JP2021515704A - レーザ加工システムの焦点位置を特定する装置、それを備えたレーザ加工システム、および、レーザ加工システムの焦点位置の特定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザ加工システム（１００）におけるレーザビーム（１０）の焦点位置（Ｆ）を特定する装置（２００）に関する。その装置（２００）は、レーザビーム（１０）の一部分を反射することでレーザビーム（１０）の第１のサブビーム（１２）を分離するように構成された第１の光学素子（２１０）と、レーザビーム（１０）の別の部分を反射することでレーザビーム（１０）の第２のサブビーム（１４）を第１のサブビーム（１２）と実質的に同軸に分離するように構成された第２の光学素子（２２０）と、第１のサブビーム（１２）および第２のサブビーム（１４）を向ける先とすることができる高空間分解能センサ（２３０）と、高空間分解能センサ（２３０）に当たる第１および第２のサブビーム（１２，１４）に基づいてレーザビーム（１０）の焦点位置（Ｆ）を特定するように構成された判定ユニット（２４０）とを備える。

Description

本開示は、レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する装置と、そのような装置を備えたレーザ加工システムと、レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置の特定方法とに関する。本開示は特に、加工レーザビームの焦点位置をリアルタイムで特定する装置および方法に関する。

たとえばレーザ溶接用またはレーザ切断用のレーザ加工ヘッドなどの、レーザを用いて材料を加工する装置において、レーザ光源またはレーザファイバの端部から出射されたレーザビームは、ビーム誘導および集束光学系によって、加工対象のワークピース上に集束またはコリメートされる。標準的には、コリメータ光学系および集束光学系を備えたレーザ加工ヘッドが使用され、レーザ光は光ファイバを通じて供給される。

レーザ材料加工における１つの問題は、いわゆる「熱レンズ」であり、これは、特に数キロワットレベルでのレーザ出力光によるレーザビーム誘導および集束用光学素子の加熱と、光学ガラスの屈折率の温度依存性とに起因する。レーザ材料加工において、熱レンズは、ビームの伝播方向に沿って焦点をシフトさせてしまい、そのことは、加工品質に悪影響を及ぼす可能性がある。

レーザ材料の加工プロセス中に、主に２つのメカニズムが、光学素子の加熱を引き起こす。その一方はレーザ出力の上昇であり、他方は光学素子の汚染である。さらに、光学素子が機械的変形を経る場合があり、それは屈折率の変化につながる。機械的変形は、たとえば、光学素子のソケットの熱膨張によって引き起こされ得る。

高品質のレーザ加工を確実に行うためには、それぞれの焦点位置を検出し、焦点位置のシフトを補償する必要がある。すなわち、高速かつ正確な焦点位置制御を実施する必要がある。

特許文献１には、レーザビームをワークピース上に集束する装置が記載されている。その装置は、レーザビームのビーム軸に直交する平面に対してチルト角を成すように配置された少なくとも一つの透過型光学素子と、透過型光学素子にて再帰反射されたレーザ放射を検知する高空間分解能検知器とを備える。当該検知器によって得られた画像から、画像判定装置が、当該検知器における反射レーザ放射のサイズまたは直径を検出し、それに基づき、焦点位置制御のために焦点位置を特定することができる。

ドイツ特許第１０ ２００７ ０５３ ６３２号

しかしながら、熱レンズ（すなわち、熱的に誘導された屈折力または屈折力の変化）は、焦点をシフトさせるだけでなく、ビーム品質の劣化にもつながり、たとえば収差を引き起こす可能性がある。それにより、焦点直径などの、ビームコースティクス全体に変化が生じる。したがって、参照値との単純な比較による焦点位置の特定は、不正確である。特に、それでは、リアルタイムでの焦点位置の測定値が表されない。

本開示は、レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する装置と、そのような装置を備えたレーザ加工システムと、レーザビームの現在の焦点位置を確実に特定できるレーザ加工システムにおいてレーザビームの焦点位置を特定する方法とを提供することを目的とする。本開示は特に、レーザ加工プロセス中にリアルタイムでレーザビームの焦点位置を特定することを目的とする。

上記目的は、独立請求項の記載内容によって達成される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に明記されている。

本開示の実施形態によれば、レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する装置が提供され、その装置は、レーザビームの一部分を反射することでレーザビームの第１のサブビームを分離するように構成された第１の光学素子と、レーザビームの別の部分を反射することで、レーザビームの第２のサブビームを第１のサブビームと実質的に同軸に分離するように構成された第２の光学素子と、第１のサブビームおよび第２のサブビームを向ける先とすることができる高空間分解能センサと、高空間分解能センサに当たる第１のサブビームおよび第２のサブビームに基づいてレーザビームの焦点位置を特定するように構成された判定ユニットとを備える。

さらなる実施形態によれば、レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する装置が提供され、その装置は、レーザビームの一部分を反射することでレーザビームの第１のサブビームを分離するように構成された第１の光学素子の第１の表面と、レーザビームの別の部分を反射することで、第１のサブビームと実質的に同軸に重ね合わされたレーザビームの第２のサブビームを分離するように構成された、第１の光学素子の第２の表面または第２の光学素子の第１の表面と、重ね合わされた第１および第２のサブビームの強度分布を検知する高空間分解能センサと、高空間分解能センサによって検知された第１および第２のサブビームの強度分布に基づいてレーザビームの焦点位置を特定するように構成された判定ユニットとを備える。

さらなる実施形態によれば、レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する装置が提供され、その装置は、少なくとも１つの光学素子の２つの表面を備え、一方の表面が、レーザビームの一部分を反射することで第１のサブビームを分離するように構成され、他方の表面が、レーザビームの別の部分を反射することで、第１のサブビームと実質的に同軸に重ね合わされた第２のサブビームを分離するように構成される。当該装置はさらに、重ね合わされた第１および第２のサブビームの強度分布を検知するように構成された高空間分解能センサと、高空間分解能センサによって検知された第１および第２のサブビームの強度分布に基づいてレーザビームの焦点位置を特定するように構成された判定ユニットとを備える。上記２つの表面は、単一の光学素子の互いに反対側に位置する表面であること、または、２つの別個の光学素子の表面であることが可能である。さらに、光学素子のさらなる表面が、さらなるサブビームを再帰反射によって分離するように構成されている場合がある。焦点位置の特定のために、２つより多い再帰反射光またはサブビームを用いると、精度を向上させることができる。

さらなる実施形態によれば、レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する装置が提供され、その装置は、少なくとも１つの光学素子の少なくとも２つの表面を備え、それらの各表面は、レーザビームの一部分を反射することでサブビームを分離するように構成され、それらの少なくとも２つのサブビームは、実質的に同軸に重ね合わされた第１のサブビームと第２のサブビームとを含む。当該装置はさらに、重ね合わされたサブビームの強度分布を検知する高空間分解能センサと、高空間分解能センサによって検知されたサブビームの強度分布に基づいてレーザビームの焦点位置を特定するように構成された判定ユニットとを備える。

少なくとも２つの重ね合わされた再帰反射光または少なくとも２つのサブビームの強度分布を検知および分析することにより、ビーム軸に沿った２つの異なる位置に対応する２つの測定が同時に実施される。たとえば強度分布内におけるサブビームの数が、既知である場合がある。サブビームの光路長および／または複数サブビームの光路長間の差異も、既知であり得る。サブビームのビーム径は、強度分布から検出できる。ビーム径間の距離は、サブビームの光路長の差異に対応する場合がある。これらのことに基づき、モデルまたは関数を用いてレーザビームのビームコースティクスを特定することができる。強度分布の代わりに、高空間分解能センサによるサブビームの他のパラメータの測定値を使用することも考えられる。

上記センサは、焦点位置に対応する位置に配置される必要はなく、焦点位置に関係なく配置されることができる。

本開示の好適なオプションの実施形態および特別な態様は、従属請求項、図面、および本明細書から明らかである。

本発明によれば、少なくとも１つの光学素子または少なくとも２つの光学素子を使用して、レーザビームのビーム経路から少なくとも２つの実質的に同軸の再帰反射光を分離する。それらの同軸の再帰反射光を高空間分解能センサに向けることで、レーザビームの焦点位置を、高空間分解能センサによって測定されたデータからリアルタイム（オンライン）で特定できる。具体的には、モデルまたはモデル関数を使用して、ビームのコースティクスを判定し焦点位置を推定することが可能である。

第１の光学素子および／または第２の光学素子は、好ましくは透過型光学素子である。透過型光学素子は、レーザビームの第１の部分を透過させるとともにレーザビームの少なくとも第２の部分を反射するように構成される場合がある。たとえば素子の表面から反射されたレーザビームの第２の部分は、第１のサブビームまたは第２のサブビームを形成することができる。それにより、加工レーザビームであり得るレーザビームの一部分が、ビーム経路から分離され、レーザビームの焦点位置を特定するために使用される。

第１の光学素子および第２の光学素子は、好ましくはレーザビームのビーム経路内に直列に配置され、特に、直に連続して配置されることが好ましい。第１の光学素子および第２の光学素子は、互いに平行に、且つ、光軸に直交するように配置されることができる。第１の光学素子および第２の光学素子は、ビーム経路に沿って互いに距離を隔てて配置された別個の光学素子であり得る。これらの２つの別個の光学素子により、第１のサブビームおよび第２のサブビームは、互いに実質的に同軸に方向づけられることができる。

実施形態によれば、第１の光学素子および第２の光学素子は、レーザビームの焦点領域に配置される場合がある。具体的には、第１の光学素子および第２の光学素子は、集束光学系と焦点位置（またはワークピースなどのレーザビームの加工領域）との間に配置することができる。

第１の光学素子および／または第２の光学素子は、好ましくは保護ガラスである。保護ガラスは、レーザ加工ヘッドなどのレーザ加工システムのビーム出力側に配置することができる。保護ガラスは、レーザ加工システム内の（光学）素子（特に集束光学系）を、たとえば飛沫または煙によって引き起こされる可能性のある汚染から保護するために設けることが可能である。

通常、第１の光学素子は、第１の表面と、第１の表面の反対側に位置する第２の表面とを有し、第１のサブビームが第１の表面から反射される。第１の光学素子は、第１の光学素子の第２の表面が第３のサブビームを反射するように構成されることがある。それにより、第１の光学素子の２つの反対側に位置する表面において、それぞれ１つの再帰反射光が生じ、その各再帰反射光は、高空間分解能センサに向けることができる。

通常、第２の光学素子は、第１の表面と、第１の表面の反対側に位置する第２の表面とを有し、第２のサブビームが第１の表面から反射される。第２の光学素子は、第２の光学素子の第２の表面が第４のサブビームを反射するように構成されることがある。それにより、第２の光学素子の互いに反対側に位置する表面において、それぞれ１つの再帰反射光が生じ、その各再帰反射光は、高空間分解能センサに向けることができる。

反射を増大または減少させるために、少なくとも１つの光学素子の１つまたは複数の表面がコーティングされている場合がある。たとえば、光学素子が第１の表面および第２の表面を有するとともに、その２つの表面のうちの少なくとも一方に、反射を増大または減少させるコーティングが施されていることが可能である。その結果、それらの表面のうちの一方からの（減少した）再帰反射が、他方の表面からの（増大した）再帰反射と比較して無視できるレベルである場合がある。焦点位置の特定において考慮または使用するサブビームの数を、そのようなコーティングによって調節することができる。

実施形態によれば、判定ユニットは、高空間分解能センサ上の、少なくとも第１のサブビームおよび第２のサブビームの位置および／または範囲に基づいて、レーザビームの焦点位置を特定するように構成される。たとえば、判定ユニットは、ビーム特性からレーザビームの焦点位置を導出するために、高空間分解能センサによって測定されたビーム特性を、モデルまたはモデル関数を用いて明らかにするように構成され得る。具体的には、焦点位置は、モデル関数によって（たとえば、フィッティングによって）、第１のサブビームおよび第２のサブビームの直径から特定することができる。モデル関数は、レーザビームのビームコースティクスを特定するためのフィット関数を含むことがある。

２つの光学素子からの少なくとも４つの再帰反射光を用いて焦点位置を特定することが好ましく、その４つの再帰反射光とは、第１の光学素子からの第１のサブビームおよび第３のサブビーム、ならびに、第２の光学素子からの第２のサブビームおよび第４のサブビームである。具体的には、ビームコースティクスを判定するために、たとえばモデルに基づくターゲット位置および測定された直径をフィッティングすることを通じて、モデル関数を用いて４つの再帰反射光の直径を判定することができる。

いくつかの実施形態において、装置は、レーザビームのビーム経路内にビームスプリッタを備え、そのビームスプリッタは、レーザビームを透過するとともに、少なくとも第１のサブビームおよび第２のサブビーム（ならびに、オプションで第３のサブビームおよび第４のサブビーム）を高空間分解能センサに向けて反射するように構成される。ビームスプリッタは、部分透過ミラーであることが可能である。ビームスプリッタは、レーザビームのビーム経路から再帰反射光を偏向させるために、レーザ加工システムの光軸に対して斜めに配置され得る。たとえば、ビームスプリッタは、レーザビームのビーム経路またはレーザ加工システムの光軸に対して実質的に直角に再帰反射光を分離するために、光軸に対して約４５°傾けられることができる。

実施形態によれば、装置は、第１のサブビームおよび第２のサブビーム（ならびに、オプションで第３のサブビームおよび第４のサブビーム）を高空間分解能センサ上に結像させる光学系を備える。

装置は好ましくは、第１のサブビームおよび第２のサブビーム（ならびに、オプションで第３のサブビームおよび第４のサブビーム）のための少なくとも１つの光学フィルタを備える。光学フィルタは、検知のために適切または最適な波長または波長範囲が高空間分解能センサに到達するように、再帰反射光を光学的にフィルタリングすることがある。それにより、たとえば、センサ信号中のバックグラウンドまたはノイズを低減することができる。代替的または追加的に、減衰フィルタなどのフィルタを使用して、センサにおける信号強度を調節することもできる。

本開示のさらなる態様によれば、レーザ加工システムが提供される。そのレーザ加工システムは、レーザビームを供給するレーザ装置と、レーザビームをワークピース上に集束させる集束光学系と、レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する上記装置とを備える。レーザ加工システムは、レーザ切断ヘッドまたはレーザ溶接ヘッドであり得る。

レーザ加工システムは、好ましくは、レーザ装置によって供給されるレーザビームをコリメートするコリメータ光学系を備える。具体的には、焦点位置を特定する装置の第１の光学素子および第２の光学素子は、集束光学系の集束領域内、すなわち集束光学系の下流側のビーム経路内に配置されることができる。ビームスプリッタは、集束光学系とコリメータ光学系との間のレーザビームのビーム経路に配置されることが可能である。

本開示のさらなる実施形態によれば、レーザ加工システムにおけるレーザビームの集束位置を特定する方法が提供され、その方法は、レーザビームのビーム経路内に配置された第１の光学素子で第１の再帰反射光を分離することと、レーザビームのビーム経路内に配置された第２の光学素子で第２の再帰反射光を分離することとを含み、第１の再帰反射光と第２の再帰反射光とは実質的に同軸である。当該方法はさらに、第１の再帰反射光および第２の再帰反射光の直径に基づいて、レーザビームの焦点位置を特定することを含む。

本開示のさらなる実施形態によれば、レーザ加工システムにおけるレーザビームの集束位置を特定する方法が提供され、その方法は、レーザビームのビーム経路内に配置された少なくとも第１の光学素子において第１および第２の再帰反射光のうちの少なくとも一方を分離することと、第１のサブビームおよび第２のサブビームの高空間分解度の強度分布を検知することと、検知された高空間分解度の強度分布に基づいてレーザビームの焦点位置を特定することとを含む。第１および第２の再帰反射光または反射されたサブビームは、同一の光学素子の別個の面（すなわち表面）において、あるいは、２つの異なる光学素子の表面において、生じ得る。また、複数の光学素子における別個の表面からの３つ以上の再帰反射光を使用することも可能である。それにより、焦点位置の特定精度を高められる場合がある。

好ましくは、上記方法はさらに、特定された焦点位置に基づき、且つ、オプションでターゲット焦点位置を用いて、焦点位置を調整または制御することを含む。

上記方法は、本明細書に記載された実施形態に係る、レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する装置と、レーザ加工システムとの、特徴および特性を有し且つ実現することができる。

強度分布から第１および第２のサブビームのビーム径を検出でき、それらのビーム径を用いて焦点位置を特定できる。焦点位置を特定するために、ビームコースティクスのための関数またはモデルを使用して、ビーム伝播方向に沿った位置の関数としてのビーム径の変化を記述することが可能である。焦点位置の特定のために使用される再帰反射光またはサブビームの数は、既知であるか事前に指定される場合がある。また、サブビーム（すなわち再帰反射光）が生じる表面間の距離は、既知であるか指定されることがある。当該距離は、たとえば、少なくとも１つの光学素子の厚さ、または複数の光学素子間の距離、またはそれらの組み合わせに対応することがある。当該距離から、第１および第２のサブビームの検出されたビーム径間の距離を特定することができる。

本開示の実施形態を図に示し、以下でさらに詳しく説明する。
本開示の実施形態に係る、レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する装置を備えた、レーザ加工システムを示す図である。 本開示の実施形態に係る、レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する装置と、レーザ加工システムの集束光学系とを示す図である。 本開示の実施形態に係るレーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する装置の高空間分解能検知器で記録されたレーザビームの分離再帰反射光の、シミュレーション結果を示す図である。 図３のシミュレーション結果の分析を示す図である。 図３のシミュレーション結果の分析を示す図である。 レーザ加工システムにおけるレーザビームの焦点位置を特定する装置の高空間分解能検知器で記録されたレーザビームの分離再帰反射光の、別の焦点位置またはコリメーション位置についてのシミュレーション結果を示す図である。 図５のシミュレーション結果の分析を示す図である。 図５のシミュレーション結果の分析を示す図である。 レーザビームの概略的なビームコースティクスを示す図である。

以下において、特記しない限り、同一および同等の要素には同じ参照符号を使用する。

図１は、本開示の実施形態に係るレーザ加工システム１００を示す。レーザ加工システム１００は、切削ヘッドまたは溶接ヘッドなどの加工ヘッド１０１を備えることがある。図１には、例として、レーザ加工システム１００またはレーザビーム１０のビーム経路が直線構造である場合を示しているが、たとえば９０°の角度を成す角度付き構造であることも可能であると理解される。レーザビーム１０は、明確化のために示しているだけであり、そのビーム経路は完全には図示されていない。

レーザ加工システム１００は、レーザビーム１０（「加工ビーム」または「加工レーザビーム」とも呼ばれる）を供給するレーザ装置１１０を備える。レーザ装置１１０は、光ファイバを含むこと、あるいは、光ファイバであることが可能であり、それを通じてレーザビーム１０が加工ヘッド１０１に送られる。レーザ加工システム１００は、コリメータレンズ、または複数のレンズから成るズームシステムなどの、レーザビーム１０をコリメートするコリメータ光学系１１５を備えることがある。レーザビーム１０は、コリメータ光学系の前段に位置する保護ガラス、レンズまたは絞り、あるいはそれらの組み合わせであり得るオプションの光学装置１４０を介して、レーザ装置１１０からコリメータ光学系１１５に伝搬することができる。

レーザ加工システム１００は通常、集束レンズなどの、ワークピース１上にレーザビーム１０を集束させる集束光学系１２０を備える。コリメータ光学系１１５および集束光学系１２０は、加工ヘッド１０１に一体化されることが可能である。たとえば、加工ヘッド１０１は、加工ヘッド１０１に組み込みまたは取り付けされたコリメータモジュールを含むことができる。

実施形態によれば、レーザ加工システム１００またはその一部分（加工ヘッド１０１など）は、加工方向２０に沿って移動可能である。加工方向２０とは、ワークピース１に対する、レーザ加工システム１００（加工ヘッド１０１など）の溶接方向および／または移動方向であり得る。具体的には、加工方向２０は、水平方向である場合がある。加工方向２０は、「送り方向」と呼ばれることもある。

レーザ加工システム１００またはレーザ加工ヘッド１０１は、本開示の実施形態に係る、レーザビーム１０の焦点位置を特定する装置２００を備える。図１および図２に示す装置２００は、レーザビーム１０の第１のサブビーム１２を反射するように構成された第１の光学素子２１０と、レーザビーム１０の第２のサブビーム１４を（好ましくは第１のサブビーム１２と実質的に同軸に）反射するように構成された第２の光学素子２２０と、第１のサブビーム１２および第２のサブビーム１４を向ける先とすることができる高空間分解能センサ２３０と、高空間分解能センサ２３０に当たる第１および第２のサブビーム１２および１４に基づいてレーザビーム１０の焦点位置Ｆを特定するように構成された判定ユニット２４０とを含む。第１の光学素子２１０および第２の光学素子２２０は、好ましくは、加工ヘッド１０１のビーム経路内に互いに平行に配置される。光学素子２１０および２２０は、ビーム経路内において集束光学系１２０の下流に配置されることができる。あるいは、当該光学装置が、２つの表面を有する１つの光学素子２１０のみを備える場合もあり、その第１の表面２１２は、レーザビーム１０の第１のサブビーム１２を反射するように構成され、第１の表面２１２の反対側に位置する第２の表面２１４は、レーザビーム１０の第２のサブビーム１４を反射するように構成される。また、以下で説明するように、焦点位置の特定のために、３つ以上の再帰反射光を使用することが可能である。

詳細には、第１の光学素子２１０は、レーザビーム１０のビーム経路内に配置され、第１のサブビーム１２（および後述するオプションの第３のサブビーム）を形成するレーザビーム１０の一部分を、レーザビーム１０から分離する。第２の光学素子２２０も、レーザビーム１０のビーム経路内に配置され、第２のサブビーム１４（および後述するオプションの第４のサブビーム）を形成するレーザビーム１０の別の部分を、レーザビーム１０から分離する。詳細には、第２の光学素子２２０は、第２のサブビーム１４（および後述するオプションの第４のサブビーム）を形成する、第１の光学素子２１０によって透過されたレーザビームの一部分を分離する。

本発明によれば、少なくとも１つの光学素子を使用して、レーザビームのビーム経路からの少なくとも２つの実質的に同軸の再帰反射光を分離する。同軸の再帰反射光は高空間分解能センサに向けられ、高空間分解能センサによって測定されたデータから、レーザビームの焦点位置をリアルタイム（オンライン）で特定できる。光学素子は、たとえば、集束光学系の後段に配置された保護ガラスであり得る。このような構成により、リアルタイムでの焦点位置測定が可能であるとともに、それによりリアルタイムでの焦点位置制御も可能であるレーザ材料加工システムが、構造的にコンパクトでモジュール式の形態で提供される。

レーザビーム１０の焦点位置Ｆは、レーザ加工システム１００の光軸２に対して実質的に平行に規定または特定される場合がある。図１では、例として、焦点位置Ｆがワークピース１の表面の上方に示されている。実施形態によれば、レーザ加工システム１００は、焦点位置を調節する機構を備えることができる。装置２００によって特定された焦点位置Ｆに基づいて、当該機構は、焦点位置Ｆを変更すること、またはそれを目標値に合わせることが可能である。たとえば、焦点位置Ｆを調節して、ワークピース１の表面上またはその内部などのワークピース１の領域内に位置させることができる。焦点位置Ｆを調節する機構はたとえば、焦点位置制御のために、コリメータ光学系１１５および／または集束光学系１２０などのビーム誘導光学系の少なくとも１つの光学素子の位置を変更させるアクチュエータを含むことがある。

いくつかの実施形態では、装置２００は、レーザビーム１０のビーム経路内にビームスプリッタ２５０を備える。そのビームスプリッタ２５０は、レーザビーム１０を透過するとともに、再帰反射光（すなわち、少なくとも第１のサブビーム１２および第２のサブビーム１４）を高空間分解能センサ２３０に向けて反射するように構成される。言い換えれば、ビームスプリッタ２５０は、光学素子２１０および２２０からの同軸の再帰反射光を分離して、それらを高空間分解能センサ２３０に向けるように構成されることができる。ビームスプリッタ２５０は通常は、部分透過ミラーである。ビームスプリッタ２５０は、レーザビーム１０のビーム経路から再帰反射光を偏向させるために、レーザ加工システム１００の光軸２に対して斜めに配置され得る。たとえば、ビームスプリッタ２５０は、レーザビーム１０のビーム経路またはレーザ加工システム１００の光軸２に対して実質的に直角に再帰反射光を偏向させるとともに、それらを高空間分解能センサ２３０に向けるために、光軸２に対して約４５°傾けられることができる。ビームスプリッタ２５０は通常、レーザビーム１０のビーム経路内において、集束光学系１２０とコリメータ光学系１１５との間に配置される。

装置２００の第１の光学素子２１０および第２の光学素子２２０は、集束光学系１２０の焦点領域内、すなわち、レーザビーム１０のビーム経路内であって集束光学系１２０の後段に配置されることがある。詳細には、第１の光学素子２１０および第２の光学素子２２０は、集束光学系１２０と焦点位置Ｆとの間に配置されることができる。第１の光学素子２１０および第２の光学素子２２０は通常、加工ヘッド１０１の内部（特に集束光学系１２０）を汚染から保護するために、集束光学系１２０とビームノズル１３０との間に配置される。

いくつかの実施形態では、第１の光学素子２１０および／または第２の光学素子２２０は、透過型光学素子である。透過型光学素子は、レーザビーム１０の第１の部分を透過するとともにレーザビーム１０の少なくとも第２の部分を反射するように構成され得る。レーザビーム１０の第１の部分は、材料加工のためにワークピース１上に向けられることができる。レーザビームの第２の部分は、ビーム経路から分離されるとともに、レーザビーム１０の焦点位置Ｆの特定のために使用されることができる。言い換えれば、レーザビームのサブビームは、「メインビーム」とも呼ばれるレーザビーム１０の、分離部分またはビーム部分である。

第１の光学素子２１０および第２の光学素子２２０は、レーザビーム１０のビーム経路内に直列に配置されることがあり、特に、直に連続して配置されることができる。直に連続するとは、第１の光学素子２１０と第２の光学素子２２０との間に、他の光学素子が存在せず且つ配置されていないことを意味する。第１の光学素子２１０および第２の光学素子２２０は、特に、ビーム経路に沿って互いに距離を隔てて配置された別個の光学素子であり得る。これらの２つの別個の光学素子により、第１のサブビーム１２および第２のサブビーム１４は、互いに実質的に同軸に方向づけられることができる。

第１の光学素子２１０および／または第２の光学素子２２０は、通常はガラスから成り、特に保護ガラスであることが可能である。保護ガラスは、ビーム出口側において、ビームノズル１３０に配置され得る。保護ガラスは、レーザ加工システム内の（光学）素子（特に集束光学系１２０）を、たとえば飛沫または煙によって引き起こされる可能性のある汚染から保護するために設けることができる。

第１の光学素子２１０は、第１の表面２１２と、第１の表面２１２の反対側の第２の表面２１４とを有する。それらの表面は、平面である場合がある。通常、第１の表面２１２および第２の表面２１４は、互いに実質的に平行である。第１のサブビーム１２は、第１の表面２１２または第２の表面２１４から反射されることができる。第２の光学素子２２０は、第１の表面２２２と、第１の表面２２２の反対側の第２の表面２２４とを有する。それらの表面は、平面である場合がある。通常、第１の表面２２２および第２の表面２２４は、互いに実質的に平行である。第２のサブビーム１４は、第１の表面２２２または第２の表面２２４から反射されることができる。

第１のサブビーム１２および第２サブビーム１４が反射される表面は、同じ方向に沿って配置されることが可能である。たとえば、それらの表面は、同一の光学素子の上面または第１の表面と、下面または第２の表面とである場合がある。２つの光学素子を用いる場合は、それらの表面は、レーザ装置１１０からワークピース１に至るレーザビーム１０の伝搬方向に対する、第１の光学素子２１０および第２の光学素子２２０のそれぞれの上面または第１の表面であり得る。別の例では、それらの表面は、第１の光学素子２１０および第２の光学素子２２０のそれぞれの下面または第２の表面である場合がある。

実施形態によれば、第１の光学素子２１０および／または第２の光学素子２２０は、レーザ加工システム１００の光軸２に実質的に直交する向きに配置される。言い換えれば、第１の光学素子２１０および第２の光学素子は、互いに実質的に平行に配置されることができる。詳細には、第１の光学素子２１０の第１の表面２１２および第２の表面２１４のうちの少なくとも一方、ならびに／あるいは、第２の光学素子２２０の第１の表面２２２および第２の表面２２４のうちの少なくとも一方が、光軸に対して実質的に直交する向きに配置されることができる。ただし、本開示は上記に限定されず、第１の光学素子２１０および／または第２の光学素子２２０は、光軸２に対して斜めに配置されることがあり、あるいは、光軸２に対して９０°以外の角度を成す向きに配置された表面を有することがある。

高空間分解能センサ２３０としては、たとえばその高空間分解能センサ２３０に入射するビーム（すなわち、サブビーム１２または１４）の直径を測定可能なものであれば、いずれのセンサを使用することもできる。たとえば、高空間分解能センサ２３０としてカメラが用いられ、そのセンサ面は、たとえばＣＣＤセンサで構成される。

実施形態によれば、判定ユニット２４０は、高空間分解能センサ２３０に当たるレーザビーム１０の焦点位置Ｆを、少なくとも第１のサブビーム１２および第２のサブビーム１４の位置および／または範囲（特に直径）に基づいて特定するように構成される。たとえば、判定ユニット２４０は、ビーム特性からレーザビームの焦点位置Ｆを導出するために、高空間分解能センサ２３０によって測定されたビーム特性を、モデルまたはモデル関数を用いて明らかにするように構成され得る。特に、焦点位置Ｆは、モデル関数によって（たとえば、フィッティングによって）、第１のサブビーム１２および第２のサブビーム１４の直径から特定することができる。言い換えれば、焦点位置Ｆは、それらの直径から計算することが可能である。

モデルまたはモデル関数は、製造公差に対してロバストである場合がある。製造公差とは、すなわち、ビーム径同士の同心性が完全でない場合、コーティングの残留反射に変動がある場合、および、関連性のある厚さまたは距離に偏差が存在する場合などである。

いくつかの実施形態において、装置２００は、たとえば第１のサブビーム１２および第２のサブビーム１４などの再帰反射光を高空間分解能センサ２３０上に結像させるための光学系を備えることがある。

さらなる実施形態において、装置２００はオプションで、たとえば第１のサブビーム１２および第２のサブビーム１４などの再帰反射光のための少なくとも１つの光学フィルタを備える。光学フィルタは、オプションで、検知に適切または最適な波長が高空間分解能センサ２３０に到達するように再帰反射光を光学的にフィルタリングする場合がある。それにより、たとえば、センサ信号中のバックグラウンドまたはノイズを低減することができる。光学フィルタは、信号強度を高空間分解能センサ２３０に適合させるフィルタを含むこともある。

図２は、本開示の実施形態に係る、焦点位置を特定する装置２００と、集束光学系１２０とを示す図である。

第１の光学素子は、第１の表面２１２と、第１の表面２１２の反対側に位置する第２の表面２１４とを有する。第２の光学素子２２０は、第１の表面２２２と、第１の表面２２２の反対側に位置する第２の表面２２４とを有する。いくつかの実施形態では、第１または第２の光学素子の２つの反対側に位置する表面のそれぞれから、高空間分解能センサ２３０に向けられる再帰反射光（サブビーム）が生じる。それにより、保護ガラスの４つの全ての平面からの再帰反射光を、ビームスプリッタを用いてメインビームから分離し、（オプションで結像光学系を用いて）高空間分解能センサに向けることができる。高空間分解能センサからの画像は、レーザビームの焦点位置を特定するために、判定ユニットにおいて４つの同軸のビーム径に基づくモデル（関数）を使用して判定することができる。

第１の光学素子２１０は、第１のサブビーム１２および第３のサブビーム１６を反射するように構成されることがある。第１のサブビーム１２は、第１の光学素子２１０の第１の表面２１２から反射される場合があり、第３のサブビーム１６は、第１の光学素子２１０の第２の表面２１４から反射される場合がある。第２の光学素子２２０は、第２のサブビーム１４および第４のサブビーム１８を反射するように構成されることがある。第２のサブビーム１４は、第２の光学素子２２０の第１の表面２２２から反射される場合があり、第４のサブビーム１８は、第２の光学素子２２０の第２の表面２２４から反射される場合がある。

このようにして、焦点位置の特定のために、２つの光学素子の少なくとも４つの再帰反射光、すなわち、第１の光学素子２１０の第１のサブビーム１２および第３のサブビーム１６と、第２の光学素子２２０の第２のサブビーム１４および第４のサブビーム１８とを使用することができる。具体的には、焦点位置を特定するために、４つの再帰反射光の直径を、モデル関数を用いて、たとえばフィッティングによって判定することができる。第１のサブビーム１２、第２のサブビーム１４、第３のサブビーム１６、および第４のサブビーム１８は、実質的に同軸である場合があり、特に、実質的に同軸で高空間分解能センサに当たることがある。

図３は、高空間分解能センサまたは検知器で記録されたレーザビームの分離再帰反射光の、シミュレーション結果を示す。これらの図形は、重ね合わされた状態でセンサに到達する再帰反射光またはサブビームの強度分布を、ｍＷ／ｃｍ^２または任意の単位で表したものに相当する。図３（ａ）は、高空間分解能センサのシミュレーションされた信号の反転グレースケール画像を、線形スケールで示す。図３（ｂ）は、高空間分解能センサのシミュレーションされた信号の反転グレースケール画像を、対数スケールで示す。図３（ｃ）は、シミュレーションされた信号の着色画像を、線形スケールで示す。図３（ｄ）は、シミュレーションされた信号の着色画像を、対数スケールで示す。

図４は、図３のシミュレーション結果の分析を示す。特に、再帰反射光の直径がはっきりと見て取れる部分を示す。２つの光学素子の４つの平面において生じる４つの再帰反射光の、合計４つの直径（矢印部分）がある。図４Ａは、線形スケール、すなわち、図３（ａ）および（ｃ）に示されるシミュレーション結果の分析を示す。図４Ｂは、対数スケール、すなわち、図３（ｂ）および（ｄ）に示されるシミュレーション結果の分析を示す。

図５および図６は、図３および図４に示されたシミュレーション結果で使用されたものとは異なる焦点位置またはコリメーション位置についての、比較シミュレーション結果を示す。

図５は、高空間分解能検知器で記録されたレーザビームの分離再帰反射光の、シミュレーション結果を示す。これらの図形は、入射する再帰反射光または入射するサブビームの強度分布を、任意の単位で表したものに相当する。図５（ａ）は、シミュレーションされた信号の反転グレースケール画像を、線形スケールで示す（図３ａと同様）。図５（ｂ）は、シミュレーションされた信号の反転グレースケール画像を、対数スケールで示す（図３ｂと同様）。図５（ｃ）は、シミュレーションされた信号の着色画像を、線形スケールで示す（図３ｃと同様）。図５（ｄ）は、シミュレーションされた信号の着色画像を、対数スケールで示す（図３ｄと同様）。

図６は、図５のシミュレーション結果の分析を示す。特に、再帰反射光の直径がはっきりと見て取れるシミュレーション結果の部分を示す。２つの光学素子の４つの平面において生じる４つの再帰反射光の、合計４つの直径がある。図６Ａは、線形スケール、すなわち、図５（ａ）および（ｃ）に示されるシミュレーション結果の分析を示す。図６Ｂは、対数スケール、すなわち、図５（ｂ）および（ｄ）に示されるシミュレーション結果の分析を示す。

ビームの伝搬方向に応じたビーム径の変化は、いわゆるビームコースティクスによって数学的に記述される。図７は、レーザビームの概略的なビームコースティクスを示す。ビームの特徴を明らかにし、特に、焦点位置（すなわち、ビームの最小直径の位置）を特定するために、測定データを用いて判定されたビーム径（図７中の円に相当する）とモデルとを用いてフィッティングすることによりビームコースティクス（図４の包絡線）を形成する。モデルは、たとえば、少なくとも２つの再帰反射光の光路の差異を記述する。結像光学系がセンサ２３０の前に配置されている場合、これをモデルにおいて考慮に入れることが可能である。

本発明によれば、レーザビームから少なくとも２つの実質的に同軸の再帰反射光を分離するために、少なくとも１つの光学素子を使用する。あるいは、少なくとも２つの実質的に同軸の再帰反射光またはサブビームを生成するために、２つの光学素子を使用することもある。光学素子として、保護ガラスを用いることができる。それにより、レーザ加工ヘッドへの簡単なモジュール統合が可能になる。分離のためにビームスプリッタを使用することがある。同軸の再帰反射光が高空間分解能センサに向けられ、高空間分解能センサによって測定されたデータから、レーザビームの焦点位置をリアルタイム（オンライン）で特定できる。特に、ビームコースティクスを判定するとともに焦点位置を推定するために、モデルまたはモデル関数を使用することができる。

Claims (15)

1. レーザ加工システム（１００）におけるレーザビーム（１０）の焦点位置（Ｆ）を特定する装置（２００）であって、
   少なくとも１つの光学素子（２１０，２２０）の少なくとも２つの表面を備え、前記表面のそれぞれが、レーザビーム（１０）の一部分を反射することでサブビーム（１２，１４，１６，１８）を分離させるように構成され、その少なくとも２つサブビームが、実質的に同軸に重ね合わされた第１のサブビーム（１２）と第２のサブビーム（１４）とを含み、
   前記装置（２００）がさらに、
   前記重ね合わされたサブビーム（１２，１４）の強度分布を検知する高空間分解能センサ（２３０）と、
   前記高空間分解能センサ（２３０）によって検知された前記サブビーム（１２，１４）の前記強度分布に基づいて前記レーザビーム（１０）の焦点位置（Ｆ）を特定するように構成された判定ユニット（２４０）と、
   を備える、装置（２００）。
2. 請求項１に記載の装置（２００）であって、前記少なくとも１つの光学素子（２１０，２２０）が透過型光学素子および／または保護ガラスである、装置（２００）。
3. 請求項１または２に記載の装置（２００）であって、前記少なくとも１つの光学素子（２１０，２２０）が、前記レーザ加工システム（１００）の光軸（２）に直交するように配置される、装置（２００）。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（２００）であって、一方の前記表面（２１２）および他方の前記表面（２１４，２２２，２２４）が、前記レーザ加工システム（１００）の光軸（２）に直交するように配置されること、および／または、前記レーザビーム（１０）の焦点領域内に配置されることを特徴とする、装置（２００）。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置（２００）であって、前記サブビームの数および／または前記サブビームの光路長間の差異が既知である、装置（２００）。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置（２００）であって、
   前記少なくとも１つの光学素子（２１０，２２０）が、第１の表面（２１２）を有する第１の光学素子（２１０）を含むとともに、前記第１のサブビーム（１２）が、前記第１の光学素子（２１０）の前記第１の表面（２１２）から反射されること、
   および／または、
   前記少なくとも１つの光学素子（２１０，２２０）が、第１の表面（２２２）を有する第２の光学素子（２２０）を含むとともに、前記第２のサブビーム（１４）が、前記第２の光学素子（２２０）の前記第１の表面（２２２）から反射されること
   を特徴とする、装置（２００）。
7. 請求項６に記載の装置（２００）であって、
   前記第１の光学素子（２１０）がさらに、前記第１の表面（２１２）の反対側に位置して第３のサブビーム（１６）を反射するように構成される第２の表面（２１４）を有すること、
   および／または、
   前記第２の光学素子（２２０）がさらに、前記第１の表面（２２２）の反対側に位置して第４のサブビーム（１８）を反射するように構成される第２の表面（２２４）を有すること
   を特徴とする、装置（２００）。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置（２００）であって、前記判定ユニット（２４０）が、前記高空間分解能センサ（２３０）によって検知された前記重ね合わされたサブビーム（１２，１４）の前記強度分布に基づいて前記サブビーム（１２，１４）の直径を検出するとともに、それに基づいて、前記レーザビーム（１０）の前記焦点位置（Ｆ）を特定するように構成される、装置（２００）。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置（２００）であってさらに、前記レーザビーム（１０）をワークピースに向けて透過するとともに、前記サブビーム（１２，１４）を前記高空間分解能センサ（２３０）に向けて反射するように構成されたビームスプリッタ（２５０）を備える、装置（２００）。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置（２００）であってさらに、前記サブビーム（１２，１４）を前記高空間分解能センサ（２３０）上に結像させる光学系を備える、装置（２００）。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置（２００）であってさらに、前記少なくとも１つの光学素子（２１０，２２０）と前記高空間分解能センサ（２３０）との間に配置された、前記サブビーム（１２，１４）のための少なくとも１つの光学フィルタを備える、装置（２００）。
12. レーザ加工システム（１００）であって、
    レーザビーム（１０）を供給するレーザ装置（１１０）と、
    前記レーザビーム（１０）をワークピース（１）上に集束させる集束光学系（１２０）と、
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置（２００）と
    を備える、レーザ加工システム（１００）。
13. 請求項１２に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記少なくとも１つの光学素子（２１０，２２０）が、前記レーザ加工システム（１００）のビーム経路内において前記集束光学系（１２０）の下流に配置されている、レーザ加工システム（１００）。
14. 請求項１３に記載のレーザ加工システム（１００）であって、前記レーザ加工システム（１００）がレーザ切断ヘッドまたはレーザ溶接ヘッド（１０１）を備えること、および／または、前記レーザ加工システム（１００）がレーザ切断ヘッドまたはレーザ溶接ヘッド（１０１）であることを特徴とする、レーザ加工システム（１００）。
15. レーザ加工システム（１００）におけるレーザビーム（１０）の集束位置（Ｆ）を特定する方法であって、
    レーザビーム（１０）のビーム経路内に配置された少なくとも１つの光学素子（２１０，２２０）からの少なくとも第１および第２の再帰反射光（１２，１４）を分離させることと、
    前記第１のサブビーム（１２）および前記第２のサブビーム（１４）の高空間分解度の強度分布を検知することと、
    検知された前記高空間分解度の強度分布に基づいて前記レーザビーム（１０）の焦点位置（Ｆ）を特定することと
    を含む方法。
    

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