装置。所述光束分析装置还包括探测器单元，所述探测器单元具有至少一个、至少一维空间分辨率的光敏探测器，该光敏探测器布置在距离所述部分光束成像装置一定距离处，以及一个用于处理来自所述探测器单元的信号的评估单元。第一选择装置相对于光轴偏心布置，用于照射第一测量光束。部分光束成像装置被配置成将第一部分光束成像到探测器单元上，以便产生第一光斑。探测器单元被配置成捕获第一光斑的强度分布。评估单元被配置为确定第一光斑的横向位置。评估单元还被配置为确定第一光斑的横向位置随时间的变化。
提供了一种装置，其中测量光束的轴向焦点位置或中间焦点位置的变化与探测器单元上第一光斑的横向位置的变化相关。
还提供了一种装置，其中由第一选择装置确定的第一部分孔径区域的中心与光轴的径向距离至少与第一部分孔径区域在径向上的宽度一样大。
此外，还提供了一种装置，其中评估单元被配置为通过计算光斑强度分布的质心，和/或通过确定光斑的边缘或外围轮廓，和/或通过确定光斑的几何中心，和/或通过使设定点强度分布适应捕获的光斑强度分布，来确定第一光斑的横向位置。
在另一种可能的装置中，部分光束成像装置被配置为接收第一测量光束和至少一个第二测量光束，其中测量光束叠加在同一光轴上。
提供了一种装置，其中评估单元被配置为识别由探测器单元捕获的强度分布中的至少两个光斑，并确定至少两个已识别光斑的横向位置。
还提供了一种装置，其中部分光束成像装置还包括至少一个第二选择装置，用于从第一测量光束的第二部分孔径区域形成第二部分光束，以及其中，所述部分光束成像装置被配置成将所述第二部分光束成像到所述探测器单元上以产生第二光斑。
此外，提供了一种装置，其中由第二选择装置限定的第二部分孔径区域的中心与光轴的径向距离至少与第二部分孔径区域在径向上的宽度一样大。
在另一种可能的装置中，规定由第一选择装置选择的第一部分孔径区域和由第二选择装置选择的第二部分孔径区域是不连续的，以及从所述第一部分孔径区域的中心到所述第二部分孔径区域的中心的间隔距离至少和所述第一和第二部分孔径区域的宽度之和一样大。
此外，还提供了一种装置，其中部分反射分束器布置在部分光束成像装置的前面，用于借助于从被引导到分束器上的光束或激光束中耦合出规定的光束分量来产生测量光束。
本发明还提供了一种光学系统，其包括用于激光束的激光光学装置和如上所述的光束分析装置。激光光学装置包括一个部分反射分束器，用于将测量光束从激光束耦合到光束分析装置。光束分析装置被配置为接收通过分束器耦合出来的测量光束。
此外，还提供了一种光学系统，其包括用于激光束的激光光学装置和如上所述的光束分析装置，其中所述激光光学装置至少包括：用于从所述激光束产生部分反射光束的激光光学装置的光学元件的接口(换句话说，边界表面)，以及部分反射分束器，用于将测量光束从部分反射光束耦合到光束分析装置。光束分析装置被配置为接收通过分束器耦合出来的测量光束。
提供了一种光学系统，其包括用于激光束的激光光学装置和如上所述的光束分析装置，其中激光光学装置至少包括以下元件：用于从激光束产生部分反射光束的激光光学装置的光学元件的接口，激光光学装置的光学元件的至少一个其他接口，用于从激光束产生至少一个其他部分反射光束，以及部分反射分束器，用于从部分反射光束耦合出第一测量光束，以及用于将来自所述至少一个其他部分反射光束的至少一个第二测量光束耦合到所述光束分析装置。光束分析装置被配置为接收通过分束器耦合出来的测量光束。
本发明还提供了一种光学系统，其中用于产生部分反射光束的界面是激光束离开激光光学装置之前最后通过的界面。
提供了一种光学系统，其中激光光学装置被配置成产生激光束焦点，并且其中激光束焦点的轴向位置的变化与第一光斑的横向位置的变化相关。
还提供一种光学系统，其中所述激光光学元件连接到导向机，所述导向机被配置为调整所述激光光学元件的激光束焦点的轴向位置，以及其中导向机的控制器耦合到评估单元以接收从探测器单元上的至少一个光斑的位置确定的数据。
最后，提供了一种光学系统，其中激光光学装置包括轴向可移动的透镜或透镜组，其位置可通过平移装置(translation device)调节，其中该平移装置被配置为根据评估单元提供的值控制透镜或透镜组的位置，该值由探测器单元上至少一个光斑的位置确定。
为了实现该目标，还提出了一种用于确定光束状态的光束分析方法，该方法包括以下步骤：通过从测量光束中选择第一部分孔径区域，从第一测量光束形成第一部分光束，其中，第一部分孔径区域相对于测量光束的光轴偏心(off-centre)布置。第一部分光束被成像到探测器单元上，用于在探测器单元上生成第一光斑，其中探测器单元包括至少一个、至少一个维度空间分辨率的光敏探测器。通过探测器单元捕获强度分布，其中强度分布包括第一光斑的光束强度值。根据捕获的强度分布确定第一光斑的横向位置。确定第一光斑的横向位置随时间的变化。提供第一光斑的横向位置，或横向位置的变化值，或根据横向位置或横向位置的变化确定的值。
提供一种方法，其中第一测量光束的轴向焦点位置或中间焦点位置的变化与探测器单元上第一光斑的横向位置的变化相关。
还提供了一种方法，其中第一部分孔径区域的中心与光轴的径向距离至少与第一部分孔径区域在径向上的宽度一样大。
此外，提供了一种方法，其中确定第一光斑的横向位置包括以下至少一个步骤：计算束光斑强度分布的质心，确定束光斑的边缘或外围轮廓，确定束光斑的几何中心，将设定点强度分布调整为光斑的检测强度分布。
本发明还提供了一种具有以下进一步方法步骤的方法：通过从第二测量光束选择第一部分孔径区域，从第二测量光束形成进一步的第一部分光束，其中第一测量光束和第二测量光束叠加在同一光轴上，以及将第二测量光束的进一步第一部分光束成像到探测器单元上，以便在探测器单元上产生进一步的第一光斑。
本发明还提供了一种具有以下进一步方法步骤的方法：识别由探测器单元捕获的强度分布中的至少两个光斑，以及确定至少两个已识别光斑的横向位置。
本发明还提供了一种具有以下进一步方法步骤的方法：通过从测量光束选择第二部分孔径区域，从第一测量光束形成第二部分光束，将第二部分光束成像到探测器单元上，以便在探测器单元上生成第二光斑。
还提供了一种方法，其中第二部分孔径区域的中心与光轴之间的径向距离至少与第二部分孔径区域在径向上的宽度一样大。
在提供的另一种方法中，第一部分孔径区域和第二部分孔径区域不连续。在这种情况下，从第一部分孔径区域的中心到第二部分孔径区域的中心的间隔距离至少和第一和第二部分孔径区域的宽度之和一样大。
本发明还提供了一种方法，其中通过从光束或激光束耦合出规定的光束分量来产生第一测量光束。
此外，本发明提供了一种方法，其中，第一测量光束通过利用布置在激光光学装置中的部分反射分束器从激光束耦合出规定的光束分量而形成，该激光束在激光光学装置中被引导。
本发明提供了一种具有以下附加方法步骤的方法：通过在激光光学装置的光学元件的界面处的部分反射，从激光束中引导产生部分反射光束，部分反射光束的传播与激光束的光束方向相反，以及通过利用布置在激光光学装置中的部分反射分束器从部分反射光束耦合出规定的光束分量来产生第一测量光束。
本发明还提供了一种具有以下附加方法步骤的方法：通过部分反射激光光学装置的光学元件的至少一个其他接口，从激光光学装置中引导的激光束产生至少一个进一步部分反射的光束，与激光束的光束方向相反的另一部分反射光束的传播，以及通过使用部分反射分束器从另一部分反射光束耦合出规定的光束分量来产生第二测量光束。
本发明提供了一种方法，其中用于产生部分反射光束的界面是在激光束离开激光光学装置之前激光束最后穿过的界面。
还提供了一种方法，其中通过激光光学装置产生激光束焦点，并且其中激光束焦点的轴向位置的变化与第一光斑的横向位置的变化相关。
此外，提供了一种方法，其中，通过连接到激光光学元件的导向机调整激光光学元件的激光束焦点相对于工件的轴向位置，其中，从所述探测器单元上的至少一个光斑的位置确定的数据被转发到所述导向机的控制器。
本发明还提供了一种方法，其中激光束焦点的轴向位置通过布置在激光光学装置中的轴向可移动透镜或透镜组进行调整，其位置通过平移装置进行调整，并且其中，从所述探测器单元上的所述至少一个光斑的位置确定的数据被转发到所述平移装置，用于控制和/或调节所述透镜或所述透镜组的位置。
最后，还提供了一种方法，其中激光束焦点相对于工件的位置在激光材料加工期间保持在规定的位置。
附图说明
下面参考附图对本发明进行说明，但本发明并不限于所示的说明性实施方式和例子。相反，可以组合不同的附图中的特征而想到其它实施方式。在这里：
图1示出了聚焦位置传感器的第一实施例的示意图。
图2示出了如图1所示的聚焦位置传感器实施例的第一实施例的示意图，以及测量光束焦位变化的附加图示。
图3示出了聚焦位置传感器的第二实施例的示意图。
图4示出了聚焦位置传感器的第三实施例的示意图。
图5示出了根据图1至图4的聚焦位置传感器实施例形式的光斑位置和探测器单元上光斑位置变化的示意图。
图6示出了带有线路探测器的探测器单元的示意图。
图7示出了带有二维空间分辨率探测器的探测器单元的示意图。
图8示出了聚焦位置传感器的第四实施例的示意图，该聚焦位置传感器具有两个选择装置，并且在探测器单元中具有两个探测器。
图9示出了聚焦位置传感器的第五实施例的示意图，其具有两个选择装置和两个探测器。
图10示出了带有两个探测器的探测器单元上的光斑位置和光斑位置变化的示意图，如图8和图9所示的聚焦位置传感器的实施形式。
图11示出了根据接下来的附图所示的聚焦位置传感器的实施形式，在仅具有一个探测器的探测器单元上，具有两个选择装置的聚焦位置传感器实施形式的光斑位置和光斑位置变化的示意图。
图12示出了聚焦位置传感器的第六实施例的示意图，其具有两个选择装置、一个光束分离器装置和一个探测器。
图13示出了聚焦位置传感器的第七实施例的示意图。
图14示出了聚焦位置传感器的第八实施例的示意图。
图15示出了聚焦位置传感器的第九实施例的示意图。
图16示出了聚焦位置传感器的第十种实施例的示意图。
图17示出了聚焦位置传感器的第十一实施例的示意图，通过光学缩短了从部分光束成像装置到探测器单元的距离。
图18示出了聚焦位置传感器的第十二实施例的示意图。
图19示出了聚焦位置传感器的第十三实施例的示意图。
图20示出了与图15所示的聚焦位置传感器的第九实施例类似的聚焦位置传感器的实施形式的示意图。其中，聚焦位置传感器接收两个具有不同中间焦点位置的叠加测量光束。
图21示出根据如图20所示的实施例中，探测器单元上的光斑位置示意图，其中多个光斑由两个叠加测量光束产生。
图22示出了与图20所示的聚焦位置传感器的实施例类似的实施方式的两个部分的示意图，其中聚焦位置传感器接收两个具有不同中间焦位的叠加测量光束。为了改进评估，在该实施例中沿着另外的横向方向上设置了额外的选择装置。
图23示出了对于如图22所示的聚焦位置传感器，探测器单元上的光斑位置，其中，具有由两个叠加测量光束产生的多个光斑。
图24示出了与图15中所示聚焦位置传感器的第九实施例类似的实施方式的示意图，其中，聚焦位置传感器接收两个具有完全不同的中间焦点位置的叠加测量光束。
图25示出了与图24所示的聚焦位置传感器的实施例类似的实施方式的两个部分的示意图，其中聚焦位置传感器接收两个具有完全不同的中间焦位的叠加测量光束。为了改进评估，类似于图22所示的实施例的形式，在沿着另外的横向方向上布置附加选择装置，其中，光束分离器装置包括两个横向坐标方向上焦距显著不同的部分孔径透镜。
图26示出了带有激光光学元件和聚焦位置传感器的光学系统的示意图，其中聚焦位置传感器评估部分反射光束，该部分反射光束尤其受到激光光学装置的准直部分的影响。
图27示出了带有激光光学元件和聚焦位置传感器的光学系统的示意图，其中聚焦位置传感器评估受整个激光光学装置影响的部分反射光束。
图28示出了一个光学系统的示意图，该光学系统带有一个激光光学元件和一个聚焦位置传感器，如图1或图2所示，只有一个选择装置。此外，还显示了由于热焦点偏移而改变的激光光学装置的激光束的焦点位置，以及由此改变的光束在聚焦位置传感器中的位置。
图29示出了一个光学系统的示意图，如图15所示，该光学系统具有一个激光光学元件和一个聚焦位置传感器，具有两个选择装置，另外还显示了一个由热焦移改变的激光束焦位，以及由此改变的聚焦位置传感器中的光束。
图30示出了如图29所示的带有激光光学元件和聚焦位置传感器的光学系统的示意图。在该实施例的示例中，激光光学元件另外具有可移动安装和可控制的透镜组，通过该透镜组可调整和跟踪激光束的焦点位置。
图31示出了带有激光光学元件和两个聚焦位置传感器的光学系统的示意图。一个聚焦位置传感器接收由防护玻璃外部接口部分反射的测量光束，而另一个聚焦位置传感器接收在激光光学元件聚焦之前耦合出来的测量光束。
图32示出了由激光光学元件和聚焦位置传感器组成的光学系统的示意图。在该示例性实施例中，聚焦位置传感器接收两个叠加测量光束，其中一个测量光束被防护玻璃的外部接口部分反射，而另一个测量光束在激光光学元件聚焦之前耦合出来。
图33示出了带有激光光学元件和聚焦位置传感器的光学系统的示意图。在该实施例的示例中，聚焦位置传感器接收两个叠加测量光束，类似于图32中的示例，其中一个测量光束被防护玻璃的界面部分反射，而另一个测量光束在激光光学元件聚焦之前耦合出来。此处测量光束的叠加方式应确保测量光束的中间焦点彼此接近。
图34示出了带有激光光学元件和聚焦位置传感器的光学系统的示意图。该图显示了来自激光光学元件的多个元件的接口的进一步部分反射，这些元件通常存在于激光光学元件中。因此，聚焦位置传感器接收多个叠加测量光束，这些光束部分地从激光光学装置的光学元件的各种接口反射。
图35示出了带有激光光学元件和聚焦位置传感器的光学系统的示意图。在该实施例的示例中，聚焦位置传感器接收两个叠加测量光束，这两个测量光束尤其由防护玻璃的接口和激光光学元件的聚焦透镜的接口产生。当评估聚焦位置传感器中的光斑位置时，可以分离防护玻璃对焦点位置变化的影响。
图36示出了与图35的示例类似的具有激光光学元件和聚焦位置传感器的光学系统的示意图。在本实施例的示例中，聚焦位置传感器接收两个叠加测量光束，这两个测量光束尤其是从防护玻璃的外部和内部接口产生的。当评估聚焦位置传感器中的光斑位置时，也可以分离防护玻璃对焦点位置变化的影响。
图37示出了聚焦位置传感器探测器上的强度分布图，根据图34，使用光学计算程序模拟光学系统，仅使用第一选择装置产生的光斑。
图38示出了图37模拟强度分布的截面图。
图39示出了激光光学装置两种状态的两种模拟强度分布的图示，其中在第二种状态下模拟了防护玻璃中的热焦点偏移。
图40示出了激光光学装置两种状态的两种模拟强度分布的图示，其中在第二种状态下，激光光学装置的所有元件都模拟了热焦点偏移。
图41示出了根据图34的光学系统的聚焦位置传感器探测器上的强度分布图，用光学计算程序模拟，其中光斑由第一和第二选择装置产生。
图42示出了图41中两种激光光学元件状态下模拟强度分布的截面图，其中在第二种状态下，模拟了防护玻璃中的热焦点移动。通过确定由相同测量光束产生的光斑对之间的间隔距离，可以改进评估。
图43示出了说明光斑横向位置确定的图示。在所示示例中，设定点强度分布适用于记录的强度分布，以确定每个光斑处的光斑位置。
具体实施方式
图1示意性地示出了本发明实施例的第一基本实施形式。该图显示了一个聚焦位置传感器。聚焦位置传感器包括具有第一选择装置11和成像装置16的部分光束成像装置10、具有至少一维空间分辨率的光敏第一探测器21(例如线探测器或相机芯片)的探测器单元20以及评估单元25，它连接到探测器单元20。评估单元25记录来自探测器单元20的信号并对其进行评估。探测器单元20被布置在部分光束成像装置10的后面，与部分光束成像装置10的距离为zOS。其被设置为沿光轴39向部分光束成像装置10辐射测量光束40。例如，测量光束40可以在光轴39上具有中间焦点80；然而，测量光束40也可以是准直的、发散的或会聚的。借助于部分光束成像装置10的第一选择装置11，从测量光束40切除第一部分光束41。通过作为成像装置16的一部分的成像光学元件17，例如光学透镜，将第一部分光束41成像到探测器单元20上，在探测器单元20上形成第一光斑45。第一选择装置11被布置成相对于光轴39偏心。第一选择装置11的中心距光轴39具有横向或径向距离r1。第一选择装置11以及因此第一部分孔径区域在径向上具有宽度d1。在本实施例的示例中，第一选择装置11形成为成像光学元件17的边缘。在第一选择装置11之外，在本实施例的示例中，测量光束40的辐射可以通过选择装置11并到达探测器单元20。由此产生的信号背景非常小，可以忽略不计，并且不会干扰探测器信号的评估。评估单元25被配置为根据由探测器单元20的探测器21捕获的强度分布确定第一光斑45的横向位置a1。除其他外，第一光斑45的横向位置a1取决于测量光束40的中间焦点80的轴向位置。因此，横向位置a1是测量光束40焦点位置的相对测量值。
图2示出了与图1的聚焦位置传感器实施例同样形式的实施例。图2还显示了例如由于测量光束40的焦点或中间焦点的轴向位移而产生的改变光束。标有破折号的参考符号的元素指的是修改后的梁和数量。这样，示出了测量光束40的中间焦点80的轴向位置与第一光斑45的横向位置a1之间的关系。为此，除原始测量光束40外，在图2a中绘制了示例性位移测量光束40'，其中间焦点位置80'，位于距离部分光束成像装置10较远的位置。结果，位移的第一部分光束41′的主光线与光轴39的角度改变。因此，探测器单元20上的第一光斑45’的横向位置a1’也改变。在中间焦点80'更远的示例中，光斑的横向位置移近光轴39。因此，该装置能够准确地跟踪测量光束40的焦点位置中的变化，例如随时间的变化。
图3示意性地示出了本发明实施例的第二种基本实施形式。聚焦位置传感器不同于图1和图2中所示的部分光束成像装置10的实施例形式，该部分光束成像装置10在此包括附加孔径装置(aperture device)15。孔径装置15包括第一孔径。结果，这里通过孔径装置15的第一开口形成第一选择装置11。其余元件与实施例的第一形式没有区别，因此在这方面参考图1和图2的描述。通过将成像装置16和选择装置11的功能分离为两个单独的元件，可以在设计配置中使用更大的自由度。此外，在这种形式的实施例中，第一选择装置11外部的测量光束40的辐射被孔径装置15阻挡，因此不会到达探测器单元20，从而减少寄生辐射的任何背景。
图4显示了聚焦位置传感器实施例的另一种形式，其与图3实施例的第二种形式基本相同。这里，使成像装置16的成像光学元件17(例如光学透镜)更大，并且布置在光轴39的中心。结果，光斑45也成像在光轴39上，使得探测器单元20或第一探测器21也可以布置在光轴30的中心。
图5显示了聚焦位置传感器的探测器单元20的平面图，例如根据图1至图4，图示探测器单元20的第一个探测器21上的光斑45和位移的光斑45'，以及第一个光斑45的横向位置a1到位移的第一个光斑45的改变横向位置a1'的相应变化。
图6示出了探测器单元20的可能实施形式，该探测器单元20具有一维空间分辨率的线传感器作为第一探测器21。线传感器的方向与由选择装置11的中心到光轴39的径向距离确定的径向对齐。
图7示出了探测器单元20的另一种可能的实施形式，该探测器单元20具有二维空间分辨率传感器作为第一探测器21。例如，这可以是CCD相机、CMOS相机或另一种光敏的基于像素的传感器。
图8显示了聚焦位置传感器的第四实施例。聚焦位置传感器包括部分光束成像装置10、探测器单元20和评估单元25。部分光束成像装置10在此包括第一选择装置11、第二选择装置12和具有成像光学元件17以及另一成像光学元件18的成像装置16。探测器单元20在此包括第一探测器21和第二探测器22。探测器21、22是至少一维空间分辨率的光敏探测器，例如线探测器或相机芯片。评估单元25连接到探测器单元20。这里，评估单元25记录来自第一探测器21和第二探测器22的信号，并对其进行评估。探测器单元20被布置在部分光束成像装置10的后面，与部分光束成像装置10的距离为zOS。提供测量光束40，沿光轴39朝部分光束成像装置10的方向辐射。例如，测量光束40可以在光轴39上具有中间焦点80。这里，第一选择装置11由成像光学元件17的边缘形成，第二选择装置12由成像光学元件18的边缘形成。借助于第一选择装置11，从测量光束40中选择第一部分孔径区域，并且借助于第二选择装置12，从测量光束40中选择第二部分孔径区域。两个部分孔径区域不是相邻的，而是彼此径向间隔开的。选择装置11、12的中心各自与光轴39具有横向或径向距离r1、r2。选择装置11、12以及由此选择的部分孔径区域各自在径向上具有宽度d1、d2。通过使用第一选择装置11选择第一部分孔径区域，从测量光束40生成第一部分光束41，通过使用第二选择装置12选择第二部分孔径区域，生成第二部分光束42。两个部分光束41、42通过成像装置16成像到探测器单元20上。为此，在本实施例的示例中，成像装置16包括成像光学元件17和另一成像光学元件18，它们在这里都被配置为会聚透镜，并且在每种情况下都被配置为部分孔径透镜，聚焦所选部分孔径区域之一的辐射。通过借助透镜17的成像，第一部分光束41被成像到第一探测器21上，并且在那里形成第一光斑45；类似地，通过借助透镜18的成像，第二部分光束42被成像到第二探测器22上，并且在那里形成第二光斑46。不需要使用两个探测器21、22；如果探测器21足够大，或者如果探测器上的光斑45、46彼此之间的间隔距离足够小，则也只能使用第一探测器21。评估单元25被配置为根据探测器单元20的探测器21、22记录的强度分布确定第一光斑45的横向位置a1和第二光斑46的横向位置a2。评估单元还可以配置为确定第一光斑45的横向位置a1和第二光斑46的横向位置a2之间的间隔距离。在图8中，还显示了改变后的光束，例如，这些光束是由测量光束40的轴向位移引起的。此处，带有虚线的参考符号的元素指的是相应的修改后的光束和数量。在该示例中，位移的测量光束40'具有中间焦点80'，其位于距离部分光束成像装置10更远一点的位置。因此，由选择装置11、12从位移的测量光束40'产生的部分光束41'、42'相对于光轴39具有改变的、较小的角度，以便探测器单元20上的光斑45'、46'的横向位置a1'、a2'更靠近光轴39，因此，移位的第一光斑45'的横向位置a1'和移位的第二光斑46'的横向位置a2'之间的间隔距离aS'与间隔距离aS相比减小。代替或除了确定光斑点的各个横向位置，通过确定光斑之间的间隔距离aS、aS'，增加了用于确定测量光束40的焦点位置变化的焦点位置传感器的灵敏度，由于光斑位置向相反方向移动，因此，间隔距离的变化是个体位置变化的两倍。
图9示出了本发明第五实施例的示意图。所示的聚焦位置传感器不同于图8所示的第四实施例中的部分光束成像装置10，其在这里包括附加的孔径装置15。孔径装置15具有第一开口和第二开口。第一选择装置11由孔径装置15的第一开口形成，第二选择装置12由孔径装置15的第二开口形成。其余元件与第四实施例没有区别，因此在这方面参考图8的描述。将成像装置16和选择装置11、12的功能分离成单独的元件对于设计配置和对于减少寄生辐射的可能背景是有利的。
图10显示了例如根据图8和图9的聚焦位置传感器的探测器单元20的平面图。图中示出了探测器单元20的探测器21、22上的光斑45和46以及位移的光斑45'和46'，以及相应的位置a1和a2以及改变的位置a1'和a2'，以及光斑之间的间隔距离as和as'。
图11示出了聚焦位置传感器的探测器单元20的平面图，该探测器单元20也可用于附图中具有两个选择装置11，12的聚焦位置传感器。8和9，如果探测器足够大，或者如果探测器上的光斑45、46彼此之间的间隔距离足够小。探测器单元20则只需要一个探测器21，所有光斑45、46都被成像到该探测器21上。光斑和改变后的光斑相对于彼此的位置在其他方面与图10中的图示相对应。
图12至19示出了根据本发明的聚焦位置传感器的实施例的进一步变体和可能形式，和/或实施例的特定方面，其可以是有利的，并且也可以在实施例的进一步形式(未示出)中组合。因此，仅讨论各自形式的实施例的特定特征或修改，并且参考先前形式的实施例的说明。
因此，图12显示了焦距传感器，其部分光束成像装置10包括由孔径装置15形成的两个选择装置11和12。这里的成像装置16仅包括单个成像光学元件17，该成像光学元件17被设计为足够大以在两个选择的部分孔径区域上横向和径向延伸，并且因此部分光束41和42都由相同的成像光学元件17成像到探测器单元20上。在没有额外测量的情况下，两个部分光束41、42随后将成像到光轴上，从而使光斑45和46重叠。因此，此处的部分光束成像装置10还包括光束分离器装置30，通过该装置，部分光束41和42以及光斑45和46横向位移，以便在空间上彼此分离。在所示的示例中，光束分离器装置30包括具有平面板31和32的平面板布置，平面板31和32以规定的或可调节的角度倾斜，从而产生横向光束偏移。以这种方式，可以彼此独立地配置所有基本功能元件，尤其是选择装置、成像装置和探测器单元，以及相关几何变量。
图13所示的聚焦位置传感器几乎完全对应于图12所示的实施例形式，其中，此处的光束分离器装置30仅包括一个平板31，其仅作用于一个部分光束并使其横向位移。
图14所示的聚焦位置传感器也大体上对应于图12所示的实施例形式。这里，光束分离器装置30包括楔形板布置33、34。通过这种方式，每个部分光束41和42由各自的楔形板33、34偏转规定的角度，从而使光斑45和46在探测器单元上横向偏移。
图15中示出了根据本发明的聚焦位置传感器的另一种易于配置的实施例形式。这里的成像装置16包括至少三个成像光学元件17、18、19，所有这些元件都设计为会聚透镜。其中，透镜17在两个选择装置11和12上横向延伸，即在两个选择的部分孔径区域上横向延伸，因此对部分光束41和42具有聚焦效果。与图12、13或14的实施例形式相比，透镜17的折射率被选择为更低，也就是说，透镜17的焦距被选择为更大。因此，透镜17单独将部分光束41和42聚焦到位于探测器单元后面的平面上。因此，在部分光束41和42的每个光束路径中，另一透镜18、19被定位，使得部分光束41、42被有效地成像到探测器单元20上。然而，由于部分光束41、42的会聚点或叠加点仅由透镜17的焦距确定，并且因此位于探测器单元20的后面，因此由部分光束41、42形成的光斑45、46在探测器单元20上在空间上彼此分离。这里，成像装置16和光束分离器装置30因此形成功能单元。
图16所示的聚焦位置传感器在原理上与图15的聚焦位置传感器相似。这里，成像装置16和光束分离器装置30类似地形成功能单元。第一部分光束41通过成像光学元件17成像到探测器单元20上，其中成像光学元件17设计为楔形透镜。由于附加楔形效应，部分光束41聚焦在从光轴39横向位移的点上。因此，第二部分光束42通过设计为楔形透镜的其他成像光学元件18成像到探测器单元20上，由此，光斑45、46在探测器21上空间上分离。
图17显示了使聚焦位置传感器更紧凑的选项。为了实现对测量光束40的焦点位置变化的高灵敏度，部分光束成像装置10和探测器单元20之间的大距离zOS是有利的，这与紧凑设计相反。为此，以图17所示的实施例的形式，成像装置16被构造为具有两部分成像功能，也就是说，成像装置16包括至少两个光学元件17a和17b，其中，一个被布置在另一个的后面。其中，在光束方向上首先布置的元件17a具有正折射率，而第二元件17b具有负折射率。元件17a和17b一起形成长焦镜头型成像单元，即，后焦距短于总有效焦距。以这种方式，距离zOS显著缩短，而不会降低聚焦位置传感器的灵敏度。
图18显示了与图14实施例形式类似的聚焦位置传感器。这里，光束分离器装置30包括反射镜布置35、36。各部分光束41和42分别被反射镜35、36偏转约90°。这里，在每种情况下，反射镜35和36的精确角度位置在不同方向上偏离45°位置一定量或可调节量，使得光斑45和46在探测器单元20上横向偏移。通过选择反射镜35、36的设置角度，可以简单地调整光斑间距aS的基本值。这使得设备能够容易地适应不同尺寸的探测器21，或者适应可在探测器单元中使用的不同相机模块。
图19显示了一个聚焦位置传感器，从功能角度来看，其作用方式与图18所示类似。光束分离器装置30同样以反射镜35、36布置的形式实现。由于部分光束41和42通过反射镜35、36偏离原始传播方向，因此这里具有反射镜布置35、36的光束分离器装置30同时具有选择装置11和12的功能。这里，第一选择装置11由反射镜35的边缘形成，第二选择装置12由反射镜36的边缘形成。因此，可以省略图18中的孔径装置15，对功能没有任何限制。
图20原则上显示了与图15相同形式的聚焦位置传感器实施例。与图15相反，这里使用聚焦位置传感器同时监视两个不同的测量光束，也就是说，部分光束成像装置10在这里配置为接收第一测量光束40和第二测量光束50。测量光束40和50叠加在同一光轴上。第二测量光束50具有与第一测量光束40不同的焦点位置或中间焦点85的位置。部分光束成像装置10的选择装置11和12从第一测量光束40生成第一部分光束41和第二部分光束42，同时从第二测量光束50生成部分光束51和52。由于第二测量光束50的不同轴向中间焦点位置85，部分光束51、52与光轴39的角度与来自第一测量光束40的部分光束41和42的角度不同。因此，由部分光束51和52形成的光斑55、56在借助于具有透镜17的成像装置16以及借助于部分孔径透镜18、19在探测器单元20上成像之后位于不同的横向位置b1和b2，并且具有不同于横向位置a1和a2的间隔距离bS，以及从第一测量光束40生成的光斑45和46的间隔距离aS。由于所有光斑45、46、55、56在传感器20上在空间上分离，因此所有光斑45、46、55、56可由评估单元25识别，并且光斑的横向位置a1、a2、b1、b2可由评估单元25确定。分别属于同一测量光束的光斑一方面是内光斑，另一方面是外光斑，因此也可以由评估单元25明确地确定各自的间隔距离aS和bS。
在图21中，在探测器单元20的平面图中示意性地示出了属于图20的实施例形式的探测器21上的光斑图像。
如果由不同的测量光束40、50形成的探测器上的光斑具有非常不同的范围，则光斑的强度也可能非常不同。这可能对确定光斑横向位置时的精度产生不利影响。
因此，还提供了聚焦位置传感器的实施例形式，其中，除了选择装置11、12之外，部分光束成像装置10还具有用于产生额外部分光束47、48、57、58的其它选择装置13、14。图22显示了这种形式的实施例，图23显示了探测器上相应的光斑图像。为了通过其它选择装置13、14实现由部分光束产生的光斑的适当空间分离，其它选择装置13、14沿不同的横向布置。例如，已经描述的选择装置11和12在部分光束成像装置10中沿y坐标布置，而另外的选择装置13和14在部分光束成像装置10中沿x坐标布置。在图22中，聚焦位置传感器显示在两个相应的部分中。虽然在上文的y-z部分的描述中，选择装置11和12以及布置在后者后面的部分孔径透镜18y和19y位于绘制平面中，但是也可以进一步将选择装置13和14布置在绘制平面之外。其他选择装置13和14相应地显示在图22的x-z部分的下图中。选择装置13、14的中心各自与光轴39具有径向距离r3、r4。选择装置13、14以及相应的选择的部分孔径区域，各自在径向上具有各自的宽度d3、d4。进一步的部分孔径透镜18x和19x布置在其他选择装置13和14的后面。进一步的部分孔径透镜18x和19x具有与部分孔径透镜18y和19y不同的焦距。在所示实施例的示例中，部分孔径透镜18x和19x的折射率大于部分孔径透镜18y和19y的折射率。由此，与来自相同测量光束50的部分光束51和52相比，由选择装置13和14从第二测量光束50产生的部分光束53和54聚焦得更强烈，也就是说，聚焦距离更短。例如，选择部分孔径透镜1Bx和19x的焦距，使得部分光束53和54的焦点大约在探测器单元20的平面内产生，因此由部分光束53和54形成的光斑57和58具有最小尺寸。因此，可以以与y坐标中光斑45、46的横向位置a1y和a2y相同的精度确定x坐标中光斑57、58的横向位置b1x和b2x。因此，沿x坐标从第二测量光束50到光斑的间隔距离bSx也可以与沿y坐标从第一测量光束40到光斑的间隔距离aSy具有相同的精度来确定。
在图23中，在探测器单元20的平面图中示意性地示出了属于图22的实施例形式的探测器21上的光斑图像。聚焦位置传感器也可以被配置成评估两个叠加测量光束40和50，其原始焦点位置或中间焦点位置在轴向上彼此相距很远。例如，两个测量光束中的一个也可以准直或近似准直。聚焦位置传感器的适当配置如图24所示。聚焦位置传感器与图20所示的聚焦位置传感器相同。仅从第二测量光束50生成的部分光束51和52的路径不同。由于成像装置16的聚焦，部分光束51、52在这里倾斜得更强烈，因为示例性第二测量光束50几乎是准直的，也就是说，只是略微发散。为了在单个探测器21上定位所有光斑45、46、55、56(它们之间的距离不太远)，可以利用部分束成像装置10和探测器单元20之间的部分束51和52的交叉。
图25显示了与图22实施例形式类似的聚焦位置传感器。这里，聚焦位置传感器适于监测两个非常不同的测量光束40和50。此处y-z截面的构造方式与图22的y-z截面相同。为了在探测器单元20上产生最佳光斑尺寸，这里也针对两个测量光束在各自坐标方向上的部分光束，在x-z部分中示出的部分孔径透镜18x和19x具有负折射率，即负焦距，以便向后移动部分光束53和54的焦点，使得焦点大致位于探测器单元20的平面内。
图26显示了根据本发明的光学系统，该系统具有激光光学元件60，并且具有用于监测激光光学元件60的焦点位置变化的聚焦位置传感器。激光光学装置通常包括准直器光学系统62和聚焦光学系统64。为了保护聚焦光学器件64不受激光材料加工过程中可能出现的烟雾和飞溅的影响，通常在聚焦光学器件的下游布置可更换的防护玻璃66。例如，激光束70从光纤端61发射，并由激光光学元件60成像到激光束焦点79中。部分反射分束器63布置在准直器光学器件62和聚焦光学器件64之间。例如，这可以是防反射涂层斜面板。由于分束器63处的残余反射，部分准直激光束70横向耦合。横向耦合的输出光束形成聚焦位置传感器的测量光束40，其横向布置在激光光学装置60的分束器出口处。聚焦位置传感器的部分光束成像装置10在这里所示的光学系统中以示例性方式设计，如在根据图15或20的聚焦位置传感器中。然而，也可以使用聚焦位置传感器的任何其他形式的实施例。图中粗体虚线箭头显示了从激光束源(本例中为光纤端61)到测量光束40的光束路径。因此，测量光束40在此仅受激光光学元件60的准直器光学元件62的影响。在这种形式的实施例中，聚焦位置传感器因此监视特别由准直器光学器件62引起的焦点位置变化，例如由准直器光学器件62的功率感应热焦点偏移引起的焦点位置变化。
图27显示了根据本发明的另一光学系统，该系统具有激光光学元件60和用于监测激光光学元件60的焦点位置变化的聚焦位置传感器。如图26所示，激光光学元件60通常包括准直器光学器件62、聚焦光学器件64和防护玻璃66。激光束70从光纤端61发射，并由激光光学元件60成像到激光束焦点79中。激光束70的一部分从激光光学装置60的防护玻璃66的外界面67反射，从而产生部分反射光束71。这里，如果将减反射涂层的残余反射用于此目的，则已足够。部分反射光束71沿与激光束70的光束方向相反的方向同轴传播，返回激光光学元件60并形成中间焦点80。部分反射分束器63布置在准直器光学器件62和聚焦光学器件64之间。这可以是带有防反射涂层的斜面板。由于分束器63处的残余反射，部分反射光束71或后者的一部分横向耦合。横向耦合的输出光束形成聚焦位置传感器的测量光束40，其横向布置在激光光学装置60的分束器出口处。在这里所示的光学系统中，聚焦位置传感器的部分光束成像装置10以如图15或图20所示的聚焦位置传感器中的示例性方式设计。然而，也可以使用聚焦位置传感器的任何其他形式的实施例。借助于最后一个界面67处的部分反射，中间焦点80的位置与激光束焦点79的位置光学耦合，也就是说，激光束焦点79的焦点位置的变化同时导致中间焦点80的焦点位置的变化，其位置由聚焦位置传感器监控。这样，聚焦位置传感器监控激光束焦点79的轴向位置。
图中粗体虚线箭头显示了从激光束源(本例中为光纤端61)到测量光束40的光束路径。因此，测量光束40在此受到激光光学装置60的所有元件的影响，其中激光光学装置的一部分，即聚焦光学器件64和防护玻璃66向前和向后移动，即两次。因此，在这种形式的实施例中，聚焦位置传感器检测由激光光学元件60的所有元件引起的焦点位置变化。因此，聚焦位置传感器记录了对激光光学元件60的热聚焦位移的所有贡献，即来自准直器光学元件62、分束器63、聚焦光学元件64和防护玻璃66的所有贡献。
图28示意性地说明了通过聚焦位置传感器检测激光光学装置60的激光束焦点79的轴向位置的变化。激光光学装置60和测量光束40的产生与图27所示的光学系统相同。这里以示例性方式将聚焦位置传感器示为具有简单部分光束成像装置10的聚焦位置传感器，该部分光束成像装置10仅具有一个选择装置11，对应于根据图1或图2的聚焦位置传感器。然而，也可以使用聚焦位置传感器的任何其他形式的实施例。改变的光束，例如通过热焦点偏移改变的光束，由标有破折号的参考符号表示。热焦点偏移通常增加光学元件的折射率；因此，聚焦激光束77变得更强烈聚焦，并且激光束焦点79的位置被移动到更靠近激光光学元件60的位置，从而成为被移动的激光束焦点79’。因此，来自防护玻璃66的界面67的部分反射光束71也变得更强烈聚焦，由部分反射光束71′表示，使得中间焦点80(位移的中间焦点80′)的位置也发生轴向位移。在聚焦位置传感器中，这改变了光斑45的横向位置。位移的光斑45'位于靠近光轴39的位置。此外，位移的光斑45'被放大，因为位移部分光束41'的轴向焦点位置也发生了变化。
图29描述了与图28相同的情况，不同的是，作为示例，聚焦位置传感器与不同的部分光束成像装置10一起使用，这里使用两个选择装置11、12。因此，聚焦位置传感器不仅可以基于光斑45、45'，46、46'的横向位置的变化，而且还可以基于间隔距离aS、aS'在光斑45和46之间以及45'和46'之间的变化来检测激光束焦点79、79'的变化。
此外，设想光学系统的实施例形式，其中可以主动跟踪激光光学元件60的激光束焦点79的位置。实施例的一种可能形式如图30所示。激光光学装置60包括可轴向移动的透镜或透镜组。在所示示例中，这是准直器光学元件62。可移动透镜通过平移装置27耦合到驱动单元，通过平移装置27可调整可移动透镜的位置。例如，作为在横向光斑位置或光斑间隔距离as中确定的变化的函数，由评估单元25控制平移装置27。还可以在评估单元25和平移装置27之间插入另一控制设备；例如，它可以是调节器或更高级别的可编程控制器。
图31显示了光学系统的一种实施方式，其中第二聚焦位置传感器额外布置在激光光学元件60的分束器63出口的另一侧。在其他方面，光学系统对应于图30的实施例形式。第二聚焦位置传感器包括另一部分光束成像装置210和另一探测器单元220。第一聚焦位置传感器的评估单元25另外连接到第二聚焦位置传感器的探测器单元220并记录其信号。在其它方面，第二聚焦位置传感器可对应于根据本发明的聚焦位置传感器的任何形式的实施例。第二聚焦位置传感器接收由激光束70在分束器63处的部分反射形成的第二测量光束50。该第二测量光束50仅在其通过激光光学装置的传播路径上通过准直器光学器件62，因此第二测量光束仅受热变化和/或准直器光学器件62位置变化的影响。相反，由第一聚焦位置传感器接收的测量光束40已经通过准直器光学器件62、分束器63、聚焦光学器件64、防护玻璃66，并且在其返回路径上第二次通过防护玻璃66和聚焦光学器件64，在其通过激光光学元件60的传播路径上。因此，通过比较来自第一聚焦位置传感器的探测器单元20的横向光斑位置或光斑间距的变化、与来自第二聚焦位置传感器的探测器单元220的横向光斑位置或光斑间距bS的变化，评估单元25可以确定激光束焦点79位置的改变是由于准直器光学器件62的域中的热透镜造成的，还是由于聚焦光学器件64和防护玻璃66的域中的热透镜造成的。该信息，即该微分，可用于更精确地跟踪激光束焦点79的焦点位置。
使用仅具有一个聚焦位置传感器的光学系统，也可以获得与图31所示实施例形式相同的跟踪激光束焦点79的信息。光学系统实施例的对应形式如图32所示。这里，由分束器63从激光束70部分反射的光束88(在分束器63的另一侧耦合)通过反射或部分反射元件87反射回来，反射或部分反射元件87布置在与聚焦位置传感器相对的出口处，穿过分束器63，并且被聚焦位置传感器接收为第二测量光束50。因此，这里的聚焦位置传感器接收叠加在同一光轴39上的测量光束40和50。
光学系统实施例的另一种形式如图33所示，其中聚焦位置传感器接收两个测量光束40和50，每个测量光束通过激光光学元件60中的不同路径。与图32中实施例形式的不同之处在于，此处部分反射元件87处的反射不是发生在平面上，而是发生在弯曲(例如凹面)的表面上。这将在第二测量光束50中产生中间焦点85，其位置可放置在距离第一测量光束40的中间焦点80附近。结果，由两个测量光束40和50形成的光斑45、46、55、56的位置和尺寸彼此之间没有如此大的差异，这简化了聚焦位置传感器的配置。
在图32和33所示的光学系统的实施例形式中，还可以使用聚焦位置传感器，该传感器进一步改进用于评估两个叠加测量光束，如图22和25所示和解释。
图34显示，也就是说，多个部分反射光束也可以从激光光学元件60耦合出来，作为聚焦位置传感器的测量光束。原则上，激光光学装置60的聚焦区域中的光学元件的所有接口可用于产生部分反射光束。从激光光学装置60的最后一个接口67(此处为防护玻璃66的外表面)产生第一部分反射光束71。从防护玻璃66的内表面产生第二部分反射光束72。从聚焦光学器件64的外界面(此处为平面)生成第三部分反射光束73。最后，从聚焦光学器件64的内弯曲界面生成第四部分反射光束74。一般而言，部分反射光束71、72、73、74具有不同的轴向(中间)焦点位置，因此可以由聚焦位置传感器单独评估。
例如，尤其是评估来自防护玻璃66的第一部分反射光束71是有利的。以及来自聚焦光学器件64的平面的第三部分反射光束73，如图35中光学系统实施例的形式所示。这允许分离出防护玻璃66的热透镜效应的影响。这是有利的，因为防护玻璃66暴露于激光材料处理中，并且污染(烟、飞溅、气体)可导致防护玻璃66的吸收，因此防护玻璃66引起的热透镜随时间显著增加。这可由聚焦位置传感器检测，不仅用于重新调整激光束焦点79，还用于提供建议更换防护玻璃的信号。如果使用非常薄的防护玻璃66，则这种形式的实施例可以是特别有利的，并且因此从防护玻璃66的两个接口部分反射的光束71和72在探测器单元20上导致光光斑点如此紧密，以至于它们部分重叠，不能以简单的方式单独评估。然后，可将部分叠加的光斑解释为组合光斑，并可确定组合光斑的横向位置。通过聚焦光学接口的部分反射光束73产生的额外评估光斑，仍然可以获得不受防护玻璃66的热透镜影响的信息，从而可以在评估中分离出防护玻璃的热透镜。
如果防护玻璃66具有足够的厚度，则可以有利地使用如图36所示的光学系统的实施例形式。实施例的形式与图35所示的实施例的形式相同，不同之处仅在于聚焦位置传感器评估了哪些部分反射光束。具体而言，这里使用由防护玻璃的外界面67和防护玻璃66的内界面产生的部分反射光束71和72。由于从防护玻璃66的内界面部分反射的光束72不通过防护玻璃66，因此可以获得不受防护玻璃66的热透镜影响的信息，从而可以在评估中分离出防护玻璃66的热透镜。为了在探测器单元20上成像空间上分离的光斑，几毫米的防护玻璃厚度足够，例如至少3毫米的厚度。
图37所示为根据图34的光学系统的光学计算程序模拟的聚焦位置传感器探测器21上的强度分布图。这里，准直器光学器件62的焦距为100mm，聚焦光学器件的焦距为150mm。已模拟厚度为4mm的防护玻璃。在聚焦位置传感器中，仅使用并图示了由第一选择装置11生成的光斑。在聚焦位置传感器中，模拟了部分光束成像装置10和探测器单元20之间约200mm的距离zOS。模拟显示了三个不同的光斑，它们在探测器上具有不同的强度、大小和位置。具有横向位置a1的最强烈和最小光斑45属于由防护玻璃66的外接口67产生的部分反射光束71。具有横向位置b1的中等强度和尺寸的光斑55属于由防护玻璃66的内界面产生的部分反射光束72。最后，可以看到横向位置为c1的第三束光斑，其强度较低，相比之下非常大。该光斑属于由聚焦光学器件64的平面界面产生的部分反射光束73。
图38显示了图37的模拟强度分布的截面。
图39显示了激光光学装置60两种状态的两种模拟强度分布的图示。状态1的强度分布(用实心曲线表示)对应于没有热焦点移动的激光光学元件60。状态2的强度分布(用虚线表示)对应于激光光学元件60，其中仅在防护玻璃66中模拟了焦点偏移。防护玻璃中的模拟焦点偏移导致激光束焦点79的轴向偏移约1mm。如预期的那样，在状态2的强度分布中可以看出，属于外界面的光斑位置a1'相对于状态1的原始位置a1显著横向位移，而其他光斑位置不变。这是可以预期的，因为来自防护玻璃66的内界面和聚焦光学器件64的平面的部分反射光束72和73没有通过任何焦点偏移的元件。
图40显示了激光光学装置60两种状态的两种模拟强度分布的另一个图示。状态1的强度分布由实心曲线表示，对应于没有热焦点偏移的激光光学元件60(如图39所示)。状态3的强度分布(用虚线表示)对应于激光光学元件60的所有元件(即准直器光学器件62、分束器63、聚焦光学器件64和防护玻璃66)中模拟的小焦点偏移的激光光学元件60。为模拟选择单独的焦点偏移贡献，使得激光光学装置60的总焦点偏移导致激光束焦点79的轴向偏移约1mm。现在比较两种强度分布，可以看出三个光斑的所有三个横向位置都发生了不同程度的位移。这也是预期的，因为所有部分反射光束71、72和73都经历了不同数量的焦点偏移贡献。
此外，图39和图40中模拟状态2和3的光斑位置评估表明，可以从多个后反射的不同大小的横向位移得出准确的结论，既与激光束焦点79轴向位移的大小有关，也与焦点偏移的原因有关，也就是说，哪些元件为焦点偏移提供了哪个尺寸的贡献。这使得能够准确跟踪激光束焦点79和检测过脏的防护玻璃。
图41原则上显示了与图37相同的模拟，除了此处的聚焦位置传感器配备有一个部分光束成像装置10，该装置包括两个选择装置11、12。结果，除了作为后者镜像的光斑45和55之外，在探测器上还形成光斑46和56。因此，这种情况下的评估不仅可以基于光斑位置a1和b1，还可以基于光斑位置a2和b2。此外，也可以评估光斑间隔距离aS和bS。
图42显示了图41模拟强度分布的强度曲线。状态2的虚线曲线显示，如图39所示，仅在防护玻璃66中模拟热焦点移动。因此，只有光斑间隔距离aS、aS’从状态1变为状态2，而光斑间隔距离bS、bS’保持不变。
图43显示了探测器上模拟强度分布的一部分，以说明确定光斑位置的一种可能方法。一种可能的方法是将设定点强度分布与记录的强度分布相匹配。然后从拟合分布的中心获得光斑位置。在图43中，虚线显示了位置b1与光斑分布的最佳拟合。本例中的虚线拟合函数是高斯分布。实心曲线显示的另一个分布与位置a1的光斑分布是最佳拟合。对于实心曲线，使用具有更高指数的高斯分布，即所谓的超高斯分布。通过此处显示的拟合函数的位置确定，在某些限制范围内，甚至当光斑在空间上彼此不完全分离，但部分重叠时，也可以对光斑进行评估。
本发明的说明
需要一种改进的聚焦传感器，该传感器能够评估多个叠加光束或反向反射。还需要改进焦位控制系统，并在激光光学装置中跟踪激光束焦点。
因此，本发明基于创建具有改进的特性的用于焦点位置控制的系统的目的。
为此，提出了一种用于确定光束状态的光束分析装置，特别是用于确定光束的焦点位置的光束分析装置。光束分析装置包括部分光束成像装置10、探测器单元20和评估单元25。
部分光束成像装置10被配置为接收沿光轴39辐射的至少第一测量光束40。在先进设备中，测量光束40可以是光束本身，也可以是从光束或激光束耦合出来的光束。部分光束成像装置10包括至少一个第一选择装置11，借助该装置从第一测量光束40切割出第一部分孔径区域。通过切除的第一部分孔径区域的辐射的传播，形成第一部分光束41。部分光束成像装置10还包括具有至少一个成像光学元件17的成像装置16。借助成像装置16，将第一部分光束41成像到探测器单元20上。通过将第一部分光束41成像到探测器单元20上，在探测器单元20上生成光斑45。光斑45可以是部分光束41的焦点，或部分光束41腰部附近的部分光束41的横截面。在任一情况下，光斑45的宽度基本上小于第一部分孔径区域的宽度。
探测器单元20布置在部分光束成像装置10的后面，与部分光束成像装置10的距离为zOS。探测器单元20包括至少一个、至少一维空间分辨率的光敏第一探测器21。这可以是线传感器、相机芯片(如CCD相机或CMOS相机)或任何其他基于像素的半导体探测器。探测器单元20捕获第一光斑45的强度分布。
评估单元25连接到探测器单元20，也就是说，它接收并处理探测器单元20的信号。借助于评估单元25，根据记录的强度分布确定探测器单元20上的光斑45的横向位置a1。借助于评估单元25，进一步确定探测器单元20上的光斑45的横向位置a1的变化。光斑横向位置的变化尤其是随时间的变化。也就是说，评估单元25可以被配置为将当前确定的光斑位置与其他、先前确定的或存储的光斑位置进行比较，和/或根据位置变化确定位移值。
可通过几种可能的方法确定光斑的横向位置。一种可能性是计算光斑强度分布的质心或平均值。
另一种可能性是确定光斑边缘，例如，通过达到规定阈值的信号强度。在第二步中，可以根据确定的边缘确定几何中心，或者在不规则轮廓的情况下，可以计算表面积的光斑。
另一种可能性是使设定点强度分布或拟合函数适应记录的光斑强度分布。
光束分析装置优选地配置为确定测量光束的焦点位置。测量光束40的焦点或中间焦点80的轴向位置与探测器单元20上光斑45的横向位置相关。
第一选择装置11被布置成相对于光轴39偏心(off-centre)。第一选择装置11的中心距光轴39具有横向或径向距离r1。选择装置11以及因此第一部分孔径区域在径向上具有宽度d1。
设想径向距离r1至少与选择装置11的宽度d1一样大。这意味着从选择装置11切割出的第一部分孔径区域的边缘与光轴间隔至少为选择装置11的一半宽度d1/2，并且第一部分孔径区域从那里进一步径向向外延伸。因此，围绕光轴39的傍轴区域不包括在第一部分孔径区域中。
第一选择装置11可以以不同的方式实现。例如，第一选择装置11可以被配置为部分孔径透镜的边缘。部分孔径透镜也可以是成像装置17的成像光学元件17。第一选择装置11还可以被配置为部分孔径偏转镜的边缘。第一选择装置11还可以被配置为孔径装置15中的孔径。
可以设想，第一测量光束40的所选第一部分孔径区域的宽度d1在部分光束成像装置10的平面中最多为测量光束40的全孔径宽度的1/3。
可以设想，部分光束成像装置10和探测器单元20之间的距离zOS在20mm到500mm的范围内。优选地，距离zOS可以在40mm到250mm的范围内。
为了实现设定的目标，还提出了光学系统，其中作为聚焦位置传感器的光束分析设备接收至少一个测量光束40，该测量光束作为部分反射光束从激光光学元件60耦合出来。为此目的，在图26至36和相关附图描述中指定和解释了多种形式的实施例。
根据本发明的聚焦位置传感器的有利特性是通过以下事实实现的，即通过选择装置从接收光束(即，测量光束)切除小部分孔径区域，该部分孔径区域基本上小于测量光束的整个孔径，并且该部分孔径区域以偏离中心的方式切除，也就是说，特别是位于测量光束光轴之外。因此，正是围绕光轴的测量光束的傍轴区域不利于将部分光束成像到探测器上。这导致测量光束轴向焦点位置的变化转化为检测光斑的横向位移，如三角测量的情况。特别地，可以从光斑的横向位移的方向检测轴向焦点位置变化的方向。此外，这导致这样一个事实，即当接收到具有轴向不同焦点位置的多个测量光束时，相关联的光斑在探测器上彼此在空间上分离，并且不仅彼此不干扰，而且甚至可以专门用于改进的评估。
本发明的一个基本优点是测量原理基于位置的确定。例如，可以通过计算强度分布的光斑，即光束分布的第一时刻来确定光斑的位置。位置及其彼此之间的间隔距离的确定在很大程度上独立于例如由散射光和/或噪声引起的恒定背景的水平。因此，这种测量原理比其他方法更不容易出错，因为其他方法通常基于确定光束直径，即光束分布的二阶矩及其变化，因为二阶矩的确定对背景水平的变化相对敏感。
本发明具有许多优点：
-聚焦位置传感器设计简单，坚固耐用，不需要移动元件。
-聚焦位置传感器和光束分析方法特别适合于接收多个叠加测量光束，以及用于评估来自激光光学装置的多个反向反射。
-聚焦位置传感器和光束分析方法对激光辐射光束质量的变化不敏感。
-聚焦位置传感器和光束分析方法允许特别精确地确定焦点位置，因为后者基于确定光斑的位置。而不是确定光斑分布的直径或范围，因此对探测器的寄生光、偏移和噪声基本不敏感。
-焦点位置变化的测定可以实时进行，也就是说，测定发生在激光材料加工过程中，并且只需要由于热焦点偏移而引起的焦点位置变化的典型时间常数的一小部分。
在不脱离本发明的范围和目的的情况下，本发明可有利地以多种方式进一步发展。虽然在附图中示出并在附图描述中解释了进一步的设计和可能的实施例，本发明不限于所示实施例的形式。还可以组合图中所示的实施例的各种特征或形式，以获得本发明实施例的进一步可能形式。
就本发明而言，光是波长在0.1μm到10μm范围内的电磁辐射，优选在0.3μm到3μm范围内，尤其是在0.5μm到1.5μm范围内。
就本发明而言，激光辐射是0.5μm至1.5μm范围内的电磁辐射，功率至少为100W，最好至少为500W。
参考符号清单
10：部分光束成像装置
11：第一选择装置
12：第二选择装置
13、14：其它选择装置
15：孔径装置
16：成像装置
17：成像光学元件
18、19：其他成像光学元件
20：探测器单元
21：第一探测器
22：第二探测器
25：评价单元
27：平移装置
30：光束分离器装置
31、32：平面板排列
33、34：楔形板布置
35、36：反射镜布置
39：光轴
40：测量光束
40'：散焦测量光束
41：第一部分光束
41'：位移的第一部分梁
42：第二部分光束
42'：位移的第二部分光束
43,44：其他部分光束
45：第一光斑
45'：位移的第一光斑
46：第二光斑
46'：位移的第二光斑
47,48：其他光斑
50：第二测量光束
51：来自第二测量光束的第一部分光束
52：来自第二测量光束的第二部分光束
53、54：来自第二测量光束的其他部分光束
55：来自第二测量光束的第一光斑
56：来自第二测量光束的第二光斑
57,58：来自第二测量光束的其他光斑
60：激光光学元件
61：光纤端
62：准直器光学器件
63：部分反射分束器
64：聚焦光学元件
66：防护玻璃
67：最后一个接口
69：激光光学装置的光轴
70：激光束
70'：变换激光束
71：从最后一个界面部分反射的光束
71'：从最后一个界面部分反射的改变光束
72、73、74：其他部分反射光束
77：聚焦的激光束
77'：变焦激光束
79：激光束焦点
79'：位移激光束焦点
80：中间焦点
80'：散焦中间焦点
85：第二中间焦点
87：反射或部分反射元件
88：反射或部分反射光束
210：其他部分光束成像装置
220：其他探测器单元
使用的符号列表
a1：第一束光斑的横向位置
a1'：位移的第一个光斑的横向位置
a2：第二光斑的横向位置
a2'：位移的第二光斑的横向位置
aS：第一光斑位置和第二光斑位置之间的间隔距离
aS’：位移的第一光斑位置和位移的第二光斑位置之间的间隔距离
b1：第一光斑相对于第二束测量光束的横向位置
b1'：从第二个测量光束位移的第一个光斑的横向位置
b2：第二光斑相对于第二测量光束的横向位置
b2'：从第二个测量光束位移的第二个光斑的横向位置
bS：第二测量光束的第一光斑位置和第二测量光束的第二光斑位置之间的间隔距离bS’：第二测量光束的位移的第一光斑位置和第二测量光束的位移的第二光斑位置之间的间隔距离
d1：径向上第一部分孔径区域的宽度
d2：径向上第二部分孔径区域的宽度
r1：第一部分孔径区域的中心距光轴的径向距离
r2：第二部分孔径区域中心距光轴的径向距离
x、垂直于光轴的y横向坐标方向
zOS：部分光束成像装置与探测器单元之间的距离。

Claims (35)

1.用于确定光束状态的光束分析装置，包括：
-一种部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)，其被配置为接收第一测量光束(40)，并且其至少包括用于从所述第一测量光束(40)的第一部分孔径区域形成第一部分光束(41)的第一选择装置(11、35)，还包括具有至少一个成像光学元件(17)的成像装置(16)，
-探测器单元(20)，其具有至少一个至少是一维空间分辨率的光敏探测器(21)，其布置在与所述部分光束成像装置(10)的距离(zOS)处，以及
-评估单元(25)，用于处理来自探测器单元(20)的信号，
其中，第一选择装置(11，35)相对于用于照射第一测量光束(40)的光轴(39)偏心布置，
其中，所述部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)被配置成将用于产生第一光斑(45)的第一部分光束(41)成像到探测器单元(20)上，
其中，探测器单元(20)被配置成捕获第一光斑(45)的强度分布，
其中，评估单元(25)被配置为确定第一光斑(45)的横向位置(a1)，以及
其中，评估单元(25)被配置为确定第一光斑(45，45’)的横向位置(a1，a1’)随时间的变化。
2.根据权利要求1所述的装置，其中测量光束(40，40’)的轴向焦点位置或中间焦点位置(80，80’)的变化与探测器单元(20)上的第一光斑(45，45’)的横向位置(a1，a1’)的变化相关。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，由第一选择装置(11，35)确定的第一部分孔径区域的中心与光轴(39)之间的径向距离(r1)至少与第一部分孔径区域在径向上的宽度(d1)一样大。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，其中所述评估单元(25)被配置为通过计算光斑(45)强度分布的质心，和/或通过确定光斑(45)的边缘或外围轮廓，和/或通过确定光斑(45)的几何中心，和/或通过使设定点强度分布适应捕获的光斑(45)强度分布，来确定第一光斑(45)的横向位置。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的装置，其中所述部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)被配置为接收第一测量光束(40)和至少一个第二测量光束(50)，其中所述测量光束(40、50)叠加在同一光轴(39)上。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的装置，其中评估单元(25)被配置为在由检测器单元(20)捕获的强度分布中识别至少两个光斑(45、46、47、48、55、56、57、58)，并确定至少两个已识别光斑(45、46、47、48、55、56、57、58)的横向位置(a1、a2、b1、b2)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)还包括至少一个第二选择装置(12、36)，用于从所述第一测量光束(40)的第二部分孔径区域形成第二部分光束(42)，其中，部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)被配置成将第二部分光束(42)成像到探测器单元(20)上，以产生第二光斑(46)。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，由第二选择装置(12，36)确定的第二部分孔径区域的中心距光轴(39)的径向距离(r2)至少与第二部分孔径区域在径向上的宽度(d2)一样大。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，由第一选择装置(11、35)选择的第一部分孔径区域和由第二选择装置(12、36)选择的第二部分孔径区域不连续，其中，从第一部分孔径区域的中心到第二部分孔径区域的中心的距离(r1+r2)至少与第一和第二部分孔径区域的宽度(d1+d2)的总和一样大。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的装置，其中部分反射分束器(63)布置在部分光束成像装置(10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、30、31、32、33、34、35、36)的前面，用于借助于从被引导到分束器(63)上的光束或激光束(70)中耦合出限定的光束分量来产生测量光束(40)。
11.一种光学系统，包括用于激光束(70)的激光光学装置(60)和根据权利要求1至9任意一项所述的光束分析装置，其中，激光光学装置(60)包括部分反射分束器(63)，部分反射分束器(63)用于从激光束(70)向光束分析装置耦合出测量光束(40)，其中光束分析装置被配置为接收通过分束器(63)耦合出来的测量光束(40)。
12.一种光学系统，包括用于激光束(70)的激光光学装置(60)和根据权利要求1至9中的一项所述的光束分析装置，其中所述激光光学装置(60)包括：
-激光光学装置(60)的光学元件(64，66)的接口，用于从激光束(70)产生部分反射光束(71)，以及
-部分反射分束器(63)，用于将测量光束(40)从部分反射光束(71)耦合到光束分析装置，
其中，光束分析装置被配置为接收通过分束器(63)耦合出来的测量光束(40)。
13.一种光学系统，包括用于激光束(70)的激光光学装置(60)和根据权利要求1至9中的一项所述的光束分析装置，其中所述激光光学装置(60)包括：
-激光光学装置(60)的光学元件(64，66)的接口，用于从激光束(70)产生部分反射光束(71)，
-激光光学装置(60)的光学元件(64，66)的至少一个其他接口，用于从激光束(70)产生至少一个其他部分反射光束(72，73，74)，以及
-部分反射分束器(63)，用于将来自部分反射光束(71)的第一测量光束(40)和来自至少一个其他部分反射光束(72、73、74)的至少一个第二测量光束(50)耦合到光束分析装置，
其中，光束分析装置被配置为接收通过分束器(63)耦合出来的测量光束(40，50)。
14.根据权利要求12或13中的一项所述的光学系统，其中用于产生部分反射光束(71)的接口是在激光束(70，77)离开激光光学装置(60)之前激光束(70)最后穿过的接口(67)。
15.根据权利要求11至14中任意一项所述的光学系统，其中所述激光光学装置(60)被配置为产生激光束焦点(79)，并且其中所述激光束焦点的轴向位置(79，79')的变化与所述第一光斑(45，45')的横向位置(a1，a1')的变化相关。
16.根据权利要求11至15中的一项所述的光学系统，其中所述激光光学装置(60)连接至导向机，所述导向机被配置为调整所述激光光学装置(60)的激光束焦点(79)的轴向位置，并且其中所述导向机的控制器耦合至所述评估单元(25)，用于接收根据探测器单元(20)上的至少一个光斑(45)的位置确定的数据。
17.根据权利要求11至15中的一项所述的光学系统，其中所述激光光学装置(60)包括可轴向移动的透镜或透镜组，其位置可通过平移装置(27)进行调整，并且其中平移装置(27)被配置成根据由评估单元(25)提供的值来控制所述透镜或透镜组的位置，该值根据探测器单元(20)上的至少一个光束光斑(45)的位置来确定。
18.用于确定光束状态的光束分析方法，包括以下步骤：
-通过从测量光束(40)中选择第一部分孔径区域，从第一测量光束(40)形成第一部分光束(41)，其中第一部分孔径区域相对于测量光束(40)的光轴(39)偏心布置，
-将第一部分光束(41)成像到探测器单元(20)上，以便在探测器单元(20)上生成第一光斑(45)，其中探测器单元(20)包括至少一个至少一维空间分辨的光敏探测器(21)，
-通过所述探测器单元(20)捕捉强度分布，其中所述强度分布包含第一光斑(45)的光束强度值，
-根据捕获的强度分布确定第一光斑(45)的横向位置(a1)，
-确定第一光斑(45，45’)的横向位置(a1，a1’)随时间的变化，
-提供第一光斑(45)的横向位置(a1)，或横向位置(a1，a1')的变化值，或根据横向位置或横向位置的变化确定的值。
19.根据权利要求18所述的方法，其中测量光束(40，40’)的轴向焦点位置或中间焦点位置(80，80’)的变化与探测器单元(20)上第一光斑(45，45’)的横向位置(a1，a1’)的变化相关。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述第一部分孔径区域的中心距光轴(39)的径向距离(r1)大于或等于所述第一部分孔径区域在径向上的宽度(d1)。
21.根据权利要求18至20中的一项所述的方法，其中，确定第一光斑(45)的横向位置包括以下至少一个步骤：
-计算光斑(45)强度分布的质心，
-确定光斑(45)的边缘或周边轮廓，
-确定光斑(45)的几何中心，
-使设定点强度分布与检测到的光斑(45)的强度分布相适应。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，包括进一步的方法步骤：
-通过从第二测量光束(50)选择第一部分孔径区域，从第二测量光束(50)形成另一第一部分光束(51)，其中第一测量光束(40)和第二测量光束(50)叠加在同一光轴(39)上，以及
-将第二测量光束(50)的另一第一部分光束(51)成像到探测器单元(20)上，以在探测器单元(20)上生成另一第一光斑(55)。
23.根据权利要求18至22中任意一项所述的方法，包括进一步的方法步骤：
-识别由探测器单元(20)捕获的强度分布中的至少两个光斑(45、46、47、48、55、56、57、58)，以及
-确定至少两个已识别光斑(45、46、47、48、55、56、57、58)的横向位置(a1、a2、b1、b2)。
24.根据权利要求18至23中任意一项所述的方法，包括进一步的方法步骤：
-通过从测量光束(40)选择第二部分孔径区域，从第一测量光束(40)形成第二部分光束(42)，
-将第二部分光束(42)成像到探测器单元(20)上，以便在探测器单元(20)上生成第二光斑(46)。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第二部分孔径区域的中心距光轴(39)的径向距离(r2)至少和所述第二部分孔径区域在径向上的宽度(d2)一样大。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述第一部分孔径区域和所述第二部分孔径区域不连续，并且其中从所述第一部分孔径区域的中心到所述第二部分孔径区域的中心的距离(r1+r2)至少与第一部分孔径区域和第二部分孔径区域的宽度之和(d1+d2)一样大。
27.根据权利要求18至26中任意一项所述的方法，其中第一测量光束(40)通过从光束或激光束(70)耦合出确定的光束分量来产生。
28.根据权利要求18至26中的一项所述的方法，其中，第一测量光束(40)通过在激光光学装置(60)中布置的部分反射分束器(63)从激光束(70)耦合出确定的光束分量而形成，激光束(70)在激光光学装置(60)中引导。
29.根据权利要求18至26中任意一项所述的方法，另外包括所述方法步骤：
-通过在激光光学装置(60)的光学元件(64，66)的接口处的部分反射，从在激光光学装置(60)中引导的激光束(70)产生部分反射光束(71)，
-逆着激光束(70)的方向传播部分反射光束(71)，以及
-通过利用布置在激光光学装置(60)中的部分反射分束器(63)，从部分反射光束(71)耦合出规定的光束分量，从而产生测量光束(40)。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括步骤：
-通过激光光学装置(60)的光学元件(64，66)的至少一个其他接口的部分反射，从激光光学装置(60)中引导的激光束(70)产生至少一个其他部分反射光束(72，73，74)，
-逆着激光束(70)的方向传播另一部分反射光束(72)，以及
-通过借助于部分反射分束器(63)从其他部分反射光束(72)耦合出规定的光束分量来产生第二测量光束(50)。
31.根据权利要求29或30所述的方法，其中，用于产生部分反射光束(71)的接口是激光束(70)在激光束(70，77)离开激光光学装置(60)之前最后穿过的接口(67)。
32.根据权利要求28至31中任意一项所述的方法，其中激光束焦点(79)通过激光光学装置(60)产生，并且其中激光束焦点的轴向位置(79，79')的变化与第一光斑(45，45')的横向位置(a1，a1')的变化相关。
33.根据权利要求28至32中的一项所述的方法，其中激光光学装置(60)的激光束焦点(79)相对于工件的轴向位置通过连接到激光光学装置(60)的导向机进行调整，并且其中，根据探测器单元(20)上的至少一个光斑(45)的位置确定的数据被转发到所述导向机的控制器。
34.根据权利要求28至32中任意一项所述的方法，其中激光束焦点(79)的轴向位置通过布置在激光光学装置(60)中的轴向可移动透镜或透镜组进行调整，其位置通过平移装置(27)进行调整，并且其中，从探测器单元(20)上的至少一个光斑(45)的位置确定的数据被转发到平移装置(27)，用于控制和/或调节所述透镜或透镜组的位置。
35.根据权利要求33或34所述的方法，其中激光束焦点(79)相对于工件的位置在激光材料加工期间保持在规定位置。
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