CN116783024A - 一种用于确定焦点位置的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光束分析装置(10)，用于确定能量束或从能量束分离的样本光束(70)的焦点(71)的轴向位置，包括光束整形装置(12)、检测器(40)和分析装置(45)。光束整形装置(12)被配置为利用二维透射函数在调制平面(19)上调制能量束(77)或被分离的样本光束(70)的强度分布(81)，以便形成调制样本光束(79)。透射函数具有在至少一个阻挡区域(25)和至少一个通道区域(21)之间呈过渡形式的至少两个对比度阶梯(32、33)，它们彼此相距距离a。光束整形装置(12)被配置为将调制样本光束(79)沿传播路径引导到检测器(40)上，以沿着第一横向方向(31)在检测器(40)上形成具有至少两个对比度特征(92、93)的强度分布(83)。分析装置(45)被配置为确定沿着第一横向方向(31)在检测器(40)上的对比度特征(92、93)之间的距离a，以及基于距离a确定光束焦点(71)的轴向位置和/或基于距离a的变化确定光束焦点(71)的轴向位置的变化。本发明还涉及一种用于确定光束焦点(71)的轴向位置的相应方法。

Description

一种用于确定焦点位置的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定电磁辐射能量束束焦点的轴向位置的装置和方法，具体涉及用于确定加工光学器件光束焦点的轴向位置的装置和方法。特别地，能量束可以是激光束。本发明还提供了能够在激光加工操作期间确定加工光学器件(processing optics)的光束焦点位置的装置和方法。
背景技术
激光材料加工的中心任务是调整和控制激光束相对于待加工材料或工件的轴向焦点位置。通过优化过程控制，激光束的焦点不一定直接在工件表面上。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，也就是说，在工件表面下方，尤其是在加工具有高材料厚度的工件时。通常，加工结果敏感地取决于激光束的准确焦点位置，这就是为什么期望或必要的是激光束焦点相对于工件的定位在加工过程中不会改变的原因。
在激光切割过程中，工件和切割喷嘴之间的距离在加工过程中尽可能保持恒定也很重要，因为切割气体的流动动力学对切割结果有很大影响。该问题可以通过例如电容距离测量和闭环控制以现有技术的方式解决。
通常，改变相对于工件的光束焦点位置的问题不是检测或跟踪工件位置或工件相对于加工光学器件的距离，而是检测实际光束焦点相对于加工光学器件的位置。
现代激光处理系统使用具有高亮度和高功率的激光，通常在几千瓦的范围内。由于激光处理光学元件中的材料特性，高激光功率会导致光学元件升温。这在光学元件中产生了径向温度梯度，由于诸如折射率的材料参数的温度依赖性，导致了光学元件的屈光力发生变化。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，例如通过使用高纯度、低吸收类型的石英玻璃，可以使所述热焦点偏移最小化，但它实际上仍然始终存在。激光材料加工过程中产生的反应产物和各种尺寸的颗粒会增强这种效应；这些可能会沉积在加工光学器件或加工光学器件的保护玻璃上，并导致吸收增加。因此，特别地，保护玻璃通常有助于改变加工光学器件的光束焦点位置。
用于确定工件距离或工件表面位置的装置是现有技术中已知的；它们根据例如光学三角测量法的基本原理起作用。
例如，专利申请EP0248479A1公开了一种用于光学测量表面和参考表面之间的距离的装置。为此，在反射辐射通过具有两个离轴开口的屏幕之后，用辐射源照射表面，并通过光学系统将反射辐射引导到检测器上。屏幕产生的光斑图案的范围是表面与参考表面之间距离的量度。
专利号DE4206499C2中公开的距离测量方法以非常相似的方式起作用。此处，物体发出的光也被引导通过具有离轴开口的屏幕，并被引导到测量头上。这里的特点在于，为了避免会影响测量准确性的散斑结构，只使用光斑的非相干辐射的一小部分；物体通过电磁辐射的照射而被激发以发射该辐射。
从专利申请DE102013210078A1中，用于确定高能束焦点位置的装置和方法是已知的技术。除其他项目外，该装置包括图像采集装置，用于形成至少两个观察光束，以及成像光学器件，用于生成待监测区域的至少两个图像或参考轮廓。一方面，工件表面的待监测区域的两个图像之间的横向距离的改变可用于推断焦点位置相对于工件的偏差。另一方面，可以根据参考结构的两个图像之间的横向距离的变化来确定聚焦元件的焦距的变化，其可以由例如激光处理喷嘴的内轮廓形成，因此，可以推断出焦点位置的变化。由于工件或参考结构发出或反射的光也用于该装置生成图像，因此在严格意义上无法测量高能束的焦点位置。光束焦点位置的改变不是由聚焦元件引起的，而是由例如准直光学器件引起的，这无法用所公开的装置来确定。
专利申请EP2886239A1公开了一种用于监视和控制激光连接过程中的加工路径的方法和装置。除其他项目外，在该公开中描述的处理头具有包括成像光学器件的双狭缝传感器形式的距离传感器和双缝屏幕。该距离传感器可用于确定处理头与工件表面之间的距离。
在以上引用的所有公开中，工件表面的位置或距离最终总是以光学方式确定。另一方面，通过上述装置和方法无法确定指向工件表面上的光束的焦点位置，或者只能以较低的精度来确定。为了能够确定处理光束的实际焦点位置，直接测量处理光束，或者将样本光束与处理光束分离并测量样本光束是有必要的。
专利申请DE102017215973A1描述了一种用于确定激光束的光束位置的装置和方法。为此，次级束通过分束器与激光束分离，并被引导到位置传感器上。光束整形器设置在次级束的光路中，或设置在分束器的前面。该装置旨在根据由光学位置传感器检测到的整形次级光束的强度分布，或者根据整形次级光束的焦点的位置来确定激光束的光束位置。该装置用于检测激光束的光束位置误差。同样，可以检测激光束直径的偏差。因此，该装置旨在检测光束位置误差和偏差，这些误差和偏差表现为横向的，也就是说，径向的或横向的变化。没有设想过确定激光束的轴向焦点位置。
一种用于利用电磁辐射处理材料的装置和方法是公开WO2012/041351A1中已知的技术。此处可以设想用于图案生成的装置(例如荫罩)被转动到聚焦在材料上得电磁束中。部分反射表面设置在焦点的前面，使得由图案生成器产生的图案的图像被反射回部分反射表面上，并通过分束器到达检测器。检测器上的图像由计算机处理，并生成与焦点位置有关的电信号。所公开的方法旨在用于眼科手术。然而，该方法不适合或不太适合激光材料加工中的一般应用，因为通常不可能将部分反射表面永久地设置在光束焦点的前面，另外在高功率激光束中设置荫罩也是不利的。
在WO2015/185152A1中公开的用于监测激光束的装置中，辐射借助于以倾斜角度设置在激光束中的平板被反射回来，并被空间分辨检测器所检测。可以通过检测成像到检测器上的子束的焦点位置的偏移来确定激光束发散的变化。该装置尤其用于分析和监测用于产生EUV辐射的驱动激光器。
专利申请DE102011007176A1描述了一种用于聚焦激光束的装置和一种用于监测激光处理的方法。为此，激光辐射从透射光学元件反射回来，尤其是从保护玻璃反射回来，并且背向反射的辐射由检测器检测，以便确定焦点位置。此处，保护玻璃以倾斜角度设置，使得背向反射的辐射直接偏转到侧面，并且不需要进一步的光束分离。设置了一个屏幕，以阻挡防护玻璃其中一侧的背向反射辐射。激光束的焦点位置是通过估测背向反射激光辐射在检测器上的照射区域的尺寸(即直径)来确定的。
专利DE102013227031A1公开了一种用于分析入射到基底上的光束和用于校正焦距偏移的装置和方法。在所示的装置中，为了进行光束分析，由保护玻璃反射的光束的一部分被偏转到传感器上的测量光路中。从保护玻璃反射的部分被引导通过测量光路中的屏幕，因此，从装置的其他部分反射的干涉光束被遮蔽。为了实现所期望的干涉光束遮蔽，设想了倾斜保护玻璃和/或使用楔形板来偏转反射光束。作为传感器，该公开指示使用CCD相机或CMOS相机，利用它们能够进行符合DINISO11146的测量。此外，设想通过ABCD矩阵计算来确定实际焦距。
专利申请DE102018105364A1中提出了一种装置和方法，用于确定激光处理系统中的激光束的焦点位置，与来自DE102011007176A1的装置非常相似。在DE102018105364A1的方法中，为了确定焦点位置，设想使用包括关于激光功率的测量的光束直径的校准数据。因此，在此处介绍的方法中，焦点位置的确定也基于检测器上强度分布直径的确定。
在最近引用的公开中，焦点位置通常是通过确定检测器上光斑的尺寸或直径来确定的。如果光束参量是已知的，原则上可以通过这种方式确定焦点位置，但是由于多种原因，此类方法是不利的：一方面，检测到的光束直径也会随着处理激光束的发散和/或直径的改变而改变；另一方面，尤其是在束腰的区域中，随着焦点位置的改变，直径的改变是最小的。两者都会导致轴向焦点位置的确定存在相当大的不确定性。最后，基于最佳焦点位置的测量，由于直径在两个方向上都增加了，因此无法检测到光束焦点在哪个方向上移动。
本发明的简要说明
因此，本发明旨在有利地改进光学三角测量法的原理，并且特别地，使其能够用于测量在激光加工光学器件中被引导的激光束的焦点位置，而不必借助由工件发射或反射的辐射，从而能够特别精确地确定焦点位置。本发明的另一方面旨在提供特别坚固、精确、通用和紧凑的装置和方法，用于确定焦点位置，并且如果适用，还用于确定进一步的光束参量。
可以通过具有权利要求1的特征的光束分析装置来解决该任务。
根据本发明的光束分析装置用于确定光束焦点的轴向位置，其中光束焦点是电磁辐射的能量束的焦点，或者从能量束分离的样本光束的焦点，该装置包括光束整形装置、检测器、和评估装置。
光束整形装置被配置为在具有二维透射函数的调制平面内调制能量束或与能量束分离的样本光束的强度分布，从而形成具有调制强度分布的调制样本光束，其中，该透射函数具有至少一个包含基本上恒定的第一强度透射因子的通道区域，以及至少一个包含基本上恒定的第二强度透射因子的阻挡区域，其中，第二强度透射因子最多为第一强度透射因子的50％。
该透射函数具有沿着第一横向方向的至少两个对比度阶梯，呈至少一个阻挡区域到至少一个通道区域之间的过渡形式，其中对比度阶梯具有沿着第一横向方向彼此之间的距离k。
术语“横向”可以指(至少基本上)与各自的局部光轴垂直的平面方向。
光束整形装置还被配置为在检测器上形成沿第一横向方向具有至少两个对比度特征的强度分布，并将调制样本光束沿传播路径引导到检测器上，其中，检测器上的强度分布中的对比度特征是通过调制强度分布中的至少两个对比度阶梯通过调制样本光束到检测器的光束传播而形成的。
该检测器包括在空间上二维分辨的光辐射敏感传感器，该传感器被配置为将照射到检测器上的强度分布转换为电信号。检测器(尤其是其传感器)沿着传播路径设置在调制平面后的距离s处。
评估装置被配置为处理检测器的电信号，这些电信号表示检测器上的强度分布。
此外，评估装置还被配置为确定检测器上的两个对比度特征之间沿着第一横向方向的距离a，并且基于距离a确定光束焦点的轴向位置，和/或基于距离a的变化来确定光束焦点的轴向位置的变化。
该光束分析装置是一种用于确定焦点位置的特别坚固、精确、通用和紧凑的装置。
术语“样本光束”也可以理解为术语“能量束”，尤其是如果样本光束不是通过与能量束分离而形成的。
根据本发明的光束分析装置可以可选地通过下面列出的一个或多个特征进一步改进。
为了接收来自检测器的电信号，评估装置可以连接到检测器。例如，评估装置可以通过至少一条数据线连接到检测器。可选地或附加地，为了接收来自检测器的电信号，评估装置可以无线地连接到检测器。根据本发明的另一个方面，评估装置和检测器可以被设计成共同的单元。
在优选形式的实施例中，在至少两个对比度阶梯中的每一个中，分别地，通道区域的一部分沿着第一横向方向延伸超过宽度b，阻挡区域的一部分沿着第一横向方向延伸超过宽度p。
特别优选地，通道区域部分的宽度b是阻挡区域部分的宽度p的至少1.5倍。这实现了高度精确的测量。
在另一实施例中，在对比度阶梯处的通道区域部分和阻挡区域部分在第二横向方向上延伸超过至少宽度h。第二横向方向与第一横向方向成直角。
极其优选地，宽度h至少是宽度p的2倍。
在一个优选的实施方式中，对比度阶梯被设计为线，其在与第一横向方向相交处的切线与第一横向方向成直角。
优选地，对比度阶梯被设计为与第一横向方向成直角的直线。
根据另一方面，光束分析装置优选地被配置成通过光束折叠和/或光束重定向来改变调制平面与检测器之间的第一横向方向和局部光轴。进一步地，还可以通过光束折叠和/或光束重定向来相应地改变第二横向方向。借助光束折叠和/或光束重定向，光束分析装置可以例如制造得更紧凑，而不会损害测量精度。
光束分析装置优选地包括分离装置，其中分离装置包括光束分离器，用于将样本光束与能量束分解。通过这种方式，光束分析装置可以很容易地与现有的加工光学器件一起使用。此外，分离装置能够使光束分析装置在加工光学器件的正常操作期间进行测量。
特别优选地，光束分离器是被配置为通过反射和/或透射将能量束0.01％到5％范围内的辐射分量分离为样本光束的分束器装置。在典型的应用中，一方面，该辐射分量足以进行精确的测量，另一方面，能量束只因分离而被明显削弱。
光束整形装置可以包括具有至少一个光学透镜的成像装置，用于将调制的样本光束引导到检测器上。例如，这使得可以使用更紧凑的检测器。可选地或附加地，通过该特征可以提高测量精度。
调制平面可以设置在成像装置的像侧焦点(也称为第二焦点)处。这使得估测尤其容易。
优选地，评估装置被配置为基于对比度特征之间的距离a，通过在至少一些部分中是线性的计算规则来确定光束焦点的轴向位置。可选地或附加地，评估装置被优选地配置为借助于在至少一些部分中是线性的计算规则，基于对比度特征之间的距离a的变化来确定光束焦点的轴向位置的变化。这样就可以花费很少的计算工作量进行简单、准确和快速的估测。
在进一步的改进方案中，评估装置被配置为基于对比度特征之间的距离a，通过线性计算规则来确定光束焦点的轴向位置。可选地或附加地，评估装置可以被配置为基于线性计算规则的对比度特征之间的距离a的变化来确定光束焦点的轴向位置的变化。这样就可以花费尤其少的计算工作量进行特别简单、准确和快速的估测。
在一个有利的实施方式中，光束分析装置包括光束折叠装置，该光束折叠装置包括分束器和至少一个设置在检测器前面的光路中的反射镜，其中，至少一个反射镜被配置为将离开分束器的辐射分量反射回分束器中，从而形成第一折叠光路，并且其中，调制平面被设置在光束折叠装置前面的光路中，或者被设置在第一折叠光路中。光束折叠可以使光束分析装置设计得更紧凑，而不会损害测量精度。
在光束分析装置的另一种改进方案中，光束折叠装置可以另外包括至少一个第二反射镜，其中第二反射镜被配置为将离开分束器的另一辐射分量反射回分束器中，由此，光束折叠装置以这种方式形成第二折叠光路。第二折叠光路可以例如实现附加参数的测量。
在一个优选的实施方式中，光束整形装置的调制平面设置在第一折叠光路中，其中在第二折叠光路中没有设置调制，以便以这种方式将样本光束或能量束的辐射分量作为未调制光束引导到检测器上。评估装置可以被配置为根据检测器上的未调制光束的光斑的强度分布来确定光束直径和/或光束轮廓。这使得能量束或样本光束能够被更精确地表征。
在进一步的改进方案中，反射镜被配置为可以在第二折叠光路中轴向移动，并且反射镜的位置可以通过定位装置来调节。第二反射镜的轴向位移可以用于例如确定能量束或样本光束的光束焦散(也称为，束流包络)。可以相应地设置评估装置以确定光束焦散。特别地，评估装置可以被配置为控制反射镜的轴向位移。评估装置可以连接到第二反射镜，特别是连接到定位装置。
优选地，评估装置被配置为确定检测器上的整个强度分布的横向位置，并且用于：
-根据整个强度分布的横向位置计算样本光束的横向位置，和/或
-根据整个强度分布的横向位置的变化来计算样本光束的光束焦点的横向位置的变化。
在优选形式的实施方式中，光束分析装置包括用于分离样本光束的分束器、具有至少一个光学透镜的另一成像装置和第二检测器。此处，分束器设置在调制平面的平面前面的光路中，并且分束器设置在(前述)成像装置的光学透镜和调制平面之间。同时，另一成像装置被设置在分束器和第二检测器之间，并且被配置为将放大的光斑或光束焦点的放大图像成像到第二检测器上。这样可以更精确地表征能量束或样本光束。
评估装置可以被配置为处理由第二检测器产生的电信号，并且评估装置可以被配置为根据第二检测器上的强度分布来确定光束直径和/或焦斑直径。
为了从检测器接收电信号，评估装置可以连接到第二检测器。例如，评估装置可以通过至少一条数据线连接到第二检测器。可选地或附加地，为了接收来自检测器的电信号，评估装置可以无线地连接到第二检测器。根据本发明的另一方面，评估装置和第二检测器可以设计为共同的单元。
根据另一方面，光束分析装置包括用于分离样本光束的分束器、具有至少一个光学透镜的另一成像装置以及第二检测器。此处，分束器设置在光路中的调制平面的前面，分束器设置在成像装置的光学透镜(开头提到，也就是说最先提到的)和调制平面之间。另一成像装置设置在分束器和第二检测器之间。成像装置和另一成像装置一起形成组合透镜系统，该组合透镜系统具有像侧焦平面(也称为第二焦平面)。第二检测器可以设置在组合透镜系统的像侧焦平面中。
评估装置可以被配置为处理由第二检测器产生的电信号，并且评估装置可以被配置为根据第二检测器上的强度分布来确定发散角。
为了接收检测器的电信号，评估装置可以连接到第二检测器。第二检测器的上述变体的规定比照适用。
上述目的还通过一种系统来实现，该系统包括根据所公开形式的实施例的光束分析装置和用于引导和聚焦能量束的加工光学器件。光束分析装置可用于检查能量束。
针对光束分析装置的相应改进所提到的优点相应地适用于该系统。
加工光学器件可以包括用于将样本光束与能量束分离的分离装置，并且光束分析装置可以连接至加工光学器件以用于接收分离的样本光束。因此，光束分析装置可以以特别简单的方式用于能量束的检查。
通过具有权利要求25的特征的用于确定光束焦点的轴向位置的方法进一步解决了上述任务。
该方法用于确定光束焦点的轴向位置，其中光束焦点是电磁辐射的能量束的焦点，或者与能量束分离的样本光束的焦点。该方法至少包括以下步骤：
-在在具有二维透射函数的调制平面内调制能量束或与能量束分离的样本光束的强度分布，从而形成具有调制强度分布的调制样本光束(在横向平面中)，其中，该透射函数具有至少一个包含基本上恒定的第一强度透射因子的通道区域，以及至少一个包含基本上恒定的第二强度透射因子的阻挡区域，其中，第二强度透射因子最多为第一强度透射因子的50％，其中，该透射函数具有沿着第一横向方向在至少一个阻挡区域到至少一个通道区域之间呈过渡形式的至少两个对比度阶梯，其中对比度阶梯具有沿着第一横向方向彼此之间的距离k。术语“横向”指与各自的局部光轴垂直的平面方向，
-将调制样本光束引导到检测器上，其沿着调制样本光束的传播路径设置在调制平面后面的距离s处，以便在具有沿着第一横向方向的至少两个对比度特征的检测器上形成强度分布，其中，检测器上的强度分布中的对比度特征是通过调制强度分布中的至少两个对比度阶梯通过调制样本光束到检测器的光束传播而形成的，
-通过检测器的在空间上二维分辨的光辐射敏感传感器，将照射到检测器上的强度分布转换为电信号，
-处理检测器的电信号，该电信号表示检测器上的强度分布，
-确定对比度特征之间沿着第一横向方向的距离a，
-根据距离a确定光束焦点的轴向位置，或者根据距离a的变化确定光束焦点的轴向位置的变化。
根据本发明的方法可以对焦点位置进行特别稳健、准确和通用的确定。
特别地，光束整形装置可以根据实施例描述的任何形式来设计。此处提到的优点相应地适用于光束分析方法。
特别地，评估装置可以根据实施例描述的任何形式来设计。此处提到的优点相应地适用于光束分析方法。
根据本发明的光束分析方法可以通过下面列出的可选步骤中的一个或多个进一步改进。
在进一步地步骤中，样本光束可以例如通过在分离装置中的光束分离器而与能量束分离。
作为样本光束，能量束的0.01％到5％范围内的辐射分量可以通过反射和/或透射，例如借助于光束分离器来分离。
引导调制样本光束至检测器上可以通过具有至少一个光学透镜的成像装置来进行。成像装置可以设置在光束整形装置中。
成像装置的像侧焦点可以位于调制平面中。强度分布的调制可以在成像装置的像侧焦点处进行。
优选地，通过在至少一些部分中线性的计算规则：
-基于对比度特征之间的距离a来确定光束焦点的轴向位置，或
-基于对比度特征之间距离a的变化来确定光束焦点的轴向位置的变化。
在进一步的改进中，通过线性计算规则：
-基于对比度特征之间的距离a来确定光束焦点的轴向位置，或
-基于对比度特征之间距离a的变化来确定光束焦点的轴向位置的变化。
根据另一方面，第一折叠光路优选地通过光束折叠装置形成，该光束折叠装置包括分束器(和至少一个反射镜)，第一折叠光路设置在检测器前面的光路中，通过将离开分束器的辐射分量反射回到至少一个反射镜处的分束器中。此处，强度分布的调制可以在光束折叠装置前面的光路中或在第一折叠光路中进行。
在又一个步骤中，第二折叠光路通过光束折叠装置形成，该光束折叠装置额外地包括至少一个第二反射镜，通过将离开分束器的另一光束分量反射回到第二反射镜处的分束器中。
在进一步的改进中，强度分布的调制发生在第一折叠光路中，其中在第二折叠光路中不发生强度分布的调制，并且辐射分量作为未调制光束被引导到检测器上。此处，例如通过评估装置，可以根据未调制光束的光斑在检测器上的强度分布来确定光束直径和/或光束轮廓。
特别优选地，通过定位装置可以改变反射镜在第二光路中的轴向位置，对于反射镜的至少三个不同位置中的每一个，未调制光束的光斑的强度分布被记录在检测器上。可选地，未调制光束的至少一个光束参量是由所记录的强度分布确定的，例如通过评估装置。
在所述方法的进一步改进中，所述方法包括以下步骤：
-通过分束器来分裂样本光束，该分束器被设置在(最开始描述的)成像装置的光学透镜后面的光路中并且设置在调制平面的前面。
-借助于包括至少一个光学透镜的另外的成像装置将分离的样本光束成像到第二检测器上，该至少一个光学透镜设置在分束器和第二检测器之间，用于在第二检测器上形成放大的光斑或光束焦点的放大图像。
-根据第二检测器上的强度分布确定光束直径或焦斑直径。
根据另一方面，所述方法优选地包括以下步骤：
-通过设置在(最开始描述的)成像装置的光学透镜后面和调制平面前面的光路中的分束器来分裂样本光束。
-通过具有至少一个光学透镜的另一成像装置将分离的样本光束引导到第二检测器上，该至少一个光学透镜设置在分束器和第二检测器之间，用于在第二检测器上形成远场光束分布。此处，成像装置和另一成像装置一起形成具有像侧焦平面的组合透镜系统。第二检测器在此处设置在组合透镜系统的像侧焦平面中。
-根据第二检测器上的强度分布确定远场光束直径或发散角。
在所述方法的有利的进一步改进中，能量束通过加工光学器件来聚焦。
特别优选地，所确定的光束焦点的轴向位置，或所确定的光束焦点的轴向位置的改变，用于控制激光处理操作。
附图简要说明
借助于以下附图更详细地说明本发明，而不限于所示的实施例和示例的形式。更确切地说，如在各附图中所示，还设想了元件和方面可以组合的实施方式。其中：
图1示出了根据本发明的光束分析装置的一种实施方式的示意图。
图2示出了与图1类似的光束分析装置的一种实施方式的示意图，其具有附加的分离装置。
图3示出了用于光束分析装置的调制装置的示意图、调制装置的透射函数的示意图以及在调制装置的前面和后面的示例性强度分布的示意图。
图4示出了具有对比度特征的检测器上的强度分布的示意性的、示例性的表示，其中还示出了强度分布随焦点位置的改变而改变。
图5示出了具有对比度特征的检测器上的模拟强度分布的轮廓的示例性表示，其中还示出了强度分布的轮廓随焦点位置的改变而改变。
图6示出了光束分析装置的实施方式的变型的示意图，其中调制装置设置在成像装置的焦平面中。
图7示出了具有光束折叠装置的光束分析装置的另一实施方式的示意图，该光束折叠装置用于在检测器上形成两个不同的光路，其中调制装置仅设置在一个光路中。
图8示出了具有检测器上两个光路的光束分析装置的另一实施方式的示意图，其中调制设备仅设置在一个光路中，并且其中可以调节未调制光束的光路长度。
图9示出了光束分析装置的另一实施方式的示意图，该光束分析装置具有类似于图7的两个光路，并且附加地将光束分离以及将样本光束的远场光束分布成像到第二检测器上。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的光束分析装置10，其包括光束整形装置12、检测器40和评估装置45。光束整形装置12、检测器40和评估装置45优选地一起设置在壳体中。光束分析装置10接收具有光束焦点71的沿光轴11传播的样本光束70。光束整形装置12包括调制装置20和成像装置50，在本实施例中，调制装置20和成像装置50被设计为独立的装置。调制装置20用于调制调制平面19中的样本光束70的强度分布。为此，调制装置20具有通道区域21的至少两个区域部分和阻挡区域25的至少一个区域部分。在通道区域21中，辐射进一步地传播到检测器40；在阻挡区域25中，辐射向检测器的传播受到阻碍。因此，调制装置20提供透射函数，借助于该投射函数可以对样本光束70的强度分布进行调制，从而形成调制样本光束79。沿着第一横向方向31，透射函数具有两个对比度阶梯32、33，呈现在阻挡区域25与通道区域21之间的过渡形式。对比度阶梯32、33是沿着第一横向方向31彼此相距距离k，其中术语“横向”是指与光轴11垂直的平面中的方向。借助于光束整形装置12，将样本光束70或调制样本光束79引导到检测器40上。这样做时，通过利用成像装置50的成像特性，调制样本光束的强度分布在横向范围上减小。检测器40不设置在光束焦点71的图像的位置处。在传感器平面39中，检测器40具有在空间上二维分辨的光辐射敏感传感器，其将检测器40上的强度分布转换为电信号，该电信号由评估装置45接收并处理。在该实施方式中，为此，评估装置45与检测器40电连接。成像装置50包括至少一个光学透镜51。通过将调制样本光束79引导到检测器40上，在每个对比度阶梯32、33的检测器上的强度分布中形成至少一个对比度特征92、93。两个对比度特征92、93是在检测器40上在第一横向方向31上彼此相距距离a。除其他项目外，距离a取决于对比度阶梯32、33之间的距离k、调制平面19和传感器平面39之间的距离s、光束焦点71的轴向位置和调制平面19之间的距离zs、以及透镜51的位置(更确切地说是成像装置50的主平面的位置)和调制平面19之间的距离e。因此，光束焦点71的轴向位置可以根据距离a确定。如果光束焦点71的图像位置落在检测器40或传感器平面39上，则距离a将为零；此外，在光束焦点71的图像中的强度分布中不会形成对比度特征。因此，检测器40或传感器平面39被设置在距光束焦点71的图像位置的轴向距离处。
图2表示与图1所示的实施方式类似的光束分析装置10。图2所示的光束分析装置10的实施方式的变型与根据图1的实施方式的不同之处在于具有附加的分离装置14。分离装置14包括光束分离器15。借助于光束分离器15，样本光束70与电磁辐射的能量束77(例如激光束)分离。在该实施例中，光束分离器15是平板，其被设置为一个分束器，并且在其一个界面处，能量束77的强度的一部分被反射为样本光束70。为了调节反射的程度，该平板可以被涂覆，例如涂覆有反射减少层。通常的抗反射涂层在约0.05％至约1％的范围内的低残余反射足以提供样本光束70。因此，分离装置14同时减小和/或限制样本光束70的辐射强度。在对比度阶梯32、33处形成光束72、73；它们照射在检测器40上的点表示对比度特征92、93的位置。图2中实施方式的所有其他特征对应于图1中所示的特征，相同的附图标记对应于与图1中相同的特征；在这方面，对于其他特征，参考图1的描述。
图3示出了调制装置20的示例，其例如可以在根据图1或2的光束分析装置10中使用。调制装置20具有通道区域21的两个区域部分，在具有宽度p的阻挡区域25的中心设置的区域部分的任一侧上具有宽度b。在每种情况下，通道区域21的区域部分和阻挡区域25的区域部分之间的过渡形成对比度阶梯32、33中的一个。对比度阶梯32、33在第一横向方向上彼此相距距离k。在阻挡区域25中没有辐射被透射；阻挡区域25可以由吸收和/或反射材料组成。以这种方式形成的示例性透射函数80在图3的右上部分中示意性地示出。样本光束70照射到调制装置20上，在调制装置20的前面具有强度分布81，该强度分布例如可以是高斯形式的。在由调制装置20进行调制之后，样本光束具有其上施加有透射函数80的强度分布82，使得现在包括在透射函数80中的对比度阶梯32、33被包括在强度分布82中。在图3的右下部分中，对于高斯形式的样本光束70，示意性地示出了调制装置前面(81)和后面(83)的强度分布。
图4是根据图1或图2的光束分析装置10中的检测器40上的强度分布83的示意性的、示例性的表示，其具有如图3所示的调制装置20。检测器40上的强度分布由两个强度较高的区域组成，其中区域呈圆形截面的形式。由对比度阶梯32、33引起的对比度特征92和93在圆形部分的内边缘上形成。检测器上的强度分布83表示由调制装置20投射的(减小的)阴影，该阴影由样本光束70照射。对比度特征92、93在第一横向方向31上彼此相距距离a。在光束焦点71的轴向位置发生变化的情况下，距离a改变。图4另外示出了在光束焦点71的轴向位置发生变化的情况下，检测器40上的对比度特征92、93之间的距离a的变化。图中的带撇号的参考符号表示光束焦点的轴向位移变化的细节。光束焦点位置改变的量Δz＝zs-zs'导致对比度特征92、93的间隔改变的量为Δa＝a'-a。
图5示出了根据图1或图2的并具有根据图3的调制装置20的光束分析装置10的检测器40上的强度分布83的示例。这两条曲线示出了使用光线追踪软件对光束分析装置10进行模拟的结果。这里假设了一个非相干光，其焦斑直径为0.1mm，发散度为67mrad。阻挡区域的中心部分的宽度p为6mm，其在该示例中与对比度阶梯之间的距离k相同。从光束焦点到调制装置的距离zs为100mm，从调制装置到检测器的距离s为180mm，透镜的焦距为67mm。实线表示光束焦点71处于原始位置时的强度分布，虚线表示焦点位置轴向移动2mm情况下的强度分布。由于到检测器40的传播路径，对比度阶梯32、33实际上是“模糊的”，但是对比度特征92、93在强度分布83中的位置仍然可以清晰且高精度地确定。
图6表示光束分析装置10的变型，其中成像装置50在光束方向上设置在调制装置20的前面。在这种情况下，透镜51的位置(更确切地说，成像装置50的主平面的位置)和调制平面19之间的距离为d。如果距离d等于成像装置50的焦距f，也就是说，如果调制平面19设置在成像装置50的像侧焦点处，则提供一种特别有利的实施方式。实施方式的各种形式将在包含本发明的详细描述的部分中更详细地解释。所示的所有其他细节对应于图1的细节。
图7示出了光束分析装置10的一种实施方式，其包括光束整形装置12、光束折叠装置60、检测器40和评估装置45。光束整形装置12、光束折叠装置60、检测器40和评估装置45优选地一起设置在同一壳体中。光束整形装置12包括具有至少一个光学透镜51的成像装置50和调制装置20。光束折叠装置60包括分束器61和反射镜64、65。光束折叠装置60在光束方向上设置在成像装置50的透镜51的后面。分束器61将样本光束70分成两个辐射分量。两个辐射分量中的第一个穿过调制装置20并照射到反射镜64上。借助于调制装置20对样本光束70的强度分布进行调制，并施加对比度阶梯32、33。对比度阶梯32、33在第一横向方向31上彼此相距距离k。随后，通过光束折叠装置60的反射镜64将以这种方式形成的调制样本光束79反射回分束器61中，由此形成第一折叠光路。在穿过分束器61之后，两个辐射分量中的第二个照射到反射镜65上，并且被反射镜65反射回到分束器61中，由此形成第二折叠光路。在第二折叠光路中，不发生对样本光束70的强度分布的调制，从而在第二光路中形成未调制光束78。在分束器61中，来自两个折叠光路的两个辐射分量被叠加并沿着具有局部光轴11的公共传播路径引导到检测器40上。因此，检测器40上的强度分布由具有对比度特征92、93的强度分布83和未调制光束78形成的横向间隔的光斑98组成。可以例如通过两个反射镜64、65中的一个的轻微倾斜来实现光斑98与强度分布83的横向间隔。强度分布83中的两个对比度特征92、93以如前所述的方式通过调制样本光束79的传播形成，在调制样本光束上施加对比度阶梯32、33。对比度特征92、93在检测器40上的第一横向方向31上彼此相距距离a。在光束焦点71的轴向位置发生变化的情况下，距离a改变。基于距离a或距离a的变化，评估装置45确定光束焦点71的轴向焦点位置或轴向焦点位置的变化。通过对经由第二折叠光路传播的未调制光束78的成像，在检测器40上形成第三光斑98。因此，未调制光束的光斑98表示样本光束70或能量束77的原始强度分布，样本光束70可以从该能量束中分离。特别地，光斑98还可以是光束焦点71的图像。借助于成像装置50的成像比例，光束焦点71的强度分布和/或直径因此也可以由评估装置45确定。为了将光束焦点71的图像成像到检测器40上，通过反射镜65的第二折叠光路可以具有不同的，特别是更长的光路长度。
图8中所示的实施方式的变型与图7中实施方式在以下特征方面不同：第二折叠光路具有可变可调的光路长度。为此，反射镜64被设置成使其可以例如通过一直线导轨轴向地移动，并且耦合到定位装置66。借助于定位装置66，反射镜64可以移动到不同的轴向位置(64、64')。定位装置66可以包括例如柱塞线圈驱动器，由此可以实现非常快速的调节，例如在毫秒的范围内。可以配置评估装置45以控制定位装置66。评估装置45还可以被配置为与定位装置66交换数据，例如交换关于反射镜位置或调整路径的改变的信息。因此，可以一个接一个地设置多个(优选地至少3个，特别优选地至少10个)反射镜位置，并且可以记录检测器40上的光斑98的各自的强度分布。根据这些数据，可以确定样本光束70的各种光束参量，例如焦斑直径、光束发散度和/或光束参量乘积。因此，这里示出的光束分析装置10一方面能够准实时地确定轴向光束焦点位置，另一方面能够几乎实时地或至少在非常短的时间段内测量光束焦散(也称为样本光束70或能量束77的束流包络)。这也使得可以在非常短的时间内，例如在小于1秒的时间内，根据ISO11146的标准测量光束。图8示出了另一个方面。在第一折叠光路中的调制装置20在此以示例性方式被设计为可切换且空间可控的反射器。为此，调制装置20可以包括例如在后方设置有反射镜的LCD(液晶显示)面板，或者LCOS(硅基液晶)元件。可切换的调制装置20由控制装置46控制，该控制装置可以与评估装置45交换数据。
图9示出了光束分析装置10的实施方式，其另外包括远场分析装置。该远场分析器可以与前述的任何光束分析装置10组合。远场分析装置包括第二分束器62、另一成像装置67和第二检测器42。第二分束器62沿光束方向设置在成像装置50的至少一个透镜51的后面，并且设置在调制装置20的前面，并且还设置在光束折叠装置60的前面。通过第二分束器62，辐射分量与样本光束70分离以形成(可能进一步的)未调制光束78，未调制光束78被引导到第二检测器42上以在第二检测器42上形成光束强度分布99。在第二分束器62和第二检测器42之间设置有另外的成像装置67，其包含至少一个光学透镜，或者可以是多透镜物镜。另外的成像装置67与成像装置50和包含在其中的透镜51一起形成组合透镜系统。所述组合透镜系统具有组合焦距和组合透镜系统的像侧焦平面。第二检测器42精确地设置在组合透镜系统的像侧焦平面中。由于在第二检测器42上形成的未调制光束78的强度分布99是样本光束70的强度分布的傅立叶变换，因此组合透镜系统形成用于第二检测器42的所谓的傅立叶透镜。因此，第二检测器42上的强度分布99是所谓的远场强度分布，其与光束焦点71的轴向位置无关。因此，根据该强度分布99，尤其可以确定样本光束70的发散角。在其他细节中，实施方式对应于图7中所示的装置，并在相关文本进行了解释。
本发明的详细描述
本发明设想了一种用于确定光束焦点71的轴向位置的光束分析装置10。此处，光束焦点71是电磁辐射的能量束77的焦点76，或者是从能量束77中分离的样本光束70的焦点。光束分析装置10包括光束整形装置12、检测器40和评估装置45。
光束整形装置12被配置为在具有二维透射函数的调制平面19中调制能量束77或与能量束77分离的样本光束70的强度分布81，以便形成调制的样本光束79，其具有调制强度分布82。在此，透射函数具有包括基本上恒定的第一强度透射因子的至少一个通道区域21和包括基本上恒定的第二强度透射因子的至少一个阻挡区域25。第二强度透射因子最多为第一强度透射因子的50％。沿着第一横向方向31，透射函数具有在至少一个阻挡区域25和至少一个通道区域21之间呈过渡形式的至少两个对比度阶梯32、33。对比度阶梯32、33沿着第一横向方向31彼此相距距离k，其中，术语“横向”是指与相应的局部光轴11垂直的平面中的方向。
第一横向方向31位于与局部光轴11垂直的平面内。由于光路中的局部光轴11总是用局部坐标系的z轴来识别，因此第一横向方向31位于x-y平面中。
光束整形装置12还被配置为沿着传播路径将调制的样本光束79引导到检测器40上，以便在检测器40上形成强度分布83，该检测器40具有沿着第一横向方向31的至少两个对比度特征92、93，其中，在检测器40上的强度分布83中的对比度特征92、93是由调制强度分布82中的至少两个对比度阶梯32、33通过调制样本光束79到检测器40的光束传播而形成的。对比度特征92、93在第一横向方向31上彼此相距距离a，该距离尤其受透射函数的对比度阶梯之间的距离k的影响。
换句话说，由检测器40上的至少两个对比度阶梯中的第一个引起的并在强度分布83中的对比度特征92，与由检测器40上至少两个对比度阶梯中的第二个引起的并在强度分布83中的对比度特征93，在强度分布83中沿第一横向方向31的距离为a。
透射函数是定义(横向)二维区域上的强度透射因子的(位置相关)大小的函数。
强度透射因子是在同一横向位置处调制后的辐射强度与在调制前的辐射强度之比。
强度透射因子的大小原则上可以在0和1之间的范围内。
光束整形装置12的强度分布81的调制可以例如通过调制装置20来实现，该调制装置20被配置为形成至少一个通道区域21和至少一个阻挡区域25。通道区域21和阻挡区域25可以各自是连续区域；然而，通道区域21和/或阻挡区域25也可以实现为彼此分离的多个部分。
通道区域21的特征在于，通道区域21、22内的辐射的透射率显著大于阻挡区域25内的透射率。术语透射率在此处关于以这种方式形成的调制样本光束79的预期传播方向来理解。透射率特别地由强度透射因子定义。强度透射因子可以例如通过辐射透射率和/或辐射反射率来确定。
特别地，通道区域21中的辐射透射率(或反射率)至少是阻挡区域25中的辐射透射率(或反射率)的两倍。优选地，阻挡区域25中的辐射透射率(或反射率)比通道区域21中的辐射透射率(或反射率)小至少10倍。特别优选地，阻挡区域25中的辐射透射率(或反射率)比通道区域21中的辐射透射率(或反射率)小至少100倍。
检测器40包括在空间上二维分辨的光辐射敏感传感器，被配置为将照射在检测器40上的强度分布83转换成电信号。检测器40可以是CCD摄像机，或者CMOS摄像机，或者类似的设备。在空间上二维分辨的光辐射敏感传感器通常是基于像素的半导体传感器。检测器40沿着调制样本光束79的传播路径设置在调制平面19后面的距离s处。
评估装置45被配置为处理检测器40的电信号，该电信号表示检测器40上的强度分布83。评估装置45被配置为确定检测器40上的对比度特征92、93之间沿着第一横向方向31的距离a。相应对比度特征92、93的位置优选地由梯度区域的中心和/或由检测器40上相应对比度特征92、93的强度分布83的梯度区域中的平均强度值的位置来限定。此处，梯度区域是在强度分布83中由对比度阶梯32、33在调制装置20后的强度分布82中传播而形成的区域。
此外，评估装置45被配置为基于距离a来确定光束焦点71的轴向位置，和/或基于距离a的变化来确定光束焦点71的轴向位置的变化。
评估装置45可以例如以在计算机上运行的软件程序的形式来实现。
为了在确定光斑92、93在检测器40上的位置时实现高精度，如果在通道区域21和阻挡区域25之间的透射函数的轮廓(也就是说，到形成对比边缘32、33的过渡)尽可能陡峭，例如它突然改变，则是有利的。在检测器上的强度分布83中的相应的对比度特征92、93的轮廓也尽可能窄或陡峭。另一方面，尖锐的对比边缘促进衍射结构的形成，这就是为什么还可以设想在通道区域21和阻挡区域25之间的过渡中连续前进。如果通道区域21和阻挡区域25的区域部分的宽度不相同，则可以减小衍射结构的调制深度。
在光束焦点71的轴向位置发生变化的情况下，检测器40上的对比度特征92、93之间的距离a改变。也就是说，距离a与光束焦点71的z位置具有函数关系。此函数关系受以下几何量的影响和/或定义：
a是检测器40上的对比度特征92和93之间的距离；
a'是在光束焦点位置变化的情况下检测器40上的对比度特征92'和93'之间的距离；
Δa是对比度特征32、33之间的距离的变化，Δa＝a'-a；
k是在第一横向方向31上在调制平面19中的对比度阶梯32、33之间的距离；
zs为光束焦点71的轴向位置与调制平面19之间的距离；
zs'是偏移光束焦点71'的轴向位置与调制平面19之间的距离；
Δz为轴向光束焦点位置的变化，Δz＝zs-zs'；
s是调制平面19和检测器40的传感器平面39之间的距离；
e是从调制平面19到成像装置50的位置的距离，更准确地说，如果具有调制平面19的调制设备20设置在成像装置50的前面，则为到成像装置50的主平面的距离。
d是从成像装置50的位置，更确切地说，从成像装置50的主平面到调制平面19的距离，如果具有调制平面19的调制装置20设置在成像装置50的后面。
实际上，调制平面19作为光束焦点位置71的距离的参考点通常并不十分有利。如果参考点可以任意选择或校准，则更实用。为此，指定直接描述焦点位置变化的函数关系是有利的。根据截距定理和已知成像方程的应用，对于射线分析装置10，得到如下的函数关系：
Δz＝Δa c1/(c2+Δa c3)
公式符号c1、c2、c3是为简化表示公式而引入的系数。
对于调制装置20设置在成像装置50前面的情况(参见图1或2)，系数c1、c2、c3由下式给出：
c1＝zs 2
c2＝k{s[1-(e/f)]+(e2/f)}
c3＝zs
对于调制装置20设置在成像装置50后面的情况(参见图6至图9)，系数c1、c2、c3由下式给出：
c1＝[zs(f-d)+d2]2
c2＝f2ks
c3＝(f-d)[zs(f-d)+d2]
系数c1、c2、c3可以通过设置光束焦点71的至少3个不同的已知轴向位置并确定距离a的相应变化Δa来确定。通过这种方式确定的系数可以作为校准数据存储在评估装置45中，由此，可以由评估装置45针对任何距离变化Δa来计算焦点位置变化Δz。
可选地或附加地，可以使用上面给出的公式直接从设置的几何距离计算系数，并将其存储在评估装置45中。
这里应当注意，所有的轴向距离，即zs、d、e、s都是沿着光轴11的距离。因此，在光束偏转的情况下，如果必要的话，距离zs、d、e、s由沿着局部光轴11的各个距离分段组成。还应注意，当光束被部分地引导穿过光学材料时，例如当被引导穿过分束器立方体时，相应的部分距离必须通过取决于光学材料的折射率的因子来进行校正。
在光束分析装置10的实施方式的变型中，调制装置20在成像装置50的后面，也就是说，在光束方向上在至少一个光学透镜51的后面，存在一种特别令人感兴趣的特殊情况，其中从成像装置50的主平面到调制平面19的距离d等于成像装置50的焦距f。换句话说，调制平面19设置在成像装置50的像侧焦点处。对于光束分析装置10的这种实施方式，函数关系的系数由下式给出：
c1＝f4
c2＝f2ks
c3＝0
这导致与特定特征的特别简单的函数关系，即对比度特征92、93之间的距离a中的变化Δa与轴向光束焦点位置中的变化Δz恰好成比例：
Δz＝Δaf2/(ks)
通过这种线性关系，简化了设备的校准，并且在确定焦点位置时实现了高精度。
在这种设置中，特别有利的是，对于焦点位置的变化Δz的计算，不需要光束焦点的绝对z位置(zs)。
该特征或设置可以有利地以实施方式实现，其中在任何情况下，例如当调制装置20设置在折叠的光路中时，设置成像装置50和调制装置20之间的距离。因此，本发明的该方面还可以有利地组合成实施方式，其中实现了两个折叠的光路，并且在其中一个折叠的光路中不存在调制装置，从而可以同时记录和确定样本光束70的原始光束轮廓(参见图7和图9)。在与未调制光束78的光路中的轴向可调节的反射镜64或65的进一步组合中，记录整个光束焦散并由此确定所有几何光束参量也是可能的(参见图8)。
可以局部地限定第一横向方向31。它在每种情况下(至少基本上)与局部光轴11成直角。特别地，可以将其定义为在与局部光轴11垂直的平面中的方向，在该平面中，对比度特征92、93仅通过对比度阶梯32、33之间的距离k而沿该方向间隔开。
样本光束70可以与能量束77相同，特别是如果样本光束70不是通过与能量束分离而形成的。
在本发明的另一实施方式中，为了改变透射函数，可以切换调制装置20。
特别优选地，调制装置20可以被切换。例如，光束整形装置12可以形成LCD屏幕装置，用于形成对比边缘32、33。在这种情况下，LCD屏幕装置的平面可以限定调制平面19。
为了形成光束整形装置12的对比度阶梯32、33，通道区域21的区域部分和阻挡区域25的区域部分优选地是不变的。例如，可以根据固定的屏幕开口和/或反射镜的(空间有限的)反射表面来设计这种对比度阶梯32、33。这可以简单、稳健、可靠且经济高效地实现。
在一个优选的实施方式中，光束整形装置12的对比度阶梯32、33是可变的。例如，可以根据LCD屏幕装置的多个像素和/或机械可调节尺寸的屏幕开口来实现可变对比度阶梯32、33。可变对比度阶梯32、33可以实现对当前测量条件(例如光强、待测量光束中的光分布、波长等)的适应。
可以在局部地限定光束方向。从全局来看，光束方向可以改变，例如通过光束折叠和/或光束重定向。例如，可以通过样本光束70的局部坡印亭矢量的方向来限定局部光束方向。
在调制平面19下游的辐射的传播方向上，调制样本光束79的局部光束方向可以由各个调制样本光束79的局部坡印亭矢量的方向来限定。可选地，局部(集体)光束方向可以由样本光束的虚拟轮廓的坡印亭矢量限定，而无需调制。
局部光轴11可以由例如操作时预期的局部总光束方向来限定。
本发明的优点在于，光束分析装置的测量原理是基于检测器上唯一可识别的特征(对比度特征)的位置的确定。位置和它们彼此之间的距离的确定在很大程度上与例如恒定信号背景的水平无关，该恒定信号背景可以由散射光和/或传感器噪声引起。这使得测量原理比其他方法更不容易出错，这些方法例如，基于光束直径的确定，也就是说，强度分布的二阶矩及其变化，因为二姐矩的确定对背景水平的变化比较敏感。
本发明的另一个显著优点是，光束焦点的轴向位置的确定不受激光辐射或样本光束的光束质量变化的影响。
可以准实时地确定光束焦点的轴向位置的变化，也就是说，该确定仅需要由热焦点偏移引起的焦点位置变化的典型时间常数的一小部分。因此，本发明还能够提供用于在激光处理操作期间控制激光材料加工的信号。
在不脱离本发明的范围和目的的情况下，本发明可以以多种方式进一步改进。许多配置和可能的实施方式在附图中示出并且在附图说明中进行了解释，但是本发明不限于所示的实施方式。附图中示出的实施方式的各种特征或形式也可以彼此组合，以获得本发明的实施方式的进一步形式。
出于本公开的目的，能量束优选地是波长在0.1微米至10微米的范围内的电磁辐射束，特别优选在0.3微米至3微米的范围内，并且更特别地在0.3微米至1.5微米的范围内。
出于本公开的目的，激光辐射优选为0.3微米至1.5微米范围内的电磁辐射，功率至少为lmw，特别优选地功率至少为100W。
参考符号列表
10光束分析装置
11光轴，局部光轴
12光束整形装置
14分离装置
15光束分离器
16第二光束分离器
19调制平面
20调制装置
21通道区域
25阻挡区域
31第一横向方向
32、33对比度阶梯(通道区域和阻挡区域之间的过渡)
37第二横向方向
39传感器平面
40检测器
42第二检测器
43吸收装置
44吸收器和/或功率测量装置
45评估装置
46控制装置
49成像装置的位置，成像装置的主平面
50成像装置
51光学透镜
60光束折叠装置
61分束器
62第二分束器
63另一成像装置
64、65反射镜
66定位装置
67另一成像装置
68偏转镜
70样本光束
71光束焦点
72、73在对比度阶梯处形成的光束
76能量束焦点
77能量束
78未调制光束
79调制样本光束
80透射函数
81调制装置前方的强度分布
82调制装置后方的强度分布
83检测器上的强度分布
92、93对比度特征
98未调制光束的光斑
99远场强度分布
100加工光学器件
110光纤端
113准直器
116聚焦光学器件
120保护玻璃

Claims (40)

1.一种用于确定光束焦点(71)的轴向位置的光束分析装置(10)，其特征在于，
光束焦点(71)是电磁辐射的能量束(77)的焦点(76)，或与所述能量束(77)分离的样本光束(70)的焦点，包括光束整形装置(12)、检测器(40)和评估装置(45)；
其中，所述光束整形装置(12)
-被配置为在具有二维透射函数的调制平面(19)中调制所述能量束(77)或与所述能量束(77)分离的所述样本光束(70)的强度分布(81)，
从而形成具有调制强度分布(82)的调制样本光束(79)，
其中，所述透射函数具有至少一个包括基本恒定的第一强度透射因子的通道区域(21)，以及具有至少一个包括基本恒定的第二强度透射因子的阻挡区域(25)，
其中，所述第二强度透射因子最多为所述第一强度透射因子的50％，其中，沿着第一横向方向(31)的所述透射函数包括在所述至少一个阻挡区域(25)和所述至少一个通道区域(21)之间呈过渡形式的至少两个对比度阶梯(32，33)，
其中，所述对比度阶梯(32，33)沿所述第一横向方向(31)彼此相距距离k，
其中，术语“横向”是指与相应的局部光轴(11)垂直的平面中的方向，
-被配置为沿着传播路径将所述调制样本光束(79)引导到所述检测器(40)上，以便在所述检测器(40)上形成具有沿着所述第一横向方向(31)的至少两个对比度特征(92，93)的强度分布(83)，
其中，所述检测器(40)上的所述强度分布(83)中的所述对比度特征(92，93)由所述至少两个对比度阶梯(32，33)在所述调制强度分布(82)中通过将所述调制样本光束(79)传播到所述检测器(40)形成；
其中所述检测器(40)
-包括在空间上二维分辨的光辐射敏感传感器，被配置为将照射在所述检测器(40)上的所述强度分布(83)转换为电信号，并且
-沿所述传播路径设置在所述调制平面(19)后面的距离s处；以及，其中所述评估装置(45)
-被配置为处理所述检测器(40)的电信号，所述电信号表示所述检测器(40)上的所述强度分布(83)，
-被配置为确定所述检测器(40)上的两个所述对比度特征(92，93)之间沿着所述第一横向方向(31)的距离a，以及
-被配置为基于所述距离a确定所述光束焦点(71)的轴向位置，和/或基于所述距离a的改变确定所述光束焦点(71)的轴向位置的改变。
2.根据权利要求1所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
在所述至少两个对比度阶梯(32、33)中的每一个处，在每种情况下，所述通道区域(21)的一部分沿着所述第一横向方向(31)延伸超过宽度b，并且在每种情况下，所述阻挡区域(25)的一部分沿着所述第一横向方向(31)延伸超过宽度p。
3.根据权利要求2所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述通道区域21的部分的宽度b是所述阻挡区域25的部分的宽度p的至少1.5倍。
4.根据权利要求2或3所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
在所述对比度阶梯(32、33)处的所述通道区域(21)的部分和所述阻挡区域(25)的部分在第二横向方向(37)上延伸超过至少宽度h，所述第二横向方向(37)与所述第一横向方向(31)成直角。
5.根据权利要求4所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述宽度h至少是所述宽度p的2倍。
6.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述对比度阶梯(32，33)被设计为线，其在与所述第一横向方向(31)的交点处的切线与所述第一横向方向(31)成直角对齐。
7.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述对比度阶梯(32、33)被设计为与所述第一横向方向(31)成直角排列的直线。
8.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述调制平面(19)和检测器(40)之间的所述第一横向方向(31)和所述局部光轴(11)通过光束折叠和/或光束重定向被改变。
9.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，包括分离装置(14)，其中，
所述分离装置(14)包括用于将所述样本光束(70)与所述能量束(77)分离的光束分离器(15)。
10.根据权利要求9所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述光束分离器(15)是分束器装置，被配置为通过反射和/或透射将所述能量束(77)从0.01％到5％范围内的辐射分量分离为样本光束(70)。
11.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述光束整形装置(12)包括具有至少一个光学透镜(51)的成像装置(50)，用于将所述调制样本光束(79)引导到所述检测器(40)上。
12.根据权利要求11所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述调制平面(19)设置在所述成像装置(50)的像侧焦点处。
13.根据权利要求12所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述评估装置(45)被配置为通过线性计算规则，基于所述对比度特征(92、93)的所述距离a来确定所述光束焦点(71)的所述轴向位置，和/或基于所述对比度特征(92，93)之间的所述距离a的变化来确定所述光束焦点(71)的所述轴向位置的变化。
14.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述评估装置(45)被配置为通过在至少一些部分中是线性的计算规则，基于所述对比度特征(92、93)之间的所述距离a来确定所述光束焦点(71)的轴向位置，和/或基于所述对比度特征(92、93)之间的所述距离a的变化，来确定所述光束焦点(71)的轴向位置的变化。
15.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，包括光束折叠装置(60)，所述光束折叠装置包括分束器(61)和至少一个反射镜(64)，并且被设置在所述检测器(40)前面的光路中，其中，
所述至少一个反射镜(64)被配置为将离开所述分束器(61)的辐射分量反射回所述分束器(61)中，以这种方式形成第一折叠光路，并且其中
所述调制平面(19)设置在所述光束折叠装置(60)前面的光路中，或者设置在所述第一折叠光路中。
16.根据权利要求15所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述光束折叠装置(60)另外包括至少一个第二反射镜(64，65)，其中
所述第二反射镜(64，65)被配置为将离开所述分束器(61)的另一辐射分量反射回所述分束器(61)中，以这种方式形成第二折叠光路。
17.根据权利要求16所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述光束整形装置(12)的所述调制平面(19)设置在所述第一折叠光路中，其中
在所述第二折叠光路中没有配置调制，以便将所述样本光束(70)或所述能量束(77)的辐射分量作为未调制光束(78)引导到所述检测器(40)上，并且其中，
所述评估装置(45)被配置为根据所述未调制光束(78)的光斑(98)在所述检测器(40)上的强度分布来确定光束直径和/或光束轮廓。
18.根据权利要求17所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述反射镜(64，65)被配置为可以在所述第二折叠光路中轴向移动，并且所述反射镜(64，65)的位置可以通过定位装置(66)来调节。
19.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述评估装置(45)被进一步配置为确定整个所述强度分布(83)在所述检测器(40)上的横向位置，并且被配置为根据整个所述强度分布(83)的所述横向位置计算所述样本光束(70)的所述光束焦点(71)的横向位置，和/或根据整个所述强度分布(83)的所述横向位置的变化来计算所述样本光束(70)的所述光束焦点(71)的横向位置的变化。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，还包括用于分离所述样本光束(70)的分束器(62)、具有至少一个光学透镜的另一成像装置(63)和第二检测器(42)，
-其中所述分束器(62)设置在所述调制平面(19)前面的光路中，
-其中所述分束器(62)设置在所述成像装置(50)的所述光学透镜
(51)和所述调制平面之间，并且
-其中，所述另一成像装置(63)设置在所述分束器(62)和所述第二检测器(42)之间，用于将放大的光斑(98)或所述光束焦点(71)的放大图像成像到所述第二检测器(42)上。
21.根据权利要求20所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述评估装置(45)被配置为处理由所述第二检测器(42)产生的电信号，并且其中
所述评估装置(45)被配置为根据所述第二检测器(42)上的强度分布来确定光束直径和/或焦斑直径。
22.根据权利要求11至19中任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，还包括用于分离所述样本光束(70)的分束器(62)、具有至少一个光学透镜的另一成像装置(67)和第二检测器(42)，
-其中所述分束器(62)设置在所述调制平面(19)前面的光路中，
-其中所述分束器(62)设置在所述成像装置(50)的所述光学透镜(51)和所述调制平面(19)之间，
-其中所述另一成像装置(67)设置在所述分束器(62)和所述第二检测器(42)之间，
-其中，所述成像装置(50)和所述另一成像装置(67)一起形成组合透镜系统，所述组合透镜系统具有像侧焦平面，并且
-其中，所述第二检测器(42)设置在所述组合透镜系统的所述像侧焦平面中。
23.根据权利要求22所述的光束分析装置(10)，其特征在于，
所述评估装置(45)被配置为处理由所述第二检测器(42)产生的电信号，并且其中
所述评估装置(45)被配置为根据所述第二检测器(42)上的强度分布来确定发散角。
24.一种系统，其特征在于，包括根据前述权利要求中任一项所述的光束分析装置(10)，以及用于引导和聚焦所述能量束(77)的加工光学器件(100)，其中
所述加工光学器件(100)包括分离装置(14)，用于将所述样本光束(70)与所述能量束(77)分离，并且其中
所述光束分析装置(10)可以连接到所述加工光学器件(100)，以便接收分离的所述样本光束(70)。
25.一种用于确定光束焦点(71)的轴向位置的方法，其特征在于，
所述光束焦点(71)是电磁辐射的能量束(77)的焦点(76)，或与所述能量束(77)分离的样本光束(70)的焦点，包括以下步骤：
-在具有二维透射函数的调制平面(19)中对所述能量束(77)或与所述能量束(77)分离的所述样本光束(70)的强度分布(81)进行调制，
从而形成具有调制强度分布(82)的调制样本光束(79)，其中，
所述透射函数具有包括基本上恒定的第一强度透射因子的至少一个通道区域(21)和包括基本上恒定的第二强度透射因子的至少一个阻挡区域(25)，其中，
所述第二强度透射因子最多为所述第一强度透射因子的50％，其中，沿着第一横向方向(31)的所述透射函数包括从所述至少一个阻挡区域(25)到所述至少一个通道区域(21)呈过渡形式的至少两个对比度阶梯(32、33)，其中，
所述对比度阶梯(32、33)沿着所述第一横向方向(31)彼此相距距离k，其中
术语“横向”是指与相应的局部光轴(11)垂直的平面中的方向，
-将所述调制样本光束(79)引导到所述检测器(40)上，所述检测器(40)沿着所述调制样本光束(79)的传播路径设置在所述调制平面(19)后面的距离s处，以便在具有沿着所述第一横向方向(31)的至少两个对比度特征(92、93)的所述检测器(40)上形成强度分布(83)，其中，
所述检测器(40)上的所述强度分布(83)中的所述对比度特征(92，
93)由至少两个对比度阶梯(32，33)在所述调制强度分布(82)中通过将所述调制样本光束(79)的传播到所述检测器(40)形成，
-通过所述检测器(40)的在空间上二维分辨的光辐射敏感传感器将照射到所述检测器(40)上的所述强度分布(83)转换成电信号，
-对所述检测器(40)所述的电信号进行处理，所述电信号表示所述检测器(40)上的所述强度分布(83)，
-确定所述对比度特征(92，93)之间沿着所述第一横向方向(31)的距离a，
-基于所述距离a确定所述光束焦点(71)的轴向位置，或基于所述距离a的变化确定所述光束焦点(71)的轴向位置的变化。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，包括将所述样本光束(70)从所述能量束(77)中分离。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，
通过反射和/或透射，所述能量束(77)从0.01％到5％的范围内的辐射分量被分离作为样本光束(70)。
28.根据权利要求25-27中任一项所述的方法，其特征在于，
通过具有至少一个光学透镜(51)的成像装置(50)将所述调制样本光束(79)引导到所述检测器(40)上。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，
所述强度分布(81)的调制发生在所述成像装置(50)的像侧焦点处。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，
通过线性计算规则，基于所述对比度特征(92、93)之间的所述距离a来确定所述光束焦点(71)的轴向位置，或者基于所述对比度特征(92、93)之间的所述距离a的变化来确定所述光束焦点(71)的轴向位置的变化。
31.根据权利要求25-30中任一项所述的方法，其特征在于，
通过至少在某些部分中是线性的计算规则，基于所述对比度特征(92、93)之间的所述距离a来确定所述光束焦点(71)的轴向位置，或者基于所述对比度特征(92、93)之间的所述距离a的变化来确定所述光束焦点(71)的轴向位置的变化。
32.根据权利要求25-31中任一项所述的方法，其特征在于，
借助于光束折叠装置(60)，所述光束折叠装置(60)包括分束器(61)和至少一个反射镜(64)，并且设置在所述检测器(40)前面的光路中，通过在所述至少一个反射镜(64)处将离开所述分束器(61)的辐射分量反射回所述分束器(61)中形成第一折叠光路，并且其中
光路中的所述强度分布(81)的调制发生在所述光束折叠装置(60)的前面，或者发生在所述第一折叠光路中。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，
通过附加地包含至少一个第二反射镜(64，65)的所述光束折叠装置(60)，通过在所述第二反射镜(64，65)处将离开所述分束器(61)的另一辐射分量反射回所述分束器(61)中来形成第二折叠光路。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，
所述强度分布(81)的调制发生在所述第一折叠光路中，其中，
在所述第二折叠光路中没有发生强度分布的调制，辐射部分作为未调制光束(78)被引导到所述检测器(40)上，并且其中，
光束直径和/或光束轮廓是根据所述检测器(40)上的所述未调制光束(78)的光斑(98)的强度分布来确定的。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，
通过定位装置(66)改变所述反射镜(64、65)在所述第二光路中的轴向位置，并且对于所述反射镜(64、65)的至少三个不同位置，在每种情况下，所述未调制光束(78)的所述光斑(98)的强度分布都记录在所述检测器(40)上，并且其中，
根据所记录的强度分布，确定所述样本光束(70)的至少一个光束参量。
36.根据权利要求25-35中任一项所述的方法，其特征在于，包括确定所述检测器(40)上的整个所述强度分布(83)的横向位置，根据所述整个强度分布(83)的横向位置计算所述样本光束(70)的所述光束焦点(71)的横向位置，或根据所述整个强度分布(83)的横向位置的变化来计算所述样本光束(70)的所述光束焦点(71)的横向位置的变化。
37.根据权利要求28-36中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
-通过所述分束器(62)分离所述样本光束(70)，所述分束器(62)
设置在所述成像装置(50)的所述光学透镜(51)后面和所述调制平面(19)前面的光路中，
-通过另一成像装置(63)将分离的样本光束成像到第二检测器(42)
上，所述另一成像装置(63)具有设置在分束器(62)和所述第二检测器
(42)之间的至少一个光学透镜，以便在所述第二检测器(42)上形成扩大的光斑(98)，或所述光束焦点(71)的放大图像，以及，
-根据所述第二检测器(42)上的强度分布确定光束直径或焦斑直径。
38.根据权利要求28-36中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
-通过分束器(62)分离所述样本光束(70)，所述分束器(62)设置在所述成像装置(50)的所述光学透镜(51)后面和所述调制平面(19)前面的光路中，
-通过另一成像装置(67)将分离的样本光束引导到第二检测器(42)
上，其中至少一个光学透镜设置在所述分束器(62)和所述第二检测器(42)
之间，以便在所述第二检测器(42)上形成远场光束分布(99)，其中所述成像装置(50)和所述另一成像装置(67)一起形成组合透镜系统，所述组合透镜系统具有像侧焦平面，并且其中，所述第二检测器(42)设置在所述组合透镜系统的所述像侧焦平面中，并且
-根据所述第二检测器(42)上的强度分布确定远场光束直径或发散角。
39.根据权利要求25-38中任一项所述的方法，其特征在于，
所述能量束(77)通过加工光学器件(100)聚焦。
40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，
所确定的所述光束焦点(71)的轴向位置，或所确定的所述光束焦点(71)的轴向位置的变化，用于控制激光处理操作。
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