WO2020253898A1 - System und verfahren zur fokuslagen-kontrolle - Google Patents

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Otto MÄRTEN
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Definitions

  • the invention provides a system for controlling the focus position for a light beam, in particular a system for controlling the focus position for a laser beam in FIG
  • the invention relates to a focus position sensor.
  • the invention also relates to laser optics with a focus position sensor for monitoring the focus position of the laser optics in real time, i.e. during the application of the laser beam, as well as laser optics with a focus position sensor for controlling and / or regulating the focus position of the laser optics.
  • the invention further relates to a method for determining a focus position of a light beam, as well as a method for monitoring the focus position of laser optics in real time, and a method for controlling and / or regulating the focus position of laser optics.
  • a central task in laser material processing is the adjustment of the axial focus position of the laser beam relative to the material to be processed or
  • the focus of the laser beam is not necessarily directly on the surface of the workpiece. Rather, the optimal positioning of the laser beam focus to the workpiece depends on several factors.
  • the focus can, for example, especially when machining workpieces with a high material thickness, lie within the workpiece, that is to say below the workpiece surface.
  • the processing result is often sensitive to the exact focus position of the laser beam, which is why it is desirable or necessary
  • thermal focus shift Change in the refractive power of the optical elements results. This effect is called thermal focus shift.
  • This thermal focus shift can be minimized by selecting a suitable material for the optical elements, for example by using high-purity, low-absorption types of quartz glass, it is nevertheless practically always present.
  • the effect is reinforced by the gaseous reaction products that arise during laser material processing, which can be deposited on the laser optics or the protective glass of the laser optics and lead to increased absorption.
  • the protective glasses in particular often contribute to an undesired, temporal change in the focus position of the laser optics.
  • DE 10 2011 054 941 B3 shows a device for correcting the thermal displacement of the focus position of a laser beam guided via optical elements.
  • a back reflection of one of the surfaces of one of the last optical elements in front of the material to be processed is used, and a sensor is arranged at the location of the focus of the back reflection.
  • any focus sensor which determines the position of the focus with sufficient accuracy can be used as the sensor itself.
  • the publication refers to a focus sensor as disclosed in DE 198 23 951 A1.
  • the latter publication teaches a focus sensor in which an input beam enters a
  • a circuit generates a focus change correction signal from the signals from the detection device.
  • the cited focus sensor is thus a highly complex optical device with moving components and is dependent on the branched beams having sufficient coherence.
  • a Hartmann-Shack sensor known from the prior art also called a wavefront sensor, consists essentially of a lens array and a spatially resolving detector which is arranged at a distance from the focal length of the individual lenses of the lens array.
  • a Hartmann-Shack sensor known from the prior art also called a wavefront sensor, consists essentially of a lens array and a spatially resolving detector which is arranged at a distance from the focal length of the individual lenses of the lens array.
  • a large number of individual focal points in a regular arrangement which corresponds to the geometry of the Lens arrays corresponds.
  • the lateral position of the individual focal points depends on the local inclination of the wave front of the light beam at the respective associated sub-apertures, which are formed by the individual lenses of the lens array.
  • the geometry of the wavefront that the light beam has in front of the lens array can thus be reconstructed from the entirety of the position of the focal points.
  • the global curvature of the wavefront can also be determined in this way and the focus position of the light beam can thus be calculated back.
  • Wavefront sensor must therefore be required that the beam to be measured has only small deviations from a plane wavefront, and / or that the angle of the centroid axes of the partial beams to the optical axis are smaller than half the opening angle of the partial beams, which from the individual lenses of the lens array be focused.
  • the focal lengths of the individual lenses of the lens array are usually small, for example in comparison to the diameter of the light beam, and the distance between the lens array and the detector is correspondingly small.
  • the curvature of the partially reflective surface of the additional element being adapted to the mean curvature of the wavefront of the focused beam.
  • the beam is reflected back exactly in itself, so that the focus positions are axially far enough away from other, unwanted back reflections that they no longer interfere, and on the other hand, the partial reflection level of the additionally introduced element can be selected higher in order to reduce the interference distance decrease the remaining reflexes. Because an additional element is introduced into the beam path for this purpose, however, this method is not suitable for determining and correcting the focus position in real time during laser processing.
  • DE 10 2013 227 031 A1 shows a further device for correcting a shift in the focal length, in which a portion of the reflected from the protective glass
  • Light beam is deflected in a measuring beam path onto a sensor for beam analysis.
  • the portion reflected by the protective glass is guided through a diaphragm in the measuring beam path, whereby interference rays that are reflected by other parts of the device are blocked out.
  • an inclined position of the protective glass and / or the use of wedge plates to deflect the reflected beam is provided.
  • the publication teaches the use of a CCD camera or a CMOS camera. This is intended to achieve a measurement in accordance with DIN ISO 11146, and the actual focal length to be determined using an ABCD matrix calculation.
  • DE 10 201 1 007 176 A1 also teaches the use of a back reflection from the protective glass and the detection of the back-reflected radiation with a detector to determine the focus position.
  • the protective glass is arranged at such a large tilt angle that the back-reflected radiation is deflected directly to the side and no further beam splitting is required.
  • a screen is provided to mask out the radiation reflected back from one of the sides of the protective glass.
  • the focus position of the laser beam is determined by evaluating the size or diameter of the laser radiation on the detector.
  • the use of inclined protective glasses is generally disadvantageous, since this can produce an astigmatism in the focused laser beam. In addition, the working distance is reduced, and usually to replace the
  • Beam splitting or beam deflection also requires more complex designs.
  • the focus sensors used in the prior art are therefore very complex, for example in the case of devices working on an interferometric basis, or beam measurements are carried out based on DIN ISO 11146, which is very complex to determine a focus position if a high level of accuracy is achieved because the beam caustic has to be recorded in many planes, or wavefront sensors are used, which is only possible in a limited sensitivity range and leads to problems in the evaluation in the case of multiple back reflections. Multiple back reflexes obviously lead to all known ones
  • Beam diameter of the back reflex detected by the focus sensor occur, which can be incorrectly interpreted as a change in the focus position.
  • a beam analysis device for determining a state of a beam of light, which has a partial beam imaging device that is set up to receive a first measuring beam, and the at least one first selection device for forming a first partial beam from a first partial aperture area of the includes the first measuring beam, and which further includes an imaging device with at least one imaging optical element.
  • the beam analysis device also contains a detector unit with at least one at least one-dimensionally spatially resolving light-sensitive detector, which is arranged at a distance from the partial beam imaging device, and an evaluation unit for processing signals from the detector unit.
  • the first selection device is arranged eccentrically with respect to an optical axis provided for the irradiation of the first measuring beam.
  • the partial beam imaging device is set up to image the first partial beam onto the detector unit in order to generate a first beam spot.
  • the detector unit is set up to detect an intensity distribution of the first beam spot.
  • the evaluation unit is set up to determine a lateral position of the first beam spot.
  • the evaluation unit is also set up to determine changes over time in the lateral position of the first beam spot.
  • a device in which a change in an axial focus position or an intermediate focus position of the measuring beam is correlated with a change in the lateral position of the first beam spot on the detector unit.
  • a device is also provided in which a radial distance between the center point of the first partial aperture region defined by the first selection device and the optical axis is at least as great as a width of the first partial aperture region in the radial direction.
  • a device is also provided in which the evaluation unit is set up to determine the lateral position of the first beam spot by calculating the center of gravity of the intensity distribution of the beam spot, and / or by determining an edge or a peripheral contour of the beam spot, and / or by determining a geometric center of the beam spot, and / or by adapting a target intensity distribution to the detected intensity distribution of the beam spot.
  • the partial beam imaging device is for receiving the first measuring beam and at least one second measuring beam
  • a device in which the evaluation unit is set up to identify at least two beam spots in an intensity distribution detected by the detector unit, and to determine the lateral positions of the at least two identified beam spots.
  • a device is also provided in which the partial beam imaging device further includes at least one second selection device for forming a second partial beam from a second partial aperture region of the first measuring beam, and in which the partial beam imaging device is set up to generate the second partial beam image a second beam spot on the detector unit.
  • the center point of the second partial aperture area defined by the second selection device is at least as large to the optical axis as a width of the second partial aperture area in the radial direction.
  • first partial aperture region selected by the first selection device and the second partial aperture region selected by the second selection device do not adjoin one another, and that a distance from the center of the first partial aperture region to the center of the second partial aperture Apertur Scheme is at least as large as the sum of the widths of the first and the second part aperture area.
  • a device in which a partially reflecting beam splitter is arranged in front of the partial beam imaging device for generating the measuring beam by coupling out a defined beam portion from a light beam or laser beam directed onto the beam splitter.
  • An optical system is also provided which contains laser optics for a laser beam and a beam analysis device as described above. The laser optics contain a partially reflective beam splitter for coupling out the
  • the beam analysis device is designed to receive the measuring beam coupled out via the beam splitter.
  • an optical system which contains laser optics for a laser beam and a beam analysis device as described above, the laser optics including at least the following elements: an interface of an optical element of the laser optics for generating a partially reflected beam from the laser beam, and a partially reflective beam splitter for decoupling the
  • the beam analysis device is set up to receive the measuring beam coupled out via the beam splitter.
  • An optical system which includes laser optics for a laser beam and a beam analysis device as described above, the
  • Laser optics contain at least the following elements: an interface of an optical element of the laser optics for generating a partially reflected beam from the
  • Laser beam at least one further interface of an optical element of the laser optics for generating at least one further partially reflected beam from the laser beam, and a partially reflective beam splitter for coupling out the first measuring beam from the partially reflected beam and for coupling out at least one second measuring beam from the at least one further partially reflected beam to the beam analysis device.
  • the beam analysis device is set up to receive the measuring beam coupled out via the beam splitter.
  • An optical system is also provided in which the interface for generating the partially reflected beam is the interface last transmitted by the laser beam before the laser beam emerges from the laser optics.
  • An optical system in which the laser optics are set up to generate a laser beam focus, and in which a change in an axial position of the laser beam focus is correlated with a change in the lateral position of the first beam spot.
  • the laser optics are set up to generate a laser beam focus, and in which a change in an axial position of the laser beam focus is correlated with a change in the lateral position of the first beam spot.
  • Guide machine is connected, which is set up to set an axial position of a laser beam focus of the laser optics, and in which a control of the guide machine is coupled to the evaluation unit for receiving data that are determined from the position of the at least one beam spot on the detector unit.
  • the laser optics contain an axially movable lens or lens group, the position of which by means of a
  • Translation device is adjustable, and wherein the translation device
  • a beam analysis method is also used to solve the problem
  • a first partial beam is formed from a first measuring beam by selecting a first partial aperture area from the measuring beam, the first partial aperture area being arranged eccentrically with respect to an optical axis of the measuring beam is.
  • the first partial beam is imaged on a detector unit
  • the detector unit at least one light-sensitive at least one-dimensionally spatially resolving
  • Detector includes. An intensity distribution is registered by means of the detector unit, the intensity distribution containing beam intensity values of the first beam spot. A lateral position of the first beam spot is obtained from the registered
  • Intensity distribution determined. Changes over time in the lateral position of the first beam spot are determined. The lateral position of the first beam spot or a change value in the lateral position or a value which is determined from the lateral position or from the change in the lateral position is provided.
  • a method is provided in which a change in an axial focus position or an intermediate focus position of the first measuring beam is correlated with a change in the lateral position of the first beam spot on the detector unit.
  • a method is also provided in which a radial distance between the center point of the first partial aperture region and the optical axis is at least as great as a width of the first partial aperture region in the radial direction.
  • a method is also provided in which the determination of the lateral position of the first beam spot includes at least one of the following steps: Calculating the center of gravity of the intensity distribution of the
  • Beam spot determining an edge or a circumferential contour of the beam spot, determining a geometric center of the beam spot, adapting a target intensity distribution to the detected intensity distribution of the beam spot.
  • a method with the following further method steps is also provided: Forming a further first partial beam from a second measuring beam
  • a method is also provided with the following further method steps: Forming a second partial beam from the first measuring beam
  • a method is also provided in which a radial distance between the center point of the second partial aperture region and the optical axis is at least as great as a width of the second partial aperture region in the radial direction.
  • the first partial aperture area and the second partial aperture area do not adjoin one another. There is a distance from the center of the first partial aperture area to the center of the second partial aperture area at least as large as the sum of the widths of the first and second partial aperture areas.
  • a method is also provided in which the first measuring beam is by means of
  • Decoupling of a defined beam portion from a light beam or laser beam is generated.
  • a method is also provided in which the first measuring beam is formed by decoupling a defined beam portion from a laser beam guided in laser optics by means of a partially reflecting beam splitter which is arranged in the laser optics.
  • a method with the following additional method steps is provided: generation of a partially reflected beam from a laser beam guided in laser optics by partial reflection at an interface of an optical element of the laser optics, propagation of the partially reflected beam against the direction of the laser beam, and generation of the first measuring beam by coupling out a defined beam portion from the partially reflected beam by means of a partially reflective
  • Beam splitter which is arranged in the laser optics.
  • a method with the following additional method steps is also provided: generation of at least one further partially reflected beam from the laser beam guided in the laser optics by partial reflection at at least one further interface of an optical element of the laser optics, propagation of the further partially reflected beam against the direction of the laser beam, and Generating a second measuring beam by coupling out a defined beam portion from the further partially reflected beam by means of the partially reflective beam splitter.
  • a method is provided in which the interface for generating the partially reflected beam is the interface last transmitted by the laser beam before the laser beam emerges from the laser optics.
  • a method is also provided in which a laser beam focus is generated by means of the laser optics, and in which a change in an axial position of the laser beam focus is correlated with a change in the lateral position of the first beam spot.
  • a method is also provided in which an axial position of a laser beam focus is generated by means of the laser optics, and in which a change in an axial position of the laser beam focus is correlated with a change in the lateral position of the first beam spot.
  • the laser beam focus of the laser optics is set relative to a workpiece by means of a guide machine connected to the laser optics, and data which are determined from the position of the at least one beam spot on the detector unit are transmitted to a control of the guide machine.
  • a method is also provided in which an axial position of a laser beam focus is set by means of an axially movable lens or lens group arranged in the laser optics, the position of which is set by means of a translation device, and with data derived from the position of the at least one beam spot are determined on the detector unit, are transmitted to the translation device for controlling and / or regulating the position of the lens or the lens group.
  • Figure 1 A schematic representation of a first, basic
  • Embodiment of the focus position sensor Embodiment of the focus position sensor.
  • FIG. 2 A schematic illustration of the first, basic embodiment of the focus position sensor as in FIG. 1 with an additional illustration of a change in the measuring beam focus position.
  • Figure 3 A schematic representation of a second, basic one
  • Embodiment of the focus position sensor Embodiment of the focus position sensor.
  • Figure 4 A schematic representation of a third, basic one
  • FIG. 5 A schematic representation of the beam spot position and a change in the beam spot position on the detector unit for embodiments of the focus position sensor according to FIGS. 1 to 4.
  • Figure 6 A schematic representation of a detector unit with a
  • Figure 7 A schematic representation of a detector unit with a
  • Figure 8 A schematic representation of a fourth embodiment of the
  • Focus position sensor with two selection devices and with two
  • FIG. 9 A schematic representation of a fifth embodiment of the
  • Focus position sensor with two selection devices and with two
  • FIG. 10 A schematic representation of the beam spot position and a change in the beam spot position on a detector unit with two detectors, for embodiments of the focus position sensor as in FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 11 A schematic representation of the beam spot position and a change in the beam spot position for embodiments of the focus position sensor with two selection devices, on a detector unit with only one detector, according to embodiments of the focus position sensor shown in the following figures.
  • FIG. 12 A schematic representation of a sixth embodiment of the
  • FIG. 13 A schematic representation of a seventh embodiment of the
  • FIG. 14 A schematic representation of an eighth embodiment of the
  • FIG. 15 A schematic representation of a ninth embodiment of the focus position sensor.
  • FIG. 16 A schematic representation of a tenth embodiment of the
  • FIG. 17 A schematic representation of an eleventh embodiment of the
  • Focus position sensor with an optical shortening of the distance from the partial beam imaging device to the detector unit.
  • FIG. 18 A schematic representation of a twelfth embodiment of the
  • FIG. 19 A schematic representation of a thirteenth embodiment of the
  • FIG. 20 A schematic representation of an embodiment of the present invention
  • Focus position sensor two superimposed measuring beams with different intermediate focus positions.
  • FIG. 21 A schematic representation of the beam spot positions on the
  • Detector unit with a plurality of beam spots which are generated by two superimposed measuring beams, according to an embodiment as shown in FIG. 20.
  • FIG. 22 A schematic representation in two sections of an embodiment of a focus position sensor similar to that shown in FIG.
  • Embodiment in which the focus position sensor receives two superimposed measuring beams with different intermediate focus positions.
  • additional selection devices are arranged in an additional lateral direction in this example.
  • FIG. 23 A schematic representation of the beam spot positions on the
  • Detector unit with multiple beam spots superimposed by two Measuring beams are generated for a focus position sensor as shown in FIG. 22.
  • FIG. 24 A schematic representation of an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 25 A schematic representation in two sections of an embodiment of a focus position sensor similar to that shown in FIG.
  • Embodiment in which the focus position sensor receives two superimposed measuring beams with very different intermediate focus positions. There are additional
  • the beam separator device comprises partial aperture lenses in the two lateral coordinate directions with significantly different focal lengths.
  • FIG. 26 A schematic representation of an optical system with laser optics and a focus position sensor, in which the focus position sensor evaluates a partially reflected beam which is influenced in particular by the collimation part of the laser optics.
  • FIG. 27 A schematic representation of an optical system with laser optics and a focus position sensor, in which the focus position sensor evaluates a partially reflected beam which is influenced by the entire laser optics.
  • FIG. 28 A schematic representation of an optical system with laser optics and with a focus position sensor as in FIG. 1 or 2 with only one
  • FIG. 29 A schematic representation of an optical system with laser optics and a focus position sensor as in FIG. 15 with two
  • FIG. 30 A schematic representation of an optical system with laser optics and a focus position sensor as in FIG. 29.
  • the laser optics in this exemplary embodiment also have a movably mounted and controllable lens group, by means of which the focus position of the laser beam can be set and tracked.
  • FIG. 31 A schematic representation of an optical system with laser optics and with two focus position sensors.
  • One focus position sensor receives a measuring beam that is partially reflected by the outer boundary surface of the protective glass, another focus position sensor receives a measuring beam that is coupled out before the laser optics are focused.
  • FIG. 32 A schematic representation of an optical system with laser optics and a focus position sensor.
  • the focus position sensor receives two superimposed measuring beams, one measuring beam being partially reflected by the outer boundary surface of the protective glass and the other measuring beam being coupled out before the laser optics are focused.
  • FIG. 33 A schematic representation of an optical system with laser optics and a focus position sensor.
  • the focus position sensor receives two superimposed measuring beams, similar to the example in FIG. 32, with one measuring beam being partially reflected by the outer boundary surface of the protective glass and the other measuring beam in front of the
  • Focusing the laser optics is decoupled.
  • the superposition of the measuring beams is designed here so that the intermediate foci of the
  • FIG. 34 A schematic representation of an optical system with laser optics and a focus position sensor. The figure shows further partial reflections from interfaces of several elements of the laser optics, which are typically found in laser optics. The focus position sensor therefore receives a plurality of superimposed measuring beams which are partially reflected by the various interfaces of the optical elements of the laser optics.
  • FIG. 35 A schematic representation of an optical system with laser optics and a focus position sensor.
  • the focus position sensor receives two superimposed measuring beams, which are generated in particular by an interface of the protective glass and an interface of the focusing lens of the laser optics.
  • the influence of the protective glass on the change in focus position can be separated.
  • FIG. 36 A schematic representation of an optics system with laser optics and a focus position sensor similar to the example in FIG. 35.
  • the focus position sensor receives two superimposed measurement beams, which are generated in particular by the outer and inner interfaces of the protective glass .
  • the influence of the protective glass on the change in focus position can also be separated.
  • FIG. 37 A representation of a simulated with an optics computer program
  • FIG. 38 A representation of a section through the simulated intensity distribution from FIG. 37.
  • FIG. 39 A representation of two simulated intensity distributions for two
  • FIG. 40 A representation of two simulated intensity distributions for two
  • FIG. 41 A representation of a simulated with an optics computer program
  • FIG. 42 A representation of sections through the simulated intensity distribution from FIG. 41 for two states of the laser optics, a thermal focus shift being simulated in the protective glass in the second state.
  • the evaluation can be improved by determining the distances between pairs of beam spots that are each generated by the same measuring beam.
  • FIG. 43 an illustration to explain the determination of the lateral positions of the beam spots.
  • a target intensity distribution is adapted to the registered intensity distribution in order to determine the beam spot positions at each beam spot.
  • FIG. 1 a first, basic embodiment of the invention is shown schematically.
  • the figure shows a focus position sensor.
  • the focus position sensor contains a partial beam imaging device 10 with a first selection device 11 and with an imaging device 16, a detector unit 20 with an at least one-dimensionally spatially resolving light-sensitive first detector 21, such as
  • a line detector or a camera chip for example a line detector or a camera chip, and a
  • Evaluation unit 25 which is connected to the detector unit 20.
  • Evaluation unit 25 registers the signals from detector unit 20 and evaluates them.
  • the detector unit 20 is arranged behind the partial beam imaging device 10 at a distance z 0 s from the partial beam imaging device 10. Provision is made for a measuring beam 40 to be radiated along the optical axis 39 in the direction of the partial beam imaging device 10.
  • the measuring beam 40 can for example have an intermediate focus 80 on the optical axis 39; the measuring beam 40 can, however, also be collimated or divergent or convergent.
  • Selection device 11 of the partial beam imaging device 10 is from the
  • Measuring beam 40 a first partial beam 41 cut out.
  • an imaging optical element 17 which is part of the imaging device 16, for example an optical lens, the first partial beam 41 is imaged on the detector unit 20 and forms a first beam spot 45 there.
  • the first imaging optical element 17 which is part of the imaging device 16, for example an optical lens
  • the selection device 11 is arranged eccentrically to the optical axis 39.
  • the center point of the first selection device 11 has a lateral or radial distance from the optical axis 39.
  • the selection device 11 and thus the first partial aperture region has a width di in the radial direction.
  • the selection device 11 is designed as a border of the imaging optical element 17. Outside the first
  • the selection device 11 can transmit radiation from the
  • Measuring beam 40 pass the selection device 11 and reach the detector unit 20.
  • the resulting signal background is so small that it
  • Evaluation unit 25 is designed to use the detector 21 of the
  • Detector unit 20 registered intensity distribution to determine a lateral position ai of the first beam spot 45.
  • the lateral position ai of the first beam spot 45 depends, among other things, on the axial position of the intermediate focus 80 of the measuring beam 40.
  • the lateral position ai is thus a relative measure for the focus position of the
  • Focus position sensor as in FIG. 1.
  • modified beams are also shown, which have arisen, for example, as a result of an axial displacement of the focus or of the intermediate focus of the measuring beam 40.
  • the elements of the reference symbols provided with a prime relate to the changed rays and sizes. In this way, the relationship between the axial position of the intermediate focus 80 of the measuring beam 40 and the lateral position ai of the first
  • a displaced measuring beam 40 ′ is shown in FIG. 2a, the intermediate focus position 80 ′ of which lies a small amount further away from the partial beam imaging device 10.
  • the main beam of the shifted first partial beam 41 ' has a changed angle to the optical axis 39.
  • the lateral position a' of the first beam spot 45 'on the detector unit 20 also changes.
  • the farther intermediate focus 80' it is shifted the lateral position of the beam spot closer to the optical axis 39.
  • the device is thus able to precisely track changes, for example changes over time, in the focus position of the measuring beam 40.
  • FIGS. 1 and 2 a second, basic embodiment of the invention is shown schematically.
  • the focus position sensor differs from the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 in the partial beam imaging device 10, which here comprises an additional diaphragm device 15.
  • the diaphragm device 15 has a first opening.
  • the first selection device 11 is formed here by the first opening of the diaphragm device 15.
  • the other elements do not differ from the first embodiment, so that reference is made to the description of FIGS. 1 and 2.
  • the radiation of the measuring beam 40 outside the first selection device 11 is blocked by the diaphragm device 15 and thus does not reach the detector unit 20, which means that any interference radiation background can be reduced.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the focus position sensor which is largely identical to the second embodiment of FIG. 3.
  • the imaging optical element 17 of the imaging device 16 for example an optical lens, is made larger here and is arranged centered on the optical axis 39.
  • the beam spot 45 is also mapped onto the optical axis 39, so that the detector unit 20 or the first detector 21 can also be arranged centered on the optical axis 30.
  • Figure 5 shows a plan view of the detector unit 20 of the focus position sensor, for example according to Figures 1 to 4. The representation illustrates the
  • Beam spot 45 ' is a possible embodiment of the detector unit 20 with a
  • one-dimensional, spatially resolving line sensor shown as the first detector 21.
  • the orientation of the line sensor is aligned with the radial direction indicated by the radial distance of the center of the selection device 11 to the optical axis
  • FIG. 7 shows a further possible embodiment of the detector unit 20 with a two-dimensional, spatially resolving sensor as the first detector 21.
  • This can be, for example, a CCD camera or a CMOS camera or some other light-sensitive, pixel-based sensor.
  • Figure 8 shows a focus position sensor according to the invention in a fourth
  • the focus position sensor comprises a partial beam imaging device 10, a detector unit 20 and an evaluation unit 25.
  • the partial beam imaging device 10 here includes a first selection device 11, a second selection device 12, and an imaging device 16 with a
  • the detector unit 20 here includes a first detector 21 and a second detector 22.
  • the detectors 21, 22 are at least one-dimensional, spatially resolving light-sensitive detectors, such as line detectors or camera chips.
  • the evaluation unit 25 is connected to the detector unit 20.
  • Evaluation unit 25 registers the signals from the first detector 21 and from the second detector 22 and evaluates them.
  • the detector unit 20 is arranged behind the partial beam imaging device 10 at a distance z 0 s from the partial beam imaging device 10. Provision is made for a measuring beam 40 to be radiated along the optical axis 39 in the direction of the partial beam imaging device 10. The measuring beam
  • the 40 can for example have an intermediate focus 80 on the optical axis 39.
  • the first selection device 11 is formed here by the border of the imaging optical element 17, and the second selection device 12 is formed by the border of the imaging optical element 18.
  • a first partial aperture region is selected from the measuring beam 40
  • a second partial aperture region is selected from the measuring beam 40 with the second selection device 12.
  • the two partial aperture areas do not adjoin one another, but are spaced apart radially from one another.
  • Center points of the selection devices 11, 12 each have a lateral or radial distance ri, r 2 from the optical axis 39.
  • the selection devices 11, 12 and thus also the selected partial aperture areas each have a width di, d 2 in the radial direction. From the measuring beam 40, by selecting the first partial Aperture area by means of the first selection device 11 a first partial beam 41 and by selecting the second partial aperture area by means of the second
  • Selection device 12 generates a second partial beam 42.
  • the two partial beams 41, 42 are imaged onto the detector unit 20 by means of the imaging device 16.
  • the imaging device 16 comprises an imaging optical element 17 and a further imaging optical element 18, both of which are designed here as converging lenses and as partial aperture lenses
  • the first partial beam 41 is imaged on the first detector 21 and forms a first beam spot 45 there; analogously, by imaging using the lens 18, the second partial beam 42 is imaged on the second detector 22 and forms a second there Beam spot 46.
  • the use of two detectors 21, 22 is not necessary; only a first detector 21 can be used if the detector 21 is sufficiently large or if the beam spots 45, 46 on the
  • Detector have a sufficiently small distance a s from one another.
  • Evaluation unit 25 is set up to determine the lateral position ai of the first beam spot 45 and the lateral position a 2 of the second beam spot 46 from the intensity distributions registered by the detectors 21, 22 of the detector unit 20.
  • the evaluation unit can furthermore be set up to determine the distance a s between the lateral position ai of the first beam spot 45 and the lateral position a 2 of the second beam spot 46.
  • modified beams are also shown, which were created, for example, by an axial displacement of the measuring beam 40.
  • the elements of the dashed are also shown, which were created, for example, by an axial displacement of the measuring beam 40.
  • the displaced measuring beam 40 ′ has an intermediate focus 80 ′ that lies a small amount further away from the partial beam imaging device 10.
  • the partial beams 4T, 42 'generated by the selection devices 11, 12 from the shifted measuring beam 40' have a changed, smaller angle to the optical axis 39, so that the lateral positions a, a 2 'of the beam spots 45', 46 ' of the detector unit 20 are shifted closer to the optical axis 39 and thus the distance a s 'between the lateral position a of the shifted first beam spot 45' and the lateral position a 2 'of the shifted second beam spot 46' is reduced compared to the distance a s .
  • the sensitivity of the focus position sensor for determining changes in the focus position of the measuring beam 40 is increased, since the beam spot positions shift in opposite directions and the change in distance is therefore twice as large as the change in the individual positions.
  • a fifth embodiment of the invention is shown schematically in FIG.
  • the focus position sensor shown differs from the fourth embodiment shown in FIG. 8 in the partial beam imaging device 10, which here comprises an additional diaphragm device 15.
  • the diaphragm device 15 has a first opening and a second opening.
  • the first selection device 11 is formed through the first opening of the diaphragm device 15 and the second selection device 12 is formed through the second opening of the diaphragm device 15.
  • Imaging device 16 and the selection devices 11, 12 in separate
  • FIG. 10 shows a plan view of the detector unit 20 of the focus position sensor, for example according to FIGS. 8 and 9.
  • the representation illustrates the
  • FIG. 11 shows a plan view of a detector unit 20 of the focus position sensor, which can also be used in the embodiments of the focus position sensor with two selection devices 11, 12 according to FIGS. 8 and 9, if the detector is sufficiently large or if the beam spots 45, 46 on the detector have a sufficiently small distance a s from one another.
  • the detector unit 20 then only requires one detector 21, onto which all the beam spots 45, 46 are imaged. The position of the beam spots and the changed beam spots to one another otherwise corresponds to the illustration in FIG. 10.
  • Figures 12 to 19 show further variants and possible embodiments of a focus position sensor according to the invention and / or special aspects of embodiments, which can be advantageous and can also be combined with one another in further, not shown embodiments. Therefore, only the special features or changes of the respective embodiment are discussed and otherwise refer to the
  • FIG. 12 shows a focus position sensor, the partial beam imaging device 10 of which comprises two selection devices 11 and 12 which are formed by a diaphragm device 15.
  • the imaging device 16 here contains only a single imaging optical element 17, which is designed so large that it extends laterally or radially over both selected partial aperture areas and thus both partial beams 41 and 42 from the same imaging optical element 17 onto the
  • the partial beam imaging device 10 here additionally comprises a beam separator device 30, by means of which the partial beams 41 and 42 and thus also beam spots 45 and 46 are laterally displaced in order to spatially separate them from one another.
  • the beam separator device 30 comprises a plane plate arrangement with the plane plates 31 and 32, which are inclined by a defined or also adjustable angle and thus cause a lateral beam offset. That way everyone can
  • the focus position sensor shown in FIG. 13 corresponds almost exactly to the embodiment shown in FIG. 12, the beam separator device 30 here only comprising a plane plate 31 which only acts on a partial beam and displaces it laterally.
  • the focus position sensor shown in FIG. 14 also largely corresponds to the embodiment shown in FIG.
  • the beam separator device 30 here comprises a wedge plate arrangement 33, 34.
  • each partial beam 41 and 42 is deflected by a respective wedge plate 33, 34 by a defined angle so that the beam spots 45 and 46 are laterally offset on the detector unit.
  • the focus position sensor is shown in FIG. 15.
  • the imaging device 16 comprises here at least three imaging optical elements 17, 18, 19, all of which are designed as converging lenses.
  • the lens 17 extends laterally over both of these imaging optical elements 17, 18, 19, all of which are designed as converging lenses.
  • the refractive power of the lens 17 is selected to be lower, or the focal length of the Lens 17 is chosen to be larger. Therefore, the lens 17 alone would focus the partial beams 41 and 42 on a plane that is behind the
  • Detector unit lies.
  • a further lens 18, 19 is therefore located in each beam path of the partial beams 41 and 42, so that the partial beams 41, 42 are effectively imaged onto the detector unit 20. Since the convergence point or
  • the superposition point of the partial beams 41, 42 are only determined by the focal length of the lens 17 and therefore lies behind the detector unit 20, are those of the
  • Partial beams 41, 42 formed beam spots 45, 46 on the detector unit 20 spatially separated from one another.
  • the imaging device 16 and the beam separator device 30 thus form a functional unit here.
  • the focus position sensor shown in FIG. 16 is constructed similarly in principle to the focus position sensor from FIG. 15.
  • the imaging device 16 and the beam separator device 30 also form a functional unit.
  • the first partial beam 41 is imaged onto the detector unit 20 with an imaging optical element 17, the imaging optical element 17 being designed as a wedge lens. Due to the additional wedge effect, the partial beam 41 is focused on a point to the side of the optical axis 39.
  • the second partial beam 42 is imaged onto the detector unit 20 with a further imaging optical element 18 designed as a wedge lens, whereby the beam spots 45, 46 are spatially separated on the detector 21.
  • FIG. 17 shows one possibility of making the focus position sensor more compact.
  • the imaging device 16 is constructed with a two-part imaging, ie the imaging device 16 comprises at least two optical elements 17a and 17b arranged one behind the other.
  • the element 17a arranged first in the beam direction has a positive refractive power
  • the second element 17b has a negative refractive power.
  • the elements 17a and 17b show an image in telephoto design, ie the back focus is shorter than the effective total focal length. In this way, the distance z 0 s is shortened considerably without reducing the sensitivity of the focus position sensor.
  • FIG. 18 shows a focus position sensor similar to the embodiment of FIG. 14.
  • the beam separator device 30 here comprises a mirror arrangement 35, 36.
  • the individual partial beams 41 and 42 are each deflected by a mirror 35, 36 by approximately 90 °.
  • the exact angular position of the mirrors 35 and 36 deviates by a defined or adjustable small amount in different directions from the 45 ° position, so that the beam spots 45 and 46 are laterally offset on the detector unit 20.
  • the angle of incidence of the mirrors 35, 36 the basic value for the beam spot distance a s can be set in a simple manner. This allows the device to be easily adapted to different sizes of the
  • Detector 21 or to various camera modules that can be used in the detector unit.
  • FIG. 19 shows a focal position sensor with the same effect as shown in FIG.
  • the beam separator device 30 is also implemented in the form of a mirror arrangement 35, 36. Because the partial beams 41 and 42 are deflected out of the original propagation direction by means of the mirrors 35, 36, the beam separator device 30 with the mirror arrangement 35, 36 here simultaneously has the function of the selection devices 11 and 12.
  • the first selection device 11 is here by the Edges of the mirror 35 formed, and the second
  • the selection device 12 is formed by the edge of the mirror 36. A diaphragm device 15 as in FIG. 18 can therefore be used without functional
  • FIG. 20 shows the same embodiment of the focus position sensor as FIG. 15.
  • the focus position sensor is used here to monitor two different measuring beams simultaneously, i.e. the partial beam imaging device 10 is set up here to receive a first measuring beam 40 and a second measuring beam 50.
  • the measuring beams 40 and 50 are superimposed on the same optical axis.
  • the second measuring beam 50 has a different focus position or position of the intermediate focus 85 than the first measuring beam 40
  • partial beams 51, 52 Due to the different axial intermediate focus position 85 of the second measuring beam 50, partial beams 51, 52 have a different angle to the optical axis 39 than
  • Partial beams 41 and 42 from the first measuring beam 40. The from the
  • Partial beams 51 and 52 formed beam spots 55, 56 as shown by the
  • the beam spots 45, 46, 55, 56 are spatially separated on the sensor 20, all the beam spots 45, 46, 55, 56 can be identified by the evaluation unit 25 and the lateral positions ai, a 2 , bi, b 2 of the beam spots by the evaluation unit 25 can be determined.
  • the beam spots belonging to the same measuring beam are on the one hand the inner beam spots and on the other hand the outer ones
  • Evaluation unit 25 can be clearly determined.
  • the beam spot image belonging to the embodiment of FIG. 20 is shown schematically on the detector 21 in a plan view of the detector unit 20.
  • the intensity of the beam spots can also be very different. This can have an unfavorable effect on the accuracy in determining the lateral position of the beam spots.
  • Selection devices 11, 12 have further selection devices 13, 14 for generating additional partial beams 47, 48, 57, 58.
  • Figure 22 shows one
  • Embodiment, and in Figure 23 the associated beam spot image is shown on the detector.
  • the further selection devices 13, 14 are arranged along a different lateral direction.
  • Selection devices 11 and 12 are arranged along the y coordinate in the partial beam imaging device 10
  • the further selection devices 13 and 14 are arranged, for example, along the x coordinate in the partial beam imaging device 10.
  • the focus position sensor is shown in two corresponding sections. While the selection devices 11 and 12 and the partial aperture lenses 18y and 19y arranged behind them lie in the plane of the drawing in the upper illustration of the yz section, the others are
  • Selection devices 13 and 14 arranged outside the drawing plane.
  • the other selection devices 13 and 14 are correspondingly in the lower one
  • Selection devices 13, 14 each have a radial distance r 3 , r 4 to
  • corresponding selected partial aperture areas each have a width d 3 , d 4 in the radial direction.
  • Further partial aperture lenses 18x and 19x are arranged behind the further selection devices 13 and 14.
  • the further partial aperture lenses 18x and 19x have a different focal length than the partial aperture lenses 18y and 19y.
  • the refractive power of the partial aperture lenses 18x and 19x is greater than the refractive power of the partial aperture lenses 18y and 19y. This ensures that the partial beams 53 and 54, which are generated by the selection devices 13 and 14 from the second measuring beam 50, are focused more strongly, that is to say, shorter than the partial beams 51 and 52 from the same measuring beam 50.
  • the focal length of the partial aperture Lenses 18x and 19x are selected so that the foci of the partial beams 53 and 54 are generated approximately in the plane of the detector unit 20 and thus the beam spots 57 and 58 formed by the partial beams 53 and 54 have a minimal size.
  • the lateral positions b 1x and b 2x of the beam spots 57, 58 in the x coordinate can thus be determined with the same accuracy as the lateral positions a iy and a 2y of the beam spots 45, 46 in the y coordinate.
  • the distance b Sx of the beam spots from the second measuring beam 50 along the x coordinate can also be determined with the same accuracy as the distance a Sy of the beam spots from the first measuring beam 40 along the y coordinate.
  • the beam spot image belonging to the embodiment of FIG. 22 on the detector 21 is shown schematically in a plan view of the detector unit 20.
  • the focus position sensor can also be configured in such a way that it can evaluate two measuring beams 40 and 50 which are superimposed on one another and whose original focus positions or intermediate focus positions are axially very far apart. For example, one of the two measuring beams can also be collimated or approximately collimated.
  • a matching configuration of the focus position sensor is shown in FIG. 24. The
  • the focus position sensor is identical to the focus position sensor shown in FIG.
  • FIG. 25 shows a focus position sensor similar to the embodiment of FIG. 22.
  • the focus position sensor is adapted to the monitoring of two very different measuring beams 40 and 50.
  • the yz section is constructed the same here as the yz section of FIG To generate partial beams of both measuring beams in the respective coordinate directions here, too, optimal beam spot dimensions on the detector unit 20, the partial aperture lenses 18x and 19x, which are shown in the xz section, here have a negative refractive power or a negative focal length to shift the foci of the partial beams 53 and 54 backwards so far that the foci are approximately in the plane of the detector unit 20.
  • FIG. 26 shows an optical system according to the invention with laser optics 60 and with a focus position sensor for monitoring changes in focus position
  • Laser optics 60 The laser optics typically include collimator optics 62 and focusing optics 64.
  • the focusing optics are used to protect the focusing optics 64 from smoke and splashes that can arise during laser material processing
  • a laser beam 70 is emitted, for example, from an optical fiber end 61 and from the
  • Laser optics 60 imaged in a laser beam focus 79.
  • a partially reflecting beam splitter 63 is arranged between the collimator optics 62 and the focusing optics 64. This can be, for example, an anti-reflective coated, inclined plane plate.
  • the laterally decoupled beam forms the measuring beam 40 for the focus position sensor, which is arranged laterally on the beam splitter outlet of the laser optics 60.
  • the focus position sensor is implemented as an example in the optical system shown here as in the focus position sensor according to FIG. 15 or 20. However, any other embodiment of the focus position sensor can also be used.
  • the arrows drawn in bold dashed lines in the figure illustrate the course of the beam path from the laser beam source, here the optical fiber end 61, to the measuring beam 40
  • Measurement beam 40 is therefore only influenced by collimator optics 62 of laser optics 60 here.
  • the focus position sensor consequently monitors changes in focus position, which are caused in particular by the collimator optics 62, for example by the power-induced, thermal focus shift of the collimator optics 62.
  • FIG. 27 shows another optical system according to the invention with laser optics 60 and with a focus position sensor for monitoring changes in focus position of laser optics 60.
  • laser optics 60 typically include collimator optics 62, focusing optics 64 and a protective glass 66.
  • the laser beam 70 is emitted from the optical fiber end 61 and imaged by the laser optics 60 in a laser beam focus 79. From the outer interface 67 of the
  • Protective glass 66 of the laser optics 60 a fraction of the laser beam 70 is reflected, so that a partially reflected beam 71 is generated. It is sufficient if the residual reflection of a reflection-reducing coating is used for this purpose.
  • the partially reflected beam 71 propagates coaxially counter to the beam direction of the laser beam 70 back into the laser optics 60 and forms an intermediate focus 80.
  • a partially reflecting beam splitter 63 is arranged between the collimator optics 62 and the focusing optics 64. This can be an anti-reflective coated, inclined plane plate. Due to the residual reflection at the beam splitter 63, the partially reflected beam 71, or a fraction thereof, is coupled out laterally. The laterally decoupled beam forms the measuring beam 40 for the focus position sensor, which is arranged laterally on the beam splitter outlet of the laser optics 60.
  • the focus position sensor is implemented as an example in the optical system shown here as in the focus position sensor according to FIG. 15 or 20. However, any other embodiment of the focus position sensor can also be used. Because of the partial reflection at the last interface 67, the position of the intermediate focus 80 is optically coupled to the position of the laser beam focus 79, ie changes in the focus position of the laser beam focus 79 simultaneously cause a change in the focus position of the
  • the arrows drawn in bold dashed lines in the figure illustrate the course of the beam path from the laser beam source, here the optical fiber end 61, to the measuring beam 40.
  • the measuring beam 40 is thus influenced here by all elements of the laser optics 60, with part of the laser optics, namely the focusing optics 64 and the protective glass 66, there and back, that is, is passed through twice. In this
  • the focus position sensor consequently detects changes in focus position that are caused by all elements of the laser optics 60.
  • Focus position sensor registers all contributions to the thermal focus shift of the laser optics 60, that is, from the collimator optics 62, from the beam splitter 63, from the focusing optics 64 and from the protective glass 66.
  • FIG. 28 the detection of a change in the axial position of the laser beam focus 79 of the laser optics 60 by the focus position sensor is shown schematically.
  • Laser optics 60 and the generation of measuring beam 40 are identical to the optics system shown in FIG.
  • the focus position sensor is shown here by way of example as a focus position sensor with a simple partial beam imaging device 10 with only one selection device 11, corresponding to a focus position sensor according to FIG. 1 or 2.
  • any other embodiment of the focus position sensor is shown here by way of example as a focus position sensor with a simple partial beam imaging device 10 with only one selection device 11, corresponding to a focus position sensor according to FIG. 1 or 2.
  • any other embodiment of the focus position sensor is shown here by way of example as a focus position sensor with a simple partial beam imaging device 10 with only one selection device 11, corresponding to a focus position sensor according to FIG. 1 or 2.
  • any other embodiment of the focus position sensor is shown here by way of example as a focus position sensor with a simple partial beam imaging device 10 with only one selection device 11, corresponding to a focus position sensor according to FIG. 1 or 2.
  • any other embodiment of the focus position sensor is shown here by way of example as a focus position sensor with
  • Focus position sensor are used.
  • the rays changed, for example, by a thermal focus shift are marked with a line
  • a thermal focus shift typically increases the refractive power of the optical elements, so the focused laser beam 77 is more strongly focused and the position of the laser beam focus 79 is shifted closer to the laser optics 60 to the shifted laser beam focus 79 '.
  • the beam 71 partially reflected by the interface 67 of the protective glass 66 is consequently also more strongly focused, represented by the partially reflected beam 7T, so that the position of the
  • Intermediate focus 80 (shifted intermediate focus 80 ') also shifted axially. This changes the lateral position of the beam spot 45 in the focus position sensor.
  • the displaced beam spot 45 ′ is closer to the optical axis 39
  • the beam spot 45 ' is also enlarged since the axial focus position has also changed when the partial beam 4T is shifted.
  • FIG. 29 shows the same situation as FIG. 28, only that a focus position sensor with another partial beam imaging device 10 is used, which uses two selection devices 11, 12 here.
  • the focus position sensor can therefore detect changes in the laser beam focus 79, 79 'not only on the basis of the changes in the lateral positions of the beam spots 45, 45', 46, 46 ', but also by changing the distance a s , a s ' between the beam spots 45 and 46 or 45 'and 46'.
  • FIG. 1 The laser optics 60 have an axially movable lens or lens group. In the example shown, this is the collimator optics 62.
  • the movable lens is coupled to a drive unit, here with a translation device 27, by means of which the position of the movable lens is set.
  • the translation device 27 is controlled, for example, by the evaluation unit 25 as a function of the determined change in the lateral beam spot position or the beam spot distance a s .
  • a further control device can also be located between the evaluation unit 25 and the translation device 27
  • controller can interposed; this can be, for example, a controller or a higher-level programmable controller.
  • FIG. 31 shows an embodiment of the optical system in which a second focus position sensor is additionally located on the other side of the exit from the beam splitter 63 of the
  • Laser optics 60 is arranged. Otherwise the optics system corresponds to
  • the second focus position sensor comprises a further partial beam imaging device 210 and a further detector unit 220
  • Evaluation unit 25 of the first focus position sensor is also connected to the
  • Detector unit 220 of the second focus position sensor is connected and registers its signals.
  • the second focus position sensor can otherwise be any
  • Embodiment of the focus position sensor according to the invention correspond.
  • the second focus position sensor receives a second measuring beam 50, which is formed from a partial reflection of the laser beam 70 at the beam splitter 63.
  • This second measuring beam 50 is open its propagation path through the laser optics only pass through the collimator optics 62, so that the second measuring beam is only influenced by thermal changes and / or changes in the position of the collimator optics 62.
  • the measuring beam 40 which is received by the first focus position sensor, has the collimator optics 62, the beam splitter 63, the focusing optics 64, the protective glass 66 and, on the way back, the protective glass 66 and the focusing optics a second time 64 on his
  • Changes in the lateral beam spot positions or the beam spot distance a s from the detector unit 20 of the first focus position sensor with the changes in the lateral beam spot positions or the beam spot distance b s from the detector unit 220 of the second focus position sensor can thus be determined by the evaluation unit 25 whether a change in the position of the laser beam focus 79 is due to a thermal lens in the area of the collimator optics 62 or to thermal lenses in the area of the focusing optics 64 and protective glass 66. This information or this distinction can lead to more precise tracking of the Focus position of the laser beam focus 79 can be used.
  • FIG. 32 A corresponding embodiment of the optical system is shown in FIG. 32.
  • a beam 88 partially reflected from the laser beam 70 by the beam splitter 63, which is coupled out on the other side of the beam splitter 63, by means of a reflective or partially reflective element 87, which is located at the outlet opposite is arranged by the focus position sensor, reflected back,
  • Focus position sensor received.
  • the focus position sensor receives the measuring beams 40 and 50 superimposed on the same optical axis 39 here.
  • FIG. 33 Another embodiment of an optical system, in which the focus position sensor receives two measuring beams 40 and 50, which have each traversed different paths in the laser optics 60, is shown in FIG. 33. The difference to
  • the embodiment in FIG. 32 is that the reflection on the partially reflective element 87 does not take place here on a plane surface, but on a surface that is, for example, concavely curved.
  • an intermediate focus 85 is generated in the second measuring beam 50, the position of which is in the vicinity of the intermediate focus 80 from the first measuring beam 40 can be laid.
  • the positions and dimensions of the beam spots 45, 46, 55, 56, which are formed by the two measuring beams 40 and 50 do not differ so greatly from one another, which simplifies the configuration of the focus position sensor.
  • a focus position sensor can also be used, which is further improved for the evaluation of two superimposed measuring beams, as is shown and explained in FIGS. 22 and 25, for example.
  • FIG. 34 shows that other or several partially reflected beams can also be coupled out from laser optics 60 as measuring beams for the focus position sensor.
  • all interfaces of the optical elements in the focussing area of the laser optics 60 can be used to generate partially reflected beams.
  • a first partially reflected beam 71 is generated by the last interface 67 of the laser optics 60, that is the outer surface of the protective glass 66 here.
  • a second partially reflected beam 72 is generated on the inner surface of the protective glass 66.
  • a third, partially reflected beam 73 is generated from the outer boundary surface of the focusing optics 64, which is a plane surface here.
  • a fourth partially reflected beam 74 is generated by the inner, curved interface of the focusing optics 64.
  • the partially reflected beams 71, 72, 73, 74 generally have different axial (intermediate) focus positions and can therefore be separated from the focus position sensor
  • the influence of the thermal lens of the protective glass 66 can be separated.
  • the protective glass 66 is exposed to the laser material processing process and the absorption of the protective glass 66 and thus the thermal lens caused by the protective glass 66 can increase significantly over time due to contamination (smoke, splashes, gases). This can then be recognized by the focus position sensor and used not only to readjust the laser beam focus 79, but also to provide a signal for recommending a protective glass change.
  • This embodiment can in particular then It can be advantageous if a very thin protective glass 66 is used and therefore the beams 71 and 72 partially reflected by the two interfaces of the protective glass 66 lead to beam spots on the detector unit 20 that are so close together that they partially overlap and are not easily separated can be evaluated. The partially superimposed beam spots can then be interpreted as a combined beam spot and the lateral position of the combined beam spot can be determined. With the additionally evaluated beam spots from
  • Embodiment of the optical system as shown in FIG. 36 can advantageously be used.
  • the embodiment is identical to the embodiment shown in FIG. 35 and only differs in which partially reflected rays are from
  • Focus position sensor are evaluated.
  • the partially reflected rays 71 and 72 which are generated by the outer boundary surface 67 of the protective glass and by the inner boundary surface of the protective glass 66, are used here. Since the beam 72 partially reflected by the inner boundary surface of the protective glass 66 does not pass through the protective glass 66, information is available which is not influenced by the thermal lens of the protective glass 66, so that the thermal lens of the protective glass 66 can be separated in the evaluation .
  • a thickness of the protective glass of a few millimeters is sufficient for imaging spatially separated beam spots on the detector unit 20, e.g. a thickness of at least 3 mm.
  • FIG. 37 shows an illustration of an intensity distribution simulated with an optics computer program on the detector 21 of the focus position sensor for an optics system according to FIG. 34.
  • the collimator optics 62 have a focal length of 100 mm and the focusing optics have a focal length of 150 mm.
  • the protective glass was simulated with a thickness of 4 mm. In the case of the focus position sensor, only the beam spots that are generated by the first selection device 11 were used or displayed. At the
  • the beam spot 55 with medium intensity and size with the lateral position bi belongs to the partially reflected beam 72 which is generated by the inner interface of the protective glass 66.
  • a third beam spot with the lateral position Ci can also be seen, which has a low intensity and is very large in comparison. This beam spot belongs to the partially reflected beam 73 which is generated by the planar interface of the focusing optics 64.
  • FIG. 38 shows a section through the simulated intensity distribution from FIG. 37.
  • FIG. 39 shows a representation of two simulated intensity distributions for two states of the laser optics 60.
  • the simulated focus shift in the protective glass leads to an axial
  • FIG. 40 shows a further representation of two simulated intensity distributions for two states of the laser optics 60.
  • the individual focus shift contributions were chosen for the simulation in such a way that the entire Focus shift of the laser optics 60 leads to an axial displacement of the laser beam focus 79 by approximately 1 mm.
  • the evaluations of the beam spot positions of the simulated states 2 and 3 from FIGS. 39 and 40 show that precise conclusions can be drawn from the differently large lateral shifts of the multiple back reflections, both about the size of the axial shift of the laser beam focus 79 and about the cause of the focus shift, ie which elements make how large contributions to the focus shift. This enables both precise tracking of the laser beam focus 79 and detection of excessively soiled protective glass.
  • FIG. 41 shows the same simulation as FIG. 37, only that here the focus position sensor is equipped with a partial beam imaging device 10 which comprises two selection devices 11, 12.
  • the beam spots 45 and 55 the beam spots 46 and 56 are created on the detector in mirror image.
  • the evaluation can therefore not only be based on the beam spot positions ai and bi, but also on the beam spot positions a 2 and b 2 . Additionally or alternatively, the beam spot distances a s and b s can also be evaluated.
  • FIG. 42 shows the intensity profile in the section of the simulated intensity distribution from FIG. 41.
  • the dashed curve of state 2 shows the simulation of a thermal focus shift only in protective glass 66. Consequently, only the changes from state 1 to state 2 Beam spot distance a s , a s ⁇ during the
  • Beam spot distance b s , b s ' remains unchanged.
  • FIG. 43 shows a section from a simulated intensity distribution on the detector.
  • One of the possible methods is to fit a target intensity distribution to the registered intensity distribution.
  • the beam spot position then results from the center of the fit distribution.
  • the dashed curve shows an optimal fit to the beam spot distribution with position bi shown.
  • the dashed fit function in this example is a Gaussian distribution.
  • the other distribution shown with the solid curve is an optimal adaptation to the beam spot distribution with the position ai.
  • a Gaussian distribution with a higher exponent, a so-called Super-Gaussian distribution was used for the solid curve.
  • the invention is therefore based on the object of creating a system for monitoring the focus position with improved properties.
  • the beam analysis device for determining a light beam state is proposed, in particular for determining a focus position of the light beam.
  • the beam analysis device comprises a partial beam imaging device 10, a
  • Detector unit 20 and an evaluation unit 25 are Detector unit 20 and an evaluation unit 25.
  • the partial beam imaging device 10 is set up to receive at least one first measuring beam 40 which is radiated along an optical axis 39.
  • the measuring beam 40 can be the light beam itself or can be a beam which is coupled out of a light beam or a laser beam in an extended device.
  • the partial beam imaging device 10 comprises at least a first
  • the first partial beam 41 is formed in the first partial aperture region cut out.
  • the partial beam imaging device 10 further comprises an imaging device 16 with at least one imaging optical element 17
  • the imaging device 16 is the first partial beam 41 onto the detector unit 20 pictured.
  • a beam spot 45 is generated on the detector unit 20.
  • the beam spot 45 can be a focus of the partial beam 41 or a beam cross section of the partial beam 41 in the vicinity of a beam waist of the partial beam 41. In each case, the width of the
  • Beam spot 45 is much smaller than the width of the first partial aperture area.
  • the detector unit 20 is arranged behind the partial beam imaging device 10 at a distance z 0 s from the partial beam imaging device 10.
  • the detector unit 20 comprises at least one, at least one-dimensionally spatially resolving
  • the detector unit 20 detects the intensity distribution of the first beam spot 45.
  • the evaluation unit 25 is connected to the detector unit 20, that is, it receives and processes the signals from the detector unit 20
  • Evaluation unit 25 is used to determine the lateral position ai of the beam spot 45 on the detector unit 20 from the registered intensity distribution.
  • Evaluation unit 25 also determines changes in the lateral position ai of the beam spot 45 on the detector unit 20.
  • the changes in the lateral position of the beam spot are in particular changes over time. That is to say, the evaluation unit 25 can be set up to compare currently determined beam spot positions with other previously determined or stored beam spot positions and / or to determine displacement values from the position changes.
  • the determination of the lateral position of the beam spot can take place in various possible ways.
  • One possibility is to calculate the center of gravity or the mean value of the intensity distribution of the beam spot.
  • Another possibility is to determine the edge of the beam spot, for example by reaching the signal intensity of a defined threshold value in the second step, starting from the determined edge, the geometric center can be determined, or in the case of an irregular contour, the area centroid can be calculated.
  • Another possibility is to adapt a target intensity distribution or a fit function to the registered intensity distribution of the beam spot.
  • the beam analysis device is preferably set up to determine the focal position of a measuring beam.
  • the axial position of the focus or of the intermediate focus 80 of the measuring beam 40 is correlated with the lateral position of the beam spot 45 on the detector unit 20.
  • the first selection device 11 is arranged eccentrically to the optical axis 39.
  • the center point of the first selection device 11 has a lateral or radial distance n from the optical axis 39.
  • the selection device 11 and thus the first partial aperture region has a width di in the radial direction.
  • the radial distance n is at least as large as the width di of the selection device 11. This means that the edge of the
  • Selection device 11 cut out first partial aperture region is at least half the width, di / 2, of the selection device 11 from the optical axis and the first partial aperture region extends from there further radially outward.
  • the paraxial area around the optical axis 39 is therefore not contained in the first partial aperture area.
  • the first selection device 11 can be designed differently.
  • the first selection device 11 can, for example, be designed as a border of a partial aperture lens.
  • the partial aperture lens can also be the imaging optical element 17 of the imaging device 17.
  • the first selection device 11 can also be designed as a border of a partial aperture deflecting mirror.
  • Selection device 11 can also be designed as an opening in a diaphragm device 15.
  • the width di of the selected, first partial aperture region of the first measuring beam 40 is at most 1/3 of the width of the complete aperture of the measuring beam 40 in the plane of the partial beam imaging device 10.
  • the distance z os between the partial beam imaging device 10 and the detector unit 20 is in a range from 20 mm to 500 mm.
  • the distance z 0 s can preferably be in a range from 40 mm to 250 mm.
  • the beam analysis device receives at least one measuring beam 40 as a focus position sensor, which is coupled out as a partially reflected beam from laser optics 60.
  • the beam analysis device receives at least one measuring beam 40 as a focus position sensor, which is coupled out as a partially reflected beam from laser optics 60.
  • the advantageous properties of the focus position sensor according to the invention come about in that a small partial aperture area is cut out from the received light beam or measuring beam by means of the selection device, which is significantly smaller than the entire aperture of the measuring beam, and also in that the partial aperture area is cut out off-center , ie in particular lies outside the optical axis of the measuring beam. It is precisely the paraxial area of the measuring beam around the optical axis that does not contribute to the imaging of the partial beam on the detector.
  • changes in the axial focus position of the measuring beam are converted into a lateral shift of the detected beam spot, as is the case with a triangulation.
  • the direction of the axial change in focus position can be recognized from the direction of the lateral displacement of the beam spot. This also means that when several measuring beams are received with axial
  • the associated beam spots on the detector are spatially separated from one another, and not only do not interfere, but can even be used specifically for an improved evaluation.
  • An essential advantage of the invention is that the measuring principle is based on the determination of positions.
  • the position of a beam spot can be determined, for example, by calculating the center of gravity of the intensity distribution, i.e. the 1st moment of a beam distribution.
  • the determination of positions and their distance from one another is largely independent, for example, of the height of a constant background caused by scattered light and / or noise
  • this measuring principle is less error-prone than other methods that are usually based on determining a beam diameter, i.e. the 2nd moment of a beam distribution, and changing it, because the Determining a 2nd moment is relatively sensitive to changes in the height of the subsurface.
  • the focus position sensor is simple, robust and does not require any
  • the focus position sensor and the beam analysis method are particular
  • the focus position sensor and the beam analysis method allow a particularly precise determination of a focus position, since it is based on the determination of the positions of beam spots and not on the determination of diameters or dimensions of beam spot distributions, and is therefore largely insensitive to interference light, offset and noise from the detector.
  • light is considered to be electromagnetic radiation with a wavelength in the range from 0.1 pm to 10 pm, preferably in the range from 0.3 pm to 3 pm, and in particular in the range from 0.5 pm to 1.5 pm.
  • Laser radiation in the context of this disclosure is electromagnetic radiation in the range from 0.5 pm to 1.5 pm and with a power of at least 100 W, preferably with a power of at least 500 W.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung eines Lichtstrahl-Zustandes, insbesondere zur Bestimmung der Fokuslage eines Lichtstrahls. Die Strahlanalysevorrichtung umfasst eine Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10) mit wenigstens einer ersten Selektionsvorrichtung (11) zur Bildung eines ersten Teilstrahls (41) aus einem ersten Teil-Aperturbereich des ersten Messstrahls (40), und eine Abbildungseinrichtung (16) zur Abbildung des ersten Teilstrahls (41) zur Erzeugung eines ersten Strahlflecks (45) auf eine Detektoreinheit (20) mit einem ortsauflösenden Detektor (21). Ferner umfasst die Strahlanalysevorrichtung eine Auswertungseinheit (25) zur Verarbeitung der Signale der Detektoreinheit (20), zur Bestimmung einer lateralen Position (a1) des ersten Strahlflecks (45), und zur Bestimmung von zeitlichen Änderungen der lateralen Position (a1, a1') des ersten Strahlflecks (45, 45'). Die Erfindung betrifft auch ein Optisches System zur Fokuslagen-Kontrolle mit einer Laseroptik (60) und mit einer Strahlanalysevorrichtung. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Strahlanalyseverfahren sowie Verfahren zur Fokuslagen-Kontrolle einer Laseroptik und zur Fokuslagen-Nachführung einer Laseroptik.

Description

SYSTEM UND VERFAHREN ZUR FOKUSLAGEN-KONTROLLE
BESCHREIBUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein System zur Fokuslagen-Kontrolle für einen Lichtstrahl bereit, insbesondere ein System zur Fokuslagen-Kontrolle für einen Laserstrahl in
Anwendungen zur Lasermaterialbearbeitung.
Die Erfindung betrifft einen Fokuslagensensor. Die Erfindung betrifft auch eine Laser- Optik mit einem Fokuslagensensor zur Überwachung der Fokuslage der Laser-Optik in Echtzeit, also während der Anwendung des Laserstrahls, sowie eine Laser-Optik mit einem Fokuslagensensor zur Steuerung und/oder Regelung der Fokuslage der Laser- Optik.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage eines Lichtstrahls, sowie ein Verfahren zur Überwachung der Fokuslage einer Laser-Optik in Echtzeit, und ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Fokuslage einer Laser-Optik.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine zentrale Aufgabenstellung bei der Lasermaterialbearbeitung ist die Einstellung der axialen Fokuslage des Laserstrahls relativ zum zu bearbeitenden Material oder
Werkstück. Bei einer optimalen Prozessführung liegt der Fokus des Laserstrahls nicht zwangsweise direkt auf der Oberfläche des Werkstücks. Vielmehr hängt die optimale Positionierung des Laserstrahl-Fokus zum Werkstück von mehreren Faktoren ab. Der Fokus kann beispielsweise, insbesondere bei der Bearbeitung von Werkstücken mit hoher Materialstärke, innerhalb des Werkstücks liegen, also unterhalb der Werkstück- Oberfläche. Oftmals ist das Bearbeitungsergebnis empfindlich von der genauen Fokuslage des Laserstrahls abhängig, weshalb es wünschenswert bzw. notwendig ist,
Bestätigungskopie dass sich die Positionierung des Laserstrahl-Fokus zum Werkstück nicht während der Bearbeitung ändert.
Bei modernen Laserbearbeitungsanlagen kommen Laser mit einer hohen Brillanz und einer hohen Leistung, oftmals im Bereich von mehreren Kilowatt, zum Einsatz. Aufgrund der Materialeigenschaften in den optischen Elementen von Laserbearbeitungsoptiken führt die hohe Laserleistung zu einer Erwärmung der optischen Elemente. Dadurch wird ein radialer Temperaturgradient in den optischen Elementen erzeugt, der aufgrund der Temperaturabhängigkeit von Materialparametern wie z.B. der Brechzahl in eine
Änderung der Brechkraft der optischen Elemente resultiert. Dieser Effekt wird thermischer Fokus-Shift genannt. Dieser thermische Fokus-Shift kann zwar durch geeignete Materialwahl für die optischen Elemente minimiert werden, beispielsweise durch die Verwendung von hochreinen, absorptionsarmen Quarzglas-Sorten, ist aber dennoch praktisch immer vorhanden. Der Effekt wird verstärkt durch die bei der Lasermaterialbearbeitung entstehenden gasförmigen Reaktionsprodukte, die sich auf der Laseroptik oder dem Schutzglas der Laseroptik niederschlagen können und zu einer erhöhten Absorption führen. Somit tragen oftmals besonders die Schutzgläser zu einer unerwünschten, zeitlichen Änderung der Fokuslage der Laseroptik bei.
Zur Lösung dieses Problems sind im Stand der Technik bereits verschiedene
Vorrichtungen beschrieben worden, welche eine Bestimmung der tatsächlichen
Fokuslage einer Optik zum Ziel haben und damit auch eine Nachführung der Fokuslage ermöglichen sollen.
So wird beispielsweise in der DE 10 2011 054 941 B3 eine Vorrichtung zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage eines über optische Elemente geführten Laserstrahls gezeigt. Dabei wird ein Rückreflex einer der Flächen eines der letzten optischen Elemente vor dem zu bearbeitenden Material verwendet, und am Ort des Fokus des Rückreflexes ist ein Sensor angeordnet. Als Sensor selbst kann gemäß der Lehre der Veröffentlichung jeder Fokussensor verwendet werden, der die Lage des Fokus ausreichend genau bestimmt. Als Beispiel verweist die Veröffentlichung auf einen Fokussensor, wie er in der DE 198 23 951 A1 offenbart ist. Die letztgenannte Veröffentlichung lehrt einen Fokussensor, bei dem ein Eingangsstrahl in einen
Referenzstrahl und in einen Probenstrahl aufgeteilt wird, der Referenzstrahl mit einem hochfrequenten Zittersignal moduliert wird, Probenstrahl und Referenzstrahl zur Erzeugung eines Interferenzmusters rekombiniert werden, und das Interferenzmuster mit einer Detektionseinrichtung wiedergegeben wird. Ein Schaltkreis erzeugt aus den Signalen der Detektionseinrichtung ein Fokusänderungskorrektursignal.
Der zitierte Fokussensor ist somit eine hochkomplexe optische Vorrichtung mit bewegten Komponenten und ist darauf angewiesen, dass das die abgezweigten Strahlen eine ausreichende Kohärenz aufweisen.
Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich daraus, dass bei der aus der DE 10 2011 054 941 B3 bekannten Verwendung eines Rückreflex von einer Fläche eines optischen
Elements der Laseroptik, insbesondere von einer Fläche eines Schutzglases, üblicherweise nicht sichergestellt werden kann, dass nur der gewünschte Rückreflex einer der Flächen isoliert zur Auswertung herangezogen werden kann. Tatsächlich wird von allen Flächen der optischen Elemente der Laseroptik jeweils ein Rückreflex erzeugt, so dass insgesamt mehrere axial überlagerte Rückreflexe vorliegen. Wird nun der Fokussensor auf einen der multiplen Rückreflexe eingerichtet, um dessen
Fokuslagenänderung zu erfassen, so treten die übrigen der multiplen Rückreflexe als Störsignale auf, welche die Genauigkeit verringern oder sogar die sichere Erkennung der Fokuslage verhindern können.
Eine zur DE 10 2011 054 941 B3 vergleichbare Anordnung ist in der DE 10 2007 053 632 A1 offenbart. Hier wird die Verwendung eines an einer optischen Fläche koaxial rückreflektierten Teilstrahls gelehrt, der über einen Strahlteiler vom Hauptstrahl separiert wird und damit zur Strahlanalyse zur Verfügung steht. Als Sensor für eine Strahlanalyse ist u.a. ein Hartmann-Shack-Sensor angegeben. Mit einem Hartmann- Shack-Sensor wird Form und Krümmung der Wellenfront eines Strahls bestimmt. Aus den Informationen über die Wellenfront-Krümmung kann auch auf die Fokuslage zurückgerechnet werden.
Die Verwendung eines Hartmann-Shack-Sensors als Fokussensor ist jedoch ebenfalls mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Hartmann-Shack-Sensor, auch Wellenfrontsensor genannt, besteht im Wesentlichen aus einem Linsenarray und einem ortsauflösenden Detektor, der im Abstand der Brennweite der Einzellinsen des Linsenarrays angeordnet ist. Auf dem Detektor des Wellenfrontsensors entsteht daher bei Beleuchtung mit einem Lichtstrahl eine Vielzahl von einzelnen Fokuspunkten in einer regelmäßigen Anordnung, die der Geometrie des Linsenarrays entspricht. Die seitliche Lage der einzelnen Fokuspunkte ist abhängig von der lokalen Neigung der Wellenfront des Lichtstrahls an den jeweils zugehörigen Sub- Aperturen, die durch die Einzellinsen des Linsenarrays gebildet werden. Somit kann aus der Gesamtheit der Lage der Fokuspunkte die Geometrie der Wellenfront rekonstruiert werden, die der Lichtstrahl vor dem Linsenarray aufweist. Insbesondere kann dadurch auch die globale Krümmung der Wellenfront bestimmt werden und damit auf die Fokuslage des Lichtstrahls zurückgerechnet werden.
Dabei ergibt sich als eine der möglichen Schwierigkeiten ein Eindeutigkeits-Problem. Wenn die Wellenfront stark verzerrt ist, also lokal große Neigungen aufweist, dann kann die seitliche Position des Fokuspunktes, der zur entsprechenden Sub-Apertur gehört, so weit seitlich verschoben werden, dass der Fokuspunkt bereits in die Zelle des benachbarten Fokuspunktes rutscht. Dann kann der Wellenfrontsensor nicht mehr zuordnen, welcher Fokuspunkt zu welcher Sub-Apertur gehört. Bei einem
Wellenfrontsensor muß daher gefordert werden, dass der zu messende Strahl nur kleine Abweichungen von einer ebenen Wellenfront aufweist, und/oder dass die Winkel der Schwerpunkt-Achsen der Teilstrahlen zur Optischen Achse kleiner sind als der halbe Öffnungswinkel der Teilstrahlen, die von den Einzellinsen des Linsenarrays fokussiert werden. Um dies zu erreichen, sind üblicherweise die Brennweiten der Einzellinsen des Linsenarrays klein, beispielsweise im Vergleich zum Durchmesser des Lichtstrahls, und entsprechend ist der Abstand zwischen Linsenarray und Detektor gering. Das bedeutet aber gleichzeitig, dass die Sensitivität der seitlichen Lage der Fokuspunkte auf dem Detektor gegenüber Änderungen der axialen (Objekt- oder Zwischen-) Fokuslage des Lichtstrahls relativ gering ist.
Eine weitere Schwierigkeit der bekannten Wellenfrontsensoren ist, dass eine
Auswertung der Fokuspunkt-Positionen der Sub-Aperturen nicht mehr sinnvoll möglich ist, wenn der zu vermessende Lichtstrahl eigentlich aus einer Überlagerung von mehreren Lichtstrahlen oder multiplen Laserstrahl-Rückreflexen mit voneinander abweichenden Fokuslagen besteht. Dies ist jedoch gerade die bereits aufgezeigte, typische Situation, die bei der Erzeugung von Messstrahlen oder Probenstrahlen durch Rückreflexion an Flächen der Elemente von Laseroptiken auftritt. Die bekannten Wellenfrontsensoren würden aufgrund der dann auftretenden multiplen Vielzahl von Fokuspunkten auf dem Detektor, die nicht zugeordnet werden können, keine
zuverlässigen Ergebnisse liefern. Die in der DE 10 2015 001 421 B4 offenbarte Vorrichtung umgeht dieses Problem, indem zur Erzeugung eines zur Strahlanalyse verwendeten Rückreflexes ein
zusätzliches Element in den fokussierten Strahl der Laseroptik eingebracht wird, wobei die Krümmung der teilreflektierenden Fläche des zusätzlichen Elements an die mittlere Krümmung der Wellenfront des fokussierten Strahls angepasst ist. Dadurch wird einerseits der Strahl genau in sich selbst zurückreflektiert, so dass die Fokuspositionen von anderen, unerwünschten Rückreflexen axial soweit entfernt sind, dass diese nicht mehr stören, und andererseits kann der Teilreflexionsgrad des zusätzlich eingebrachten Elements höher gewählt werden, um den Stör-Abstand zu den übrigen Reflexen zu verringern. Dadurch, dass dazu ein zusätzliches Element in den Strahlengang eingebracht wird, ist dieses Verfahren jedoch nicht für eine Fokuslagen-Bestimmung und -Korrektur in Echtzeit während der Laserbearbeitung geeignet.
Die DE 10 2013 227 031 A1 zeigt eine weitere Vorrichtung zum Korrigieren einer Brennweitenverschiebung, bei der ein vom Schutzglas reflektierter Anteil des
Lichtstrahls in einen Messstrahlengang auf einen Sensor zur Strahlanalyse abgelenkt wird. Der vom Schutzglas reflektierte Anteil wird im Messstrahlengang durch eine Blende geführt, wodurch Störstrahlen ausgeblendet werden, die von anderen Teilen der Vorrichtung reflektiert werden. Um die gewünschte Störstrahl-Ausblendung zu erreichen, ist eine Schrägstellung des Schutzglases und/oder die Verwendung von Keilplatten zur Umlenkung des reflektierten Strahls vorgesehen. Als Sensor lehrt die Veröffentlichung die Verwendung einer CCD-Kamera oder einer CMOS-Kamera. Damit soll eine Vermessung gemäß DIN ISO 11146 erreicht werden, und die Bestimmung der tatsächlich vorliegenden Brennweite soll mittels ABCD-Matrixrechnung erfolgen.
Die DE 10 201 1 007 176 A1 lehrt ebenfalls die Verwendung eines Rückreflexes vom Schutzglas und die Erfassung der rückreflektierten Strahlung mit einem Detektor zur Bestimmung der Fokusposition. Das Schutzglas ist hierbei unter einem so großen Kippwinkel angeordnet, dass die rückreflektierte Strahlung direkt zur Seite umgelenkt wird und keine weitere Strahlteilung erforderlich ist. Zum Ausblenden der von einer der Seiten des Schutzglases rückreflektierten Strahlung ist eine Blende vorgesehen. Die Bestimmung der Fokusposition des Laserstrahls erfolgt durch Auswertung der Größe bzw. des Durchmessers der Laserstrahlung auf dem Detektor. Die Verwendung von schräggestellten Schutzgläsern ist im Allgemeinen nachteilig, da hierdurch ein Astigmatismus im fokussierten Laserstrahl erzeugt werden kann. Zudem wird der Arbeitsabstand verringert, und die üblicherweise zum Austausch des
Schutzglases vorgesehenen Konstruktionen, wie beispielsweise Schubladen oder Schraubfassungen, werden aufwändiger. Die Verwendung von Keilplatten zur
Strahlteilung oder Strahlablenkung erfordert ebenfalls aufwändigere Konstruktionen.
Die im Stand der Technik zum Einsatz kommenden Fokussensoren sind also sehr komplex, beispielsweise bei auf interferometrischer Basis arbeitenden Vorrichtungen, oder es werden Strahlvermessungen in Anlehnung an die DIN ISO 11146 durchgeführt, was zur Bestimmung einer Fokuslage sehr aufwändig ist, wenn eine hohe Genauigkeit erreicht werden soll, weil dazu die Strahlkaustik in vielen Ebenen erfasst werden muss, oder es werden Wellenfrontsensoren verwendet, was nur in einem eingeschränkten Empfindlichkeitsbereich möglich ist und bei multiplen Rückreflexen zu Problemen bei der Auswertung führt. Multiple Rückreflexe führen offenbar bei allen bekannten
Fokussensoren zu Funktionseinschränkungen und/oder zu verringerter Genauigkeit, weshalb üblicherweise versucht wird, diese Reflexe mit mehr oder minder wirksamen und komplexen Maßnahmen einzuschränken oder auszuschalten. Weitere Probleme können bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen entstehen, wenn die Strahlqualität des für einen Laserbearbeitungsprozess genutzten Laserstrahls nicht konstant ist, sondern zeitlich schwankt. Dann können Änderungen im
Strahldurchmesser des vom Fokussensor erfassten Rückreflexes auftreten, die fälschlicherweise als Änderung der Fokuslage interpretiert werden können.
Es existiert somit ein Bedarf für einen einfachen, robusten und hochempfindlichen Fokuslagensensor, welcher in der Lage ist, Messstrahlen auch bei Existenz störender multipler Rückreflexe auszuwerten, und der unempfindlich ist gegenüber Änderungen der Strahlqualität des zugrundeliegenden Strahls. Es existiert auch ein Bedarf für verbesserte Systeme zur Fokuslagen-Kontrolle und zur Nachführung des
Laserstrahlfokus bei Laseroptiken. KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, ein System zur Fokuslagen-Kontrolle mit einem verbesserten Fokuslagensensor zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung eines Zustandes eines Strahls aus Licht vorgeschlagen, die eine Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung, die zum Empfang eines ersten Messstrahls eingerichtet ist, und die wenigstens eine erste Selektionsvorrichtung zur Bildung eines ersten Teilstrahls aus einem ersten Teil-Aperturbereich des ersten Messstrahls beinhaltet, und die weiterhin eine Abbildungseinrichtung mit wenigstens einem abbildenden optischen Element beinhaltet. Die Strahlanalysevorrichtung enthält weiterhin eine Detektoreinheit mit wenigstens einem zumindest eindimensional ortsauflösenden lichtempfindlichen Detektor, die in einem Abstand zur Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung angeordnet ist, und eine Auswertungseinheit zur Verarbeitung von Signalen der Detektoreinheit. Die erste Selektionsvorrichtung ist bezüglich einer für die Einstrahlung des ersten Messstrahls vorgesehenen optischen Achse außermittig angeordnet. Die Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, den ersten Teilstrahl zur Erzeugung eines ersten Strahlflecks auf die Detektoreinheit abzubilden. Die Detektoreinheit ist zur Erfassung einer Intensitätsverteilung des ersten Strahlflecks eingerichtet ist. Die Auswertungseinheit ist zur Bestimmung einer lateralen Position des ersten Strahlflecks eingerichtet. Die Auswertungseinheit ist weiterhin zur Bestimmung von zeitlichen Änderungen der lateralen Position des ersten Strahlflecks eingerichtet.
Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der eine Änderung einer axialen Fokus-Position oder Zwischenfokus-Position des Messstrahls korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position des ersten Strahlflecks auf der Detektoreinheit.
Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der ein radialer Abstand des Mittelpunktes des durch die erste Selektionsvorrichtung definierten ersten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse mindestens so groß ist wie eine Breite des ersten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
Es ist weiterhin eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Auswertungseinheit eingerichtet ist zur Bestimmung der lateralen Position des ersten Strahlflecks mittels Berechnung des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung des Strahlflecks, und/oder mittels Bestimmung eines Randes oder einer Umfangskontur des Strahlflecks, und/oder mittels Bestimmung einer geometrischen Mitte des Strahlflecks, und/oder mittels Anpassung einer Soll-Intensitätsverteilung an die erfasste Intensitätsverteilung des Strahlflecks.
Bei einer weiteren möglichen Vorrichtung ist die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung zum Empfang des ersten Messstrahls und wenigstens eines zweiten Messstrahls
eingerichtet, wobei die Messstrahlen auf der gleichen optischen Achse überlagert sind.
Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Auswertungseinheit eingerichtet ist zur Identifizierung wenigstens zweier Strahlflecke in einer von der Detektoreinheit erfassten Intensitätsverteilung, und zur Bestimmung der lateralen Positionen der wenigstens zwei identifizierten Strahlflecke.
Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung weiterhin wenigstens eine zweite Selektionsvorrichtung zur Bildung eines zweiten Teilstrahls aus einem zweiten Teil-Aperturbereich des ersten Messstrahls beinhaltet, und bei der die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, den zweiten Teilstrahl zur Erzeugung eines zweiten Strahlflecks auf die Detektoreinheit abzubilden.
Es ist weiterhin eine Vorrichtung vorgesehen, bei der ein radialer Abstand des
Mittelpunktes des durch die zweite Selektionsvorrichtung definierten zweiten Teil- Aperturbereichs zur optischen Achse mindestens so groß ist wie eine Breite des zweiten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
Bei einer weiteren möglichen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der durch die erste Selektionsvorrichtung ausgewählte erste Teil-Aperturbereich und der durch die zweite Selektionsvorrichtung ausgewählte zweite Teil-Aperturbereich nicht aneinandergrenzen, und dass ein Abstand vom Mittelpunkt des ersten Teil-Aperturbereichs zum Mittelpunkt des zweiten Teil-Aperturbereichs mindestens so groß ist wie die Summe der Breiten des ersten und des zweiten Teil-Apertur-Bereichs.
Es ist ferner auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der vor der Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung ein teilreflektierender Strahlteiler angeordnet ist zur Erzeugung des Messstrahls mittels Auskopplung eines definierten Strahlanteils aus einem auf den Strahlteiler gerichteten Lichtstrahl oder Laserstrahl. Es ist auch ein Optisches System vorgesehen, welches eine Laseroptik für einen Laserstrahl und eine Strahlahalysevorrichtung wie zuvor beschrieben beinhaltet. Die Laseroptik enthält einen teilreflektierenden Strahlteiler zur Auskopplung des
Messstrahls aus dem Laserstrahl hin zu der Strahlanalysevorrichtung. Die
Strahlanalysevorrichtung ist zum Empfang des über den Strahlteiler ausgekoppelten Messstrahls eingerichtet.
Es ist weiterhin ein Optisches System vorgesehen, welches eine Laseroptik für einen Laserstrahl und eine Strahlanalysevorrichtung wie zuvor beschrieben beinhaltet, wobei die Laseroptik wenigstens folgende Elemente beinhaltet: eine Grenzfläche eines optischen Elements der Laseroptik zur Erzeugung eines teilreflektierten Strahls aus dem Laserstrahl, und einen teilreflektierenden Strahlteiler zur Auskopplung des
Messstrahls aus dem teilreflektierten Strahl hin zu der Strahlanalysevorrichtung. Die Strahlanalysevorrichtung ist zum Empfang des über den Strahlteiler ausgekoppelten Messstrahls eingerichtet.
Es ist ein Optisches System vorgesehen, welches eine Laseroptik für einen Laserstrahl und eine Strahlanalysevorrichtung wie zuvor beschrieben beinhaltet, wobei die
Laseroptik wenigstens folgende Elemente beinhaltet: eine Grenzfläche eines optischen Elements der Laseroptik zur Erzeugung eines teilreflektierten Strahls aus dem
Laserstrahl, wenigstens eine weitere Grenzfläche eines optischen Elements der Laseroptik zur Erzeugung wenigstens eines weiteren teilreflektierten Strahls aus dem Laserstrahl, und einen teilreflektierenden Strahlteiler zur Auskopplung des ersten Messstrahls aus dem teilreflektierten Strahl und zur Auskopplung wenigstens eines zweiten Messstrahls aus dem wenigstens einen weiteren teilreflektierten Strahl hin zu der Strahlanalysevorrichtung. Die Strahlanalysevorrichtung ist zum Empfang des über den Strahlteiler ausgekoppelten Messstrahls eingerichtet.
Es ist auch ein Optisches System vorgesehen, bei dem die Grenzfläche zur Erzeugung des teilreflektierten Strahls die als letztes vom Laserstrahl transmittierte Grenzfläche ist, bevor der Laserstrahl aus der Laseroptik austritt.
Es ist ein Optisches System vorgesehen, bei dem die Laseroptik eingerichtet ist zur Erzeugung eines Laserstrahl-Fokus, und bei dem eine Änderung einer axialen Position des Laserstrahl-Fokus korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position des ersten Strahlflecks. Es ist auch ein Optisches System vorgesehen, bei dem die Laseroptik mit einer
Führungsmaschine verbunden ist, die zum Einstellen einer axialen Position eines Laserstrahl-Fokus der Laseroptik eingerichtet ist, und bei dem eine Steuerung der Führungsmaschine mit der Auswertungseinheit gekoppelt ist zum Empfang von Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks auf der Detektoreinheit ermittelt sind.
Es ist schließlich ein Optisches System vorgesehen, bei dem die Laseroptik eine axial bewegbare Linse oder Linsengruppe enthält, deren Position mittels einer
Translationseinrichtung einstellbar ist, und wobei die Translationseinrichtung
eingerichtet ist zur Steuerung der Position der Linse oder der Linsengruppe in
Abhängigkeit eines von der Auswertungseinheit bereitgestellten Wertes, der aus der Position des zumindest einen Strahlflecks auf der Detektoreinheit bestimmt ist.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird auch ein Strahlanalyseverfahren zur
Bestimmung eines Zustandes eines Strahls aus Licht vorgeschlagen, das die folgenden Schritte beinhaltet: Es wird ein erster Teilstrahl aus einem ersten Messstrahl gebildet durch Auswählen eines ersten Teil-Aperturbereichs aus dem Messstrahl, wobei der erste Teil-Aperturbereich außermittig bezüglich einer optischen Achse des Messstrahls angeordnet ist. Der erste Teilstrahl wird abgebildet auf eine Detektoreinheit zur
Erzeugung eines ersten Strahlflecks auf der Detektoreinheit, wobei die Detektoreinheit wenigstens einen zumindest eindimensional ortsauflösenden lichtempfindlichen
Detektor beinhaltet. Eine Intensitätsverteilung wird mittels der Detektoreinheit registriert, wobei die Intensitätsverteilung Strahlintensitätswerte des ersten Strahlflecks enthält. Eine laterale Position des ersten Strahlflecks wird aus der registrierten
Intensitätsverteilung bestimmt. Zeitliche Änderungen der lateralen Position des ersten Strahlflecks werden bestimmt. Die laterale Position des ersten Strahlflecks oder ein Änderungswert der lateralen Position oder ein Wert, welcher aus der lateralen Position oder aus der Änderung der lateralen Position ermittelt ist, wird bereitgestellt.
Es ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine Änderung einer axialen Fokus-Position oder Zwischenfokus-Position des ersten Messstrahls korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position des ersten Strahlflecks auf der Detektoreinheit. Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem ein radialer Abstand des Mittelpunktes des ersten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse mindestens so groß ist wie eine Breite des ersten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem das Bestimmen der lateralen Position des ersten Strahlflecks mindestens einen der nachfolgend aufgeführten Schritte beinhaltet: Berechnen des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung des
Strahlflecks, Bestimmen eines Randes oder einer Umfangskontur des Strahlflecks, Bestimmen einer geometrischen Mitte des Strahlflecks, Anpassen einer Soll- Intensitätsverteilung an die erfasste Intensitätsverteilung des Strahlflecks.
Es ist auch ein Verfahren mit den folgenden weiteren Verfahrensschritten vorgesehen: Bilden eines weiteren ersten Teilstrahls aus einem zweiten Messstrahl durch
Auswählen des ersten Teil-Aperturbereichs aus dem zweiten Messstrahl, wobei der erste Messstrahl und der zweite Messstrahl auf der gleichen optischen Achse überlagert sind, und Abbilden des weiteren ersten Teilstrahls des zweiten Messstrahls auf die Detektoreinheit zur Erzeugung eines weiteren ersten Strahlflecks auf der Detektoreinheit.
Es ist ein Verfahren mit den folgenden weiteren Verfahrensschritten vorgesehen:
Identifizieren wenigstens zweier Strahlflecke in der von der Detektoreinheit registrierten Intensitätsverteilung, und Bestimmen von lateralen Positionen der wenigstens zwei identifizierten Strahlflecke.
Es ist weiterhin ein Verfahren mit den folgenden weiteren Verfahrensschritten vorgesehen: Bilden eines zweiten Teilstrahls aus dem ersten Messstrahl durch
Auswählen eines zweiten Teil-Aperturbereichs aus dem Messstrahl, Abbilden des zweiten Teilstrahls auf die Detektoreinheit zur Erzeugung eines zweiten Strahlflecks auf der Detektoreinheit.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem ein radialer Abstand des Mittelpunktes des zweiten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse mindestens so groß ist wie eine Breite des zweiten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
In einem weiteren vorgesehenen Verfahren grenzen der erste Teil-Aperturbereich und der zweite Teil-Aperturbereich nicht aneinander. Dabei ist ein Abstand vom Mittelpunkt des ersten Teil-Aperturbereichs zum Mittelpunkt des zweiten Teil-Aperturbereichs mindestens so groß wie die Summe der Breiten des ersten und des zweiten Teil- Apertur-Bereichs.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem der erste Messstrahl mittels
Auskopplung eines definierten Strahlanteils aus einem Lichtstrahl oder Laserstrahl erzeugt wird.
Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem der erste Messstrahl gebildet wird durch Auskoppeln eines definierten Strahlanteils aus einem in einer Laseroptik geführten Laserstrahl mittels eines teilreflektierenden Strahlteilers, der in der Laseroptik angeordnet ist.
Es ist ein Verfahren mit den folgenden zusätzlichen Verfahrensschritten vorgesehen: Erzeugung eines teilreflektierten Strahls aus einem in einer Laseroptik geführten Laserstrahl durch Teilreflexion an einer Grenzfläche eines optischen Elements der Laseroptik, Propagieren des teilreflektierten Strahls entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls, und Erzeugen des ersten Messstrahls durch Auskoppeln eines definierten Strahlanteils aus dem teilreflektierten Strahl mittels eines teilreflektierenden
Strahlteilers, der in der Laseroptik angeordnet ist.
Es ist auch ein Verfahren mit den folgenden zusätzlichen Verfahrensschritten vorgesehen: Erzeugung wenigstens eines weiteren teilreflektierten Strahls aus dem in der Laseroptik geführten Laserstrahl durch Teilreflexion an wenigstens einer weiteren Grenzfläche eines optischen Elements der Laseroptik, Propagieren des weiteren teilreflektierten Strahls entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls, und Erzeugen eines zweiten Messstrahls durch Auskoppeln eines definierten Strahlanteils aus dem weiteren teilreflektierten Strahl mittels des teilreflektierenden Strahlteilers.
Es ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Grenzfläche zur Erzeugung des teilreflektierten Strahls die als letztes vom Laserstrahl transmittierte Grenzfläche ist, bevor der Laserstrahl aus der Laseroptik austritt.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem mittels der Laseroptik ein Laserstrahl- Fokus erzeugt wird, und bei dem eine Änderung einer axialen Position des Laserstrahl- Fokus korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position des ersten Strahlflecks. Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine axiale Position eines
Laserstrahl-Fokus der Laseroptik relativ zu einem Werkstück mittels einer mit der Laseroptik verbundenen Führungsmaschine eingestellt wird, und wobei Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks auf der Detektoreinheit ermittelt sind, an eine Steuerung der Führungsmaschine übermittelt werden.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine axiale Position eines Laserstrahl- Fokus eingestellt wird mittels einer in der Laseroptik angeordneten axial bewegbaren Linse oder Linsengruppe, deren Position mittels einer Translationseinrichtung eingestellt wird, und wobei Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks auf der Detektoreinheit bestimmt sind, an die Translationseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Position der Linse oder der Linsengruppe übermittelt werden.
Es ist schließlich auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Position des Laserstrahl- Fokus relativ zu einem Werkstück während einer Lasermaterialbearbeitung in einer definierten Lage gehalten wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen und Beispiele beschränkt zu sein. Vielmehr sind auch
Ausführungsformen vorgesehen, bei denen in verschiedenen Figuren dargestellte
Merkmale kombiniert sein können. Es zeigt:
Figur 1 : Eine schematische Darstellung einer ersten, grundlegenden
Ausführungsform des Fokuslagensensors.
Figur 2: Eine schematische Darstellung der ersten, grundlegenden Ausführungsform des Fokuslagensensors wie in Fig. 1 mit zusätzlicher Darstellung einer Änderung der Messstrahl-Fokuslage.
Figur 3: Eine schematische Darstellung einer zweiten, grundlegenden
Ausführungsform des Fokuslagensensors.
Figur 4: Eine schematische Darstellung einer dritten, grundlegenden
Ausführungsform des Fokuslagensensors. Figur 5: Eine schematische Darstellung der Strahlfleck-Position und einer Änderung der Strahlfleck-Position auf der Detektoreinheit für Ausführungsformen des Fokuslagensensors gemäß den Figuren 1 bis 4.
Figur 6: Eine schematische Darstellung einer Detektoreinheit mit einem
Zeilendetektor.
Figur 7: Eine schematische Darstellung einer Detektoreinheit mit einem
zweidimensional ortsauflösenden Detektor.
Figur 8: Eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des
Fokuslagensensors mit zwei Selektionsvorrichtungen und mit zwei
Detektoren in der Detektoreinheit.
Figur 9: Eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des
Fokuslagensensors mit zwei Selektionsvorrichtungen und mit zwei
Detektoren.
Figur 10: Eine schematische Darstellung der Strahlfleck-Position und einer Änderung der Strahlfleck-Position auf einer Detektoreinheit mit zwei Detektoren, für Ausführungsformen des Fokuslagensensors wie in den Figuren 8 und 9.
Figur 11 : Eine schematische Darstellung der Strahlfleck-Position und einer Änderung der Strahlfleck-Position für Ausführungsformen des Fokuslagensensors mit zwei Selektionsvorrichtungen, auf einer Detektoreinheit mit nur einem Detektor, gemäß Ausführungsformen des Fokuslagensensors die in den nachfolgenden Figuren dargestellt sind.
Figur 12: Eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des
Fokuslagensensors mit zwei Selektionsvorrichtungen, mit einer Strahlseparatoreinrichtung und mit einem Detektor. Figur 13: Eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform des
Fokuslagensensors.
Figur 14: Eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform des
Fokuslagensensors. Figur 15: Eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform des Fokuslagensensors.
Figur 16: Eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform des
Fokuslagensensors.
Figur 17: Eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform des
Fokuslagensensors mit einer optischen Verkürzung des Abstandes von der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung zur Detektoreinheit.
Figur 18: Eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform des
Fokuslagensensors.
Figur 19: Eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform des
Fokuslagensensors.
Figur 20: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des
Fokuslagensensors ähnlich der in Fig. 15 gezeigten neunten
Ausführungsform. Im hier gezeigten Beispiel empfängt der
Fokuslagensensor zwei überlagerte Messstrahlen mit unterschiedlichen Zwischenfokus-Positionen .
Figur 21 : Eine schematische Darstellung der Strahlfleck-Positionen auf der
Detektoreinheit mit mehreren Strahlflecken, die von zwei überlagerten Messstrahlen erzeugt werden, gemäß einer Ausführungsform wie in Fig. 20 dargestellt.
Figur 22: Eine schematische Darstellung in zwei Schnitten einer Ausführungsform eines Fokuslagensensors ähnlich der in Fig. 20 gezeigten
Ausführungsform, bei der der Fokuslagensensor zwei überlagerte Messstrahlen mit unterschiedlichen Zwischenfokus-Positionen empfängt. Zur verbesserten Auswertung sind in diesem Beispiel zusätzliche Selektionsvorrichtungen in einer zusätzlichen lateralen Richtung angeordnet.
Figur 23: Eine schematische Darstellung der Strahlfleck-Positionen auf der
Detektoreinheit mit mehreren Strahlflecken, die von zwei überlagerten Messstrahlen erzeugt werden, für einen Fokuslagensensor wie in Fig. 22 dargestellt.
Figur 24: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des
Fokuslagensensors ähnlich der in Fig. 15 gezeigten neunten
Ausführungsform. Im hier gezeigten Beispiel empfängt der
Fokuslagensensor zwei überlagerte Messstrahlen mit sehr
unterschiedlichen Zwischenfokus-Positionen.
Figur 25: Eine schematische Darstellung in zwei Schnitten einer Ausführungsform eines Fokuslagensensors ähnlich der in Fig. 24 gezeigten
Ausführungsform, bei der der Fokuslagensensor zwei überlagerte Messstrahlen mit sehr unterschiedlichen Zwischenfokus-Positionen empfängt. Zur verbesserten Auswertung sind zusätzliche
Selektionsvorrichtungen in einer zusätzlichen lateralen Richtung angeordnet, ähnlich wie in der Ausführungsform nach Fig. 22. Die Strahlseparatoreinrichtung umfasst in diesem Beispiel Teilapertur-Linsen in den beiden lateralen Koordinaten-Richtungen mit deutlich unterschiedlicher Brennweite.
Figur 26: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor, bei dem der Fokuslagensensor einen teilreflektierten Strahl auswertet, der insbesondere vom Kollimationsteil der Laseroptik beeinflusst wird.
Figur 27: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor, bei dem der Fokuslagensensor einen teilreflektierten Strahl auswertet, der von der gesamten Laseroptik beeinflusst wird.
Figur 28: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und mit einem Fokuslagensensor wie in Fig. 1 oder 2 mit nur einer
Selektionsvorrichtung. Zusätzlich ist eine durch einen thermischen Fokus- Shift geänderte Fokuslage des Laserstrahls der Laseroptik dargestellt und die dadurch geänderten Strahlen im Fokuslagensensor. Figur 29: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor wie in Fig. 15 mit zwei
Selektionsvorrichtungen, und mit einer zusätzlichen Darstellung einer durch thermischen Fokus-Shift geänderten Fokuslage des Laserstrahls und der dadurch geänderten Strahlen im Fokuslagensensor.
Figur 30: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor wie in Fig. 29. Die Laseroptik hat in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine beweglich gelagerte und ansteuerbare Linsengruppe, mittels der die Fokuslage des Laserstrahls eingestellt und nachgeführt werden kann.
Figur 31 : Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und mit zwei Fokuslagensensoren. Ein Fokuslagensensor empfängt einen Messstrahl, der von der äußeren Grenzfläche des Schutzglases teilreflektiert wird, ein anderer Fokuslagensensor empfängt einen Messstrahl, der vor der Fokussierung der Laseroptik ausgekoppelt wird.
Figur 32: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor. Der Fokuslagensensor empfängt in diesem Ausführungsbeispiel zwei überlagerte Messstrahlen, wobei ein Messstrahl von der äußeren Grenzfläche des Schutzglases teilreflektiert wird und der andere Messstrahl vor der Fokussierung der Laseroptik ausgekoppelt wird.
Figur 33: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor. Der Fokuslagensensor empfängt in diesem Ausführungsbeispiel ähnlich wie im Beispiel von Fig. 32 zwei überlagerte Messstrahlen, wobei ein Messstrahl von der äußeren Grenzfläche des Schutzglases teilreflektiert wird und der andere Messstrahl vor der
Fokussierung der Laseroptik ausgekoppelt wird. Die Überlagerung der Messstrahlen ist hier so ausgeführt, dass die Zwischenfokusse der
Messstrahlen nahe beieinander liegen.
Figur 34: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor. In der Abbildung sind weitere Teilreflexionen von Grenzflächen mehrerer Elemente der Laseroptik dargestellt, die typischerweise in der Laseroptik vorhanden sind. Der Fokuslagensensor empfängt daher eine Mehrzahl von überlagerten Messstrahlen, die von den verschiedenen Grenzflächen der optischen Elemente der Laseroptik teilreflektiert werden.
Figur 35: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor. Der Fokuslagensensor empfängt in diesem Ausführungsbeispiel zwei überlagerte Messstrahlen, die insbesondere von einer Grenzfläche des Schutzglases und von einer Grenzfläche der Fokussierlinse der Laseroptik erzeugt werden werden. Bei der Auswertung der Strahlfleck-Positionen im Fokuslagensensor kann so der Einfluss des Schutzglases auf die Fokuslagen-Änderung separiert werden.
Figur 36: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor ähnlich wie das Beispiel von Fig. 35. Der Fokuslagensensor empfängt in diesem Ausführungsbeispiel zwei überlagerte Messstrahlen, die insbesondere von der äußeren und von der inneren Grenzfläche des Schutzglases erzeugt werden werden. Bei der Auswertung der Strahlfleck-Positionen im Fokuslagensensor kann so ebenfalls der Einfluss des Schutzglases auf die Fokuslagen-Änderung separiert werden.
Figur 37: Eine Darstellung einer mit einem Optikrechenprogramm simulierten
Intensitätsverteilung auf dem Detektor des Fokuslagensensors für ein Optik-System nach Figur 34, wobei nur die Strahlflecke genutzt werden, die von der ersten Selektionsvorrichtung erzeugt werden.
Figur 38: Eine Darstellung eines Schnitts durch die simulierte Intensitätsverteilung von Fig. 37.
Figur 39: Eine Darstellung zweier simulierter Intensitätsverteilungen für zwei
Zustände der Laseroptik, wobei im zweiten Zustand ein thermischer Fokus- Shift im Schutzglas simuliert wurde.
Figur 40: Eine Darstellung zweier simulierter Intensitätsverteilungen für zwei
Zustände der Laseroptik, wobei im zweiten Zustand ein thermischer Fokus- Shift in allen Elementen der Laseroptik simuliert wurde. Figur 41 : Eine Darstellung einer mit einem Optikrechenprogramm simulierten
Intensitätsverteilung auf dem Detektor des Fokuslagensensors für ein Optik-System nach Figur 34, wobei Strahlflecke von der ersten und von der zweiten Selektionsvorrichtung erzeugt werden.
Figur 42: Eine Darstellung von Schnitten durch die simulierte Intensitätsverteilung von Fig. 41 für zwei Zustände der Laseroptik, wobei im zweiten Zustand ein thermischer Fokus-Shift im Schutzglas simuliert wurde. Durch Bestimmung der Abstände von Strahlfleck-Paaren, die jeweils vom gleichen Messstrahl erzeugt werden, kann die Auswertung verbessert werden.
Figur 43: Eine Darstellung zur Erläuterung der Bestimmung der lateralen Positionen der Strahlflecke. Im gezeigten Beispiel wird zur Bestimmung der Strahlfleck- Positionen an jeden Strahlfleck eine Soll-Intentensitätsverteilung an die registrierte Intensitätsverteilung angepasst.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG ANHAND DER FIGUREN
In Figur 1 ist eine erste, grundlegende Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Die Figur zeigt einen Fokuslagensensor. Der Fokuslagensensor beinhaltet eine Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 mit einer ersten Selektionsvorrichtung 11 und mit einer Abbildungseinrichtung 16, eine Detektoreinheit 20 mit einem zumindest eindimensional ortsauflösenden lichtempfindlichen ersten Detektor 21 , wie
beispielsweise einen Zeilendetektor oder einen Kamera-Chip, und eine
Auswertungseinheit 25, die mit der Detektoreinheit 20 verbunden ist. Die
Auswertungseinheit 25 registriert die Signale von der Detektoreinheit 20 und wertet sie aus. Die Detektoreinheit 20 ist hinter der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 mit einem Abstand z0s zur Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 angeordnet. Es ist vorgesehen, einen Messstrahl 40 entlang der Optischen Achse 39 in Richtung auf die Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung 10 einzustrahlen. Der Messstrahl 40 kann beispielsweise einen Zwischenfokus 80 auf der Optischen Achse 39 aufweisen; der Messstrahl 40 kann aber auch kollimiert oder divergent oder konvergent sein. Durch die erste
Selektionsvorrichtung 11 der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 wird aus dem
Messstrahl 40 ein erster Teilstrahl 41 ausgeschnitten. Mittels einem abbildenden optischen Element 17, welches Bestandteil der Abbildungseinrichtung 16 ist, beispielsweise einer optischen Linse, wird der erste Teilstrahl 41 auf die Detektoreinheit 20 abgebildet und bildet dort einen ersten Strahlfleck 45. Die erste
Selektionsvorrichtung 11 ist zur Optischen Achse 39 außermittig angeordnet. Der Mittelpunkt der ersten Selektionsvorrichtung 11 hat einen lateralen oder radialen Abstand zur Optischen Achse 39. Die Selektionsvorrichtung 11 und damit der erste Teil-Aperturbereich hat eine Breite di in radialer Richtung. Die erste
Selektionsvorrichtung 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Berandung des abbildenden optischen Elements 17 ausgebildet. Außerhalb der ersten
Selektionsvorrichtung 11 kann in diesem Ausführungsbeispiel Strahlung des
Messstrahls 40 an der Selektionsvorrichtung 11 vorbei auf die Detektoreinheit 20 gelangen. Ein dadurch erzeugter Signal-Untergrund ist so gering, dass er
vernachlässigbar ist und die Auswertung der Detektor-Signale nicht stört. Die
Auswertungseinheit 25 ist dazu eingerichtet, aus der vom Detektor 21 der
Detektoreinheit 20 registrierten Intensitätsverteilung eine laterale Position ai des ersten Strahlflecks 45 zu bestimmen. Die laterale Position ai des ersten Strahlflecks 45 ist unter anderem abhängig von der axialen Lage des Zwischenfokus 80 des Messstrahls 40. Die laterale Position ai ist somit ein relatives Maß für die Fokuslage des
Messstrahls 40.
Figur 2 zeigt die gleiche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Fokuslagensensors wie Figur 1. In Figur 2 sind zusätzlich geänderte Strahlen dargestellt, die beispielsweise durch eine axiale Verschiebung des Fokus oder des Zwischenfokus des Messstrahls 40 entstanden sind. Die Elemente der mit einem Strich versehenen Bezugszeichen beziehen sich dabei auf die geänderten Strahlen und Größen. Auf diese Weise wird der Zusammenhang zwischen der axialen Lage des Zwischenfokus 80 des Messstrahls 40 und der lateralen Position ai des ersten
Strahlflecks 45 veranschaulicht. Dazu ist in Figur 2a beispielhaft zusätzlich zum ursprünglichen Messstrahl 40 ein verschobener Messstrahl 40’ eingezeichnet, dessen Zwischenfokus-Lage 80’ um einen kleinen Betrag weiter weg von der Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung 10 liegt. Dadurch hat der Hauptstrahl des verschobenen ersten Teilstrahls 41’ einen geänderten Winkel zur Optischen Achse 39. Somit ändert sich auch die laterale Position a' des ersten Strahlflecks 45’ auf der Detektoreinheit 20. Im gezeigten Beispiel mit dem weiter entfernten Zwischenfokus 80’ wird verschiebt sich die laterale Position des Strahlflecks näher zur Optischen Achse 39. Die Vorrichtung ist somit in der Lage, Änderungen, beispielsweise zeitliche Änderungen, der Fokuslage des Mess-Strahls 40 genau zu verfolgen.
In Figur 3 ist eine zweite, grundlegende Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Der Fokuslagensensor unterscheidet sich von der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform in der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10, die hier eine zusätzliche Blendeneinrichtung 15 umfasst. Die Blendeneinrichtung 15 weist eine erste Öffnung auf. Dadurch ist hier die erste Selektionsvorrichtung 11 durch die erste Öffnung der Blendeneinrichtung 15 gebildet. Die übrigen Elemente unterscheiden sich nicht von der ersten Ausführungsform, so dass dazu auf die Beschreibung von Figur 1 und 2 verwiesen wird. Durch die Aufteilung der Funktion der Abbildungseinrichtung 16 und der Selektionsvorrichtung 11 in zwei getrennte Elemente können größere Freiheiten bei der konstruktiven Gestaltung genutzt werden. Außerdem wird bei dieser Ausführungsform die Strahlung des Messstrahls 40 außerhalb der ersten Selektionsvorrichtung 11 durch die Blendeneinrichtung 15 blockiert und gelangt dadurch nicht zur Detektoreinheit 20, wodurch ein etwaiger Störstrahlungs-Untergrund verringert werden kann.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Fokuslagensensors, die weitgehend identisch ist mit der zweiten Ausführungsform von Figur 3. Das abbildende optische Element 17 der Abbildungseinrichtung 16, beispielsweise eine optische Linse, ist hier größer ausgeführt und zur optischen Achse 39 zentriert angeordnet. Dadurch wird auch der Strahlfleck 45 auf die optische Achse 39 abgebildet, so dass die Detektoreinheit 20 bzw. der erste Detektor 21 auch zentriert zur optischen Achse 30 angeordnet werden kann.
Figur 5 zeigt eine Aufsicht auf die Detektoreinheit 20 des Fokuslagensensors, beispielsweise gemäß den Figuren 1 bis 4. Die Darstellung veranschaulicht den
Strahlfleck 45 sowie den verschobenen Strahlfleck 45’ auf dem ersten Detektor 21 der Detektoreinheit 20 und die entsprechende Änderung der lateralen Position ai des ersten Strahlflecks 45 zur geänderten lateralen Position a des verschobenen ersten
Strahlflecks 45'. In Figur 6 ist eine mögliche Ausführung der Detektoreinheit 20 mit einem
eindimensional ortsauflösenden Zeilensensor als ersten Detektor 21 dargestellt. Die Orientierung des Zeilensensors ist auf die radiale Richtung ausgerichtet, die durch den radialen Abstand des Mittelpunktes der Selektionsvorrichtung 11 zur optischen Achse
39 definiert ist.
In Figur 7 ist eine weitere mögliche Ausführung der Detektoreinheit 20 mit einem zweidimensional ortsauflösenden Sensor als ersten Detektor 21 dargestellt. Das kann beispielsweise eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera oder ein sonstiger lichtempfindlicher, pixelbasierter Sensor sein.
Figur 8 zeigt einen erfindungsgemäßen Fokuslagensensor in einer vierten
Ausführungsform. Der Fokuslagensensor umfasst eine Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10, eine Detektoreinheit 20 und eine Auswertungseinheit 25. Die Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung 10 beinhaltet hier eine erste Selektionsvorrichtung 11 , eine zweite Selektionsvorrichtung 12, und eine Abbildungseinrichtung 16 mit einem
abbildenden optischen Element 17 und einem weiteren abbildenden optischen Element 18. Die Detektoreinheit 20 beinhaltet hier einen ersten Detektor 21 und einen zweiten Detektor 22. Die Detektoren 21 , 22 sind zumindest eindimensional ortsauflösende lichtempfindliche Detektoren, wie beispielsweise Zeilendetektoren oder Kamera-Chips. Die Auswertungseinheit 25 ist mit der Detektoreinheit 20 verbunden. Die
Auswertungseinheit 25 registriert hier die Signale vom ersten Detektor 21 und vom zweiten Detektor 22 und wertet sie aus. Die Detektoreinheit 20 ist hinter der Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung 10 mit einem Abstand z0s zur Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 angeordnet. Es ist vorgesehen, einen Messstrahl 40 entlang der Optischen Achse 39 in Richtung auf die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 einzustrahlen. Der Messstrahl
40 kann beispielsweise einen Zwischenfokus 80 auf der Optischen Achse 39 aufweisen. Die erste Selektionsvorrichtung 11 ist hier ausgebildet durch die Berandung des abbildenden optischen Elements 17, und die zweite Selektionsvorrichtung 12 ist ausgebildet durch die Berandung des abbildenden optischen Elements 18. Mittels der ersten Selektionsvorrichtung 1 1 wird ein erster Teil-Aperturbereich aus dem Messstrahl 40 ausgewählt, und mit der zweiten Selektionsvorrichtung 12 wird ein zweiter Teil- Aperturbereich aus dem Messstrahl 40 ausgewählt. Die beiden Teil-Aperturbereiche grenzen nicht aneinander an, sondern sind zueinander radial beabstandet. Die
Mittelpunkte der Selektionsvorrichtungen 11 , 12 haben jeweils einen lateralen oder radialen Abstand r-i, r2 zur Optischen Achse 39. Die Selektionsvorrichtungen 11 , 12 und somit auch die ausgewählten Teil-Aperturbereiche haben jeweils eine Breite di, d2 in radialer Richtung. Aus dem Messstrahl 40 wird durch Auswahl des ersten Teil- Aperturbereichs mittels der ersten Selektionsvorrichtung 11 ein erster Teilstrahl 41 und durch Auswahl des zweiten Teil-Aperturbereichs mittels der zweiten
Selektionsvorrichtung 12 ein zweiter Teilstrahl 42 erzeugt. Der beiden Teilstrahlen 41 , 42 werden mittels der Abbildungseinrichtung 16 auf die Detektoreinheit 20 abgebildet. Die Abbildungseinrichtung 16 umfasst dazu in diesem Ausführungsbeispiel ein abbildendes optisches Element 17 und ein weiteres abbildendes optisches Element 18, die hier beide als Sammellinsen ausgebildet sind und als Teilapertur-Linsen die
Strahlung jeweils eines der ausgewählten Teil-Aperturbereiche fokussieren. Durch die Abbildung mittels der Linse 17 wird der erste Teilstrahl 41 auf den ersten Detektor 21 abgebildet und formt dort einen ersten Strahlfleck 45, analog dazu wird durch Abbildung mittels der Linse 18 der zweite Teilstrahl 42 auf den zweiten Detektor 22 abgebildet und formt dort einen zweiten Strahlfleck 46. Die Verwendung von zwei Detektoren 21 , 22 ist nicht erforderlich, es kann auch nur ein erster Detektor 21 zum Einsatz kommen, wenn der Detektor 21 ausreichend groß ist oder wenn die Strahlflecke 45, 46 auf dem
Detektor einen ausreichend geringen Abstand as zueinander haben. Die
Auswertungseinheit 25 ist dazu eingerichtet, aus der von den Detektoren 21 , 22 der Detektoreinheit 20 registrierten Intensitätsverteilungen die laterale Position ai des ersten Strahlflecks 45 und die laterale Position a2 des zweiten Strahlflecks 46 zu bestimmen. Die Auswertungseinheit kann weiterhin dazu eingerichtet sein, den Abstand as zwischen der lateralen Position ai des ersten Strahlflecks 45 und der lateralen Position a2 des zweiten Strahlflecks 46 zu bestimmen. In der Figur 8 sind zusätzlich geänderte Strahlen dargestellt, die beispielsweise durch eine axiale Verschiebung des Messstrahls 40 entstanden sind. Die Elemente der mit einem Strich versehenen
Bezugszeichen beziehen sich dabei auf die entsprechenden geänderten Strahlen und Größen. Der verschobene Messstrahl 40' hat in diesem Beispiel einen Zwischenfokus 80', der um einen kleinen Betrag weiter weg von der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 liegt. Die von den Selektioneinrichtungen 11 , 12 aus dem verschobenen Messstrahl 40' erzeugten Teilstrahlen 4T, 42' weisen dadurch einen geänderten, kleineren Winkel zur optischen Achse 39 auf, so dass die lateralen Positionen a , a2' der Strahlflecke 45’, 46’ auf der Detektoreinheit 20 näher an die optische Achse 39 verschoben sind und somit der Abstand as' zwischen der lateralen Position a des verschobenen ersten Strahlflecks 45' und der lateralen Position a2' des verschobenen zweiten Strahlflecks 46' gegenüber dem Abstand as verringert ist. Durch die Bestimmung des Abstandes as, as' zwischen den Strahlflecken anstatt oder zusätzlich zu der Bestimmung der einzelnen lateralen Positionen der Strahlflecke ist die Empfindlichkeit des Fokuslagensensors zur Bestimmung von Fokuslagen-Änderungen des Messstrahls 40 erhöht, da sich die Strahlfleck-Positionen gegenläufig verschieben und somit die Änderung des Abstandes doppelt so groß ist wie die Änderung der einzelnen Positionen.
In Figur 9 ist eine fünfte Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Der gezeigte Fokuslagensensor unterscheidet sich von der in Figur 8 dargestellten vierten Ausführungsform in der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10, die hier eine zusätzliche Blendeneinrichtung 15 umfasst. Die Blendeneinrichtung 15 weist eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung auf. Die erste Selektionsvorrichtung 1 1 ist durch die erste Öffnung der Blendeneinrichtung 15 ausgebildet und die zweite Selektionsvorrichtung 12 ist durch die zweite Öffnung der Blendeneinrichtung 15 ausgebildet. Die übrigen
Elemente unterscheiden sich nicht von der vierten Ausführungsform, so dass dazu auf die Beschreibung von Figur 8 verwiesen wird. Die Aufteilung der Funktion der
Abbildungseinrichtung 16 und der Selektionsvorrichtungen 11 , 12 in getrennte
Elemente kann vorteilhaft sein für die konstruktive Gestaltung und für die Reduktion eines eventuellen Störstrahlungs-Untergrundes.
Figur 10 zeigt eine Aufsicht auf die Detektoreinheit 20 des Fokuslagensensors, beispielsweise gemäß den Figuren 8 und 9. Die Darstellung veranschaulicht die
Strahlflecke 45 und 46 sowie die verschobenen Strahlflecke 45’ und 46' auf den
Detektoren 21 , 22 der Detektoreinheit 20 und die entsprechenden Positionen ai und a2 bzw. die geänderten Positionen a und a2', sowie die Abstände zwischen den
Strahlflecken as, as'.
In Figur 11 ist eine Aufsicht auf eine Detektoreinheit 20 des Fokuslagensensors dargestellt, die ebenfalls in den Ausführungsformen des Fokuslagensensors mit zwei Selektionsvorrichtungen 11 , 12 gemäß Fig. 8 und 9 zum Einsatz kommen kann, wenn der Detektor ausreichend groß ist oder wenn die Strahlflecke 45, 46 auf dem Detektor einen ausreichend geringen Abstand as zueinander haben. Die Detektoreinheit 20 benötigt dann nur einen Detektor 21 , auf den alle Strahlflecke 45, 46 abgebildet werden. Die Lage der Strahlflecke sowie der geänderten Strahlflecke zueinander entspricht ansonsten der Darstellung in Figur 10.
Die Figuren 12 bis 19 zeigen weitere Varianten und mögliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Fokuslagensensors und/oder spezielle Aspekte von Ausführungen, die vorteilhaft sein können und in weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen auch miteinander kombiniert sein können. Es werden daher nur die Besonderheiten oder Änderungen der jeweiligen Ausführungsform diskutiert und ansonsten auf die
Erläuterungen der vorherigen Ausführungsformen verwiesen.
So zeigt Figur 12 einen Fokuslagensensor, dessen Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 zwei Selektionsvorrichtungen 1 1 und 12 umfasst, die durch eine Blendeneinrichtung 15 ausgebildet sind. Die Abbildungsvorrichtung 16 beinhaltet hier nur ein einzelnes abbildendes optisches Element 17, welches so groß ausgeführt ist, dass es sich lateral bzw. radial über beide ausgewählten Teil-Aperturbereiche erstreckt und somit beide Teilstrahlen 41 und 42 vom selben abbildenden optischen Element 17 auf die
Detektoreinheit 20 abgebildet werden. Ohne zusätzliche Maßnahmen würden dann beide Teilstrahlen 41 , 42 auf die optische Achse abgebildet werden, so dass die Strahlflecke 45 und 46 übereinander zu liegen kämen. Deshalb umfasst die Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung 10 hier zusätzlich eine Strahlseparatoreinrichtung 30, mittels der die Teilstrahlen 41 und 42 und damit auch Strahlflecke 45 und 46 seitlich verschoben werden, um sie räumlich voneinander zu trennen. Im gezeigten Beispiel umfasst die Strahlseparatoreinrichtung 30 eine Planplattenanordnung mit den Planplatten 31 und 32, die um einen definierten oder auch einstellbaren Winkel schräggestellt sind und somit einen seitlichen Strahlversatz bewirken. Auf diese Weise können alle
wesentlichen Funktionselemente, insbesondere die Selektionsvorrichtungen, die Abbildungseinrichtung, und die Detektoreinheit, sowie die maßgeblichen geometrischen Größen, unabhängig voneinander konfiguriert werden.
Der in Figur 13 gezeigte Fokuslagensensor entspricht fast genau der in Figur 12 dargestellten Ausführungsform, wobei hier die Strahlseparatoreinrichtung 30 nur eine Planplatte 31 umfasst, welche nur auf einen Teilstrahl wirkt und diesen seitlich versetzt.
Der in Figur 14 gezeigte Fokuslagensensor entspricht ebenfalls weitgehend der in Figur 12 dargestellten Ausführungsform. Die Strahlseparatoreinrichtung 30 umfasst hier eine Keilplattenanordnung 33, 34. Dadurch wird jeder Teilstrahl 41 und 42 von jeweils einer Keilplatte 33, 34 um einen definierten Winkel abgelenkt, so dass die Strahlflecke 45 und 46 auf der Detektoreinheit seitlich versetzt werden.
Eine weitere, gut konfigurierbare Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Fokuslagensensors zeigt Figur 15. Die Abbildungseinrichtung 16 umfasst hier zumindest drei abbildende optische Elemente 17, 18, 19, die alle als Sammellinse ausgeführt sind. Davon erstreckt sich die Linse 17 seitlich über beide
Selektionsvorrichtungen 11 und 12 bzw. über beide ausgewählten Teil-Aperturbereiche und wirkt somit fokussierend auf die die Teilstrahlen 41 und 42. Im Vergleich zu den Ausführungsformen der Figuren 12, 13 oder 14 ist die Brechkraft der Linse 17 geringer gewählt, bzw. die Brennweite der Linse 17 ist größer gewählt. Daher würde die Linse 17 allein die Teilstrahlen 41 und 42 auf eine Ebene fokussieren, die hinter der
Detektoreinheit liegt. Daher befindet sich in jedem Strahlengang der Teilstrahlen 41 und 42 jeweils eine weitere Linse 18, 19, so dass die Teilstrahlen 41 , 42 effektiv auf die Detektoreinheit 20 abgebildet werden. Da der Konvergenzpunkt oder
Überlagerungspunkt der Teilstrahlen 41 , 42 aber nur durch die Brennweite der Linse 17 bestimmt werden und daher hinter der Detektoreinheit 20 liegt, sind die von den
Teilstrahlen 41 , 42 gebildeten Strahlflecke 45, 46 auf der Detektoreinheit 20 räumlich voneinander getrennt. Die Abbildungseinrichtung 16 und die Strahlseparatoreinrichtung 30 bilden hier also eine funktionale Einheit.
Der in Figur 16 gezeigte Fokuslagensensor ist im Prinzip ähnlich aufgebaut wie der Fokuslagensensor von Figur 15. Hier bilden die Abbildungseinrichtung 16 und die Strahlseparatoreinrichtung 30 ebenfalls eine funktionale Einheit. Der erste Teilstrahl 41 wird mit einem abbildenden optischen Element 17 auf die Detektoreinheit 20 abgebildet, wobei das abbildende optische Element 17 als Keil-Linse ausgeführt ist. Durch die zusätzliche Keilwirkung wird der Teilstrahl 41 auf einen Punkt seitlich von der optischen Achse 39 fokussiert. Entsprechend wird der zweite Teilstrahl 42 mit einem als Keil-Linse ausgeführten, weiteren abbildenden optischen Element 18 auf die Detektoreinheit 20 abgebildet, wodurch die Strahlflecke 45, 46 auf dem Detektor 21 räumlich getrennt sind.
Figur 17 zeigt eine Möglichkeit, den Fokuslagensensor kompakter aufzubauen. Um eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Fokuslagen-Änderungen des Messstrahls 40 zu erreichen, ist ein großer Abstand z0s zwischen der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 und der Detektoreinheit 20 vorteilhaft, was einem kompakten Aufbau entgegensteht. Dazu ist in der in Figur 17 gezeigten Ausführungsform die Abbildungseinrichtung 16 mit einer zweiteiligen Abbildung aufgebaut, d.h. die Abbildungseinrichtung 16 umfasst wenigstens zwei hintereinander angeordnete optische Elemente 17a und 17b. Davon hat das in Strahlrichtung zuerst angeordnete Element 17a eine positive Brechkraft, und das zweite Element 17b hat eine negative Brechkraft. Zusammen bilden die Elemente 17a und 17b eine Abbildung in Tele-Bauweise, d.h. die Schnittweite ist kürzer als die effektive Gesamt-Brennweite. Auf diese Weise wird der Abstand z0s erheblich verkürzt, ohne die Empfindlichkeit des Fokuslagensensors zu verringern.
Figur 18 zeigt einen Fokuslagensensor ähnlich der Ausführungsform von Figur 14. Die Strahlseparatoreinrichtung 30 umfasst hier eine Spiegelanordnung 35, 36. Die einzelnen Teilstrahlen 41 und 42 werden von jeweils einem Spiegel 35, 36 um ca. 90° umgelenkt. Dabei weicht die genaue Winkelstellung der Spiegel 35 und 36 um einen definierten oder einstellbaren kleinen Betrag jeweils in unterschiedlicher Richtung von der 45°-Stellung ab, so dass die Strahlflecke 45 und 46 auf der Detektoreinheit 20 seitlich versetzt werden. Durch die Wahl der Anstellwinkel der Spiegel 35, 36 kann der Grundwert für den Strahlfleck-Abstand as auf einfache Weise eingestellt werden. Dies erlaubt eine einfache Anpassung der Vorrichtung an verschiedene Größen des
Detektors 21 oder an verschiedene Kamera-Module, die in der Detektoreinheit eingesetzt werden können.
In Figur 19 ist funktional betrachtet ein gleichwirkender Fokuslagensensor wie in Figur 18 dargestellt. Die Strahlseparatoreinrichtung 30 ist ebenfalls in Form einer Spiegel- Anordnung 35, 36 realisiert. Dadurch, dass die die Teilstrahlen 41 und 42 mittels der Spiegel 35, 36 aus der ursprünglichen Propagationsrichtung herausgelenkt werden, hat die Strahlseparatoreinrichtung 30 mit der Spiegelanordnung 35, 36 hier gleichzeitig die Funktion der Selektionsvorrichtungen 11 und 12. Die erste Selektionsvorrichtung 11 ist hier durch die Berandung des Spiegels 35 ausgebildet, und die zweite
Selektionsvorrichtung 12 ist durch die Berandung des Spiegels 36 ausgebildet. Auf eine Blendeneinrichtung 15 wie in der Figur 18 kann daher ohne funktionale
Einschränkungen verzichtet werden.
Figur 20 zeigt im Prinzip die gleiche Ausführungsform des Fokuslagensensors wie die Figur 15. Im Unterschied zur Figur 15 wird der Fokuslagensensor hier genutzt, um zwei verschiedene Mess-Strahlen gleichzeitig zu überwachen, d.h. die Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung 10 ist hier zum Empfang eines ersten Messstrahls 40 und eines zweiten Messstrahls 50 eingerichtet. Die Messstrahlen 40 und 50 sind auf der gleichen optischen Achse überlagert. Der zweite Messstrahl 50 weist eine andere Fokuslage oder Lage des Zwischenfokus 85 auf als der erste Mess-Strahl 40. Die
Selektionsvorrichtungen 11 und 12 der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 erzeugen aus dem ersten Messstrahl 40 den ersten Teilstrahl 41 und den zweiten Teilstrahl 42 und gleichzeitig aus dem zweiten Messstrahl 50 die Teilstrahlen 51 und 52. Die
Teilstrahlen 51 , 52 haben aufgrund der anderen axialen Zwischenfokus-Lage 85 des zweiten Messstrahls 50 einen anderen Winkel zur optischen Achse 39 als die
Teilstrahlen 41 und 42 aus dem ersten Messstrahl 40. Somit liegen die von den
Teilstrahlen 51 und 52 gebildeten Strahlflecke 55, 56 nach Abbildung durch die
Abbildungseinrichtung 16 mit der Linsen 17 und durch die Teilapertur-Linsen 18, 19 auf die Detektoreinheit 20 an anderen lateralen Positionen bi und b2 und weisen einen anderen Abstand bs auf als die lateralen Positionen a 1 und a2 und der Abstand as der Strahlflecke 45 und 46, die aus dem ersten Messstrahl 40 erzeugt sind. Da alle
Strahlflecke 45, 46, 55, 56 auf dem Sensor 20 räumlich getrennt sind, können alle Strahlflecke 45, 46, 55, 56 durch die Auswertungseinheit 25 identifiziert werden und die lateralen Positionen ai, a2, bi, b2 der Strahlflecke durch die Auswertungseinheit 25 bestimmt werden. Die jeweils zum selben Messstrahl gehörenden Strahlflecke sind zum einen die innen liegenden Strahlflecke und zum anderen die außen liegenden
Strahlflecke, so dass auch die jeweiligen Abstände as und bs von der
Auswertungseinheit 25 eindeutig ermittelt werden können.
In Figur 21 ist das zur Ausführungsform der Figur 20 gehörende Strahlfleck-Bild auf dem Detektor 21 in einer Aufsicht auf die Detektoreinheit 20 schematisch dargestellt.
Wenn die Strahlflecke auf dem Detektor, die aus verschiedenen Messstrahlen 40, 50 gebildet werden, sehr unterschiedliche Ausdehnungen aufweisen, kann auch die Intensität der Strahlflecke sehr unterschiedlich sein. Das kann sich ungünstig auf die Genauigkeit bei der Bestimmung der lateralen Position der Strahlflecke auswirken.
Es sind deshalb auch Ausführungsformen des Fokuslagensensors vorgesehen, bei denen die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 zusätzlich zu den
Selektionsvorrichtungen 11 , 12 weitere Selektionsvorrichtungen 13, 14 zur Erzeugung zusätzlicher Teilstrahlen 47, 48, 57, 58 aufweist. Figur 22 zeigt eine solche
Ausführungsform, und in Figur 23 ist das zugehörige Strahlfleck-Bild auf dem Detektor dargestellt. Um eine geeignete räumliche Trennung der Strahlflecke zu erreichen, die von den Teilstrahlen durch die weiteren Selektionsvorrichtungen 13, 14 erzeugt werden, sind die weiteren Selektionsvorrichtungen 13, 14 entlang einer anderen lateralen Richtung angeordnet. Beispielsweise sind die bereits beschriebenen Selektionsvorrichtungen 11 und 12 entlang der y-Koordinate in der Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung 10 angeordnet, während die weiteren Selektionsvorrichtungen 13 und 14 beispielsweise entlang der x-Koordinate in der Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung 10 angeordnet sind. In der Figur 22 ist der Fokuslagensensor in zwei entsprechenden Schnitten dargestellt. Während in der oberen Darstellung des y-z- Schnitts die Selektionsvorrichtungen 11 und 12 sowie die dahinter angeordneten Teilapertur-Linsen 18y und 19y in der Zeichen-Ebene liegen, sind die weiteren
Selektionsvorrichtungen 13 und 14 außerhalb der Zeichen-Ebene angeordnet. Die weiteren Selektionsvorrichtungen 13 und 14 sind entsprechend in der unteren
Darstellung des x-z-Schnitts der Figur 22 dargestellt. Die Mittelpunkte der
Selektionsvorrichtungen 13, 14 haben jeweils einen radialen Abstand r3, r4 zur
Optischen Achse 39. Die Selektionsvorrichtungen 13, 14 und somit auch die
entsprechenden ausgewählten Teil-Aperturbereiche haben jeweils eine Breite d3, d4 in radialer Richtung. Hinter den weiteren Selektionsvorrichtungen 13 und 14 sind weitere Teilapertur-Linsen 18x und 19x angeordnet. Die weiteren Teilapertur-Linsen 18x und 19x weisen eine andere Brennweite auf als die Teilapertur-Linsen 18y und 19y. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Brechkraft der Teilapertur-Linsen 18x und 19x größer als die Brechkraft der Teilapertur-Linsen 18y und 19y. Damit wird erreicht, dass die Teilstrahlen 53 und 54, die von den Selektionsvorrichtungen 13 und 14 aus dem zweiten Messstrahl 50 erzeugt werden, stärker, d.h. kürzer fokussiert werden als die Teilstrahlen 51 und 52 aus demselben Messstrahl 50. Beispielsweise ist die Brennweite der Teilapertur-Linsen 18x und 19x so gewählt, dass die Fokusse der Teilstrahlen 53 und 54 etwa in der Ebene der Detektoreinheit 20 erzeugt werden und somit die von den Teilstrahlen 53 und 54 gebildeten Strahlflecke 57 und 58 eine minimale Größe aufweisen. Somit können die lateralen Positionen b1x und b2x der Strahlflecke 57, 58 in der x-Koordinate mit der gleichen Genauigkeit bestimmt werden wie die lateralen Positionen aiy und a2y der Strahlflecke 45, 46 in der y-Koordinate. Entsprechend kann auch der Abstand bSx der Strahlflecke vom zweiten Messstrahl 50 entlang der x- Koordinate mit der gleichen Genauigkeit bestimmt werden, wie der Abstand aSyder Strahlflecke vom ersten Messstrahl 40 entlang der y-Koordinate.
In Figur 23 ist das zur Ausführungsform der Figur 22 gehörende Strahlfleck-Bild auf dem Detektor 21 in einer Aufsicht auf die Detektoreinheit 20 schematisch dargestellt. Der Fokuslagensensor kann auch so konfiguriert werden, dass er zwei einander überlagerte Messstrahlen 40 und 50 auswerten kann, deren Ursprungs-Fokuslagen oder Zwischenfokus-Lagen axial sehr weit auseinander liegen. Beispielsweise kann einer der beiden Messstrahlen auch kollimiert oder annähernd kollimiert sein. Eine dazu passende Konfiguration des Fokuslagensensors zeigt die Figur 24. Der
Fokuslagensensor ist identisch mit dem in Figur 20 gezeigten Fokuslagensensor.
Lediglich der Verlauf der Teilstrahlen 51 und 52, die aus dem zweiten Messstrahl 50 erzeugt werden, ist anders. Die Teilstrahlen 51 , 52 sind hier viel stärker geneigt aufgrund der Fokussierung durch die Abbildungseinrichtung 16, da der beispielhafte zweite Messstrahl 50 fast kollimiert bzw. nur gering divergent ist. Um alle Strahlflecke 45, 46, 55, 56 mit nicht zu großem Abstand zueinander auf einen einzelnen Detektor 21 zu bekommen, kann man das Überkreuzen der Teilstrahlen 51 und 52 zwischen der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 und der Detektoreinheit 20 ausnutzen.
Die Figur 25 zeigt einen Fokuslagensensor ähnlich der Ausführungsform von Figur 22. Hier ist der Fokuslagensensor angepasst auf die Überwachung von zwei sehr unterschiedlichen Messstrahlen 40 und 50. Der y-z-Schnitt ist hier gleich aufgebaut wie der y-z-Schnitt von Figur 22. Um für die Teilstrahlen beider Messstrahlen in den jeweiligen Koordinaten-Richtungen auch hier optimale Strahlfleck-Abmessungen auf der Detektoreinheit 20 zu erzeugen, haben die Teilapertur-Linsen 18x und 19x, die im x-z- Schnitt dargestellt sind, hier eine negative Brechkraft bzw. eine negative Brennweite, um die Fokusse der Teilstrahlen 53 und 54 so weit nach hinten zu verschieben, dass die Fokusse etwa in der Ebene der Detektoreinheit 20 liegen.
Figur 26 zeigt ein erfindungsgemäßes Optik-System mit einer Laseroptik 60 und mit einem Fokuslagensensor zur Überwachung von Fokuslagen-Änderungen der
Laseroptik 60. Die Laseroptik umfasst typischerweise eine Kollimator-Optik 62 und eine Fokussier-Optik 64. Zum Schutz der Fokussier-Optik 64 vor Rauch und Spritzern, die bei der Lasermaterialbearbeitung entstehen können, ist der Fokussier-Optik
nachfolgend üblicherweise ein wechselbares Schutzglas 66 angeordnet. Ein Laserstrahl 70 wird beispielsweise von einem Lichtleitfaserende 61 abgestrahlt und von der
Laseroptik 60 in einen Laserstrahl-Fokus 79 abgebildet. Zwischen der Kollimator-Optik 62 und der Fokussier-Optik 64 ist ein teilreflektierender Strahlteiler 63 angeordnet. Das kann beispielsweise eine Antireflex-beschichtete, schräggestellte Planplatte sein.
Aufgrund der Rest- Reflexion an dem Strahlteiler 63 wird ein Bruchteil des kollimierten Laserstrahls 70 seitlich ausgekoppelt. Der seitlich ausgekoppelte Strahl bildet den Messstrahl 40 für den Fokuslagensensor, der seitlich am Strahlteiler-Abgang der Laseroptik 60 angeordnet ist. Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 des
Fokuslagensensors ist bei dem hier dargestellten Optik-System beispielhaft ausgeführt wie im Fokuslagensensor gemäß Figur 15 oder 20. Es kann aber auch jede andere Ausführungsform des Fokuslagensensors eingesetzt werden. Die in der Figur fett gestrichelt eingezeichneten Pfeile illustrieren den Verlauf des Strahlengangs von der Laserstrahlquelle, hier dem Lichleitfaserende 61 , bis zum Messstrahl 40. Der
Messstrahl 40 wird hier also nur von der Kollimator-Optik 62 der Laseroptik 60 beeinflusst. In dieser Ausführungsform überwacht der Fokuslagensensor folglich Fokuslagen-Änderungen, die insbesondere von der Kollimator-Optik 62 verursacht werden, beispielsweise durch den leistungsinduzierten, thermischen Fokus-Shift der Kollimator-Optik 62.
Figur 27 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Optik-System mit einer Laseroptik 60 und mit einem Fokuslagensensor zur Überwachung von Fokuslagen-Änderungen der Laseroptik 60. Wie im Beispiel von Figur 26 umfasst die Laseroptik 60 typischerweise eine Kollimator-Optik 62, eine Fokussier-Optik 64 und ein Schutzglas 66. Der
Laserstrahl 70 wird vom Lichtleitfaserende 61 abgestrahlt und von der Laseroptik 60 in einen Laserstrahl-Fokus 79 abgebildet. Von der äußeren Grenzfläche 67 des
Schutzglases 66 der Laseroptik 60 wird ein Bruchteil des Laserstrahls 70 reflektiert, so dass ein teilreflektierter Strahl 71 erzeugt wird. Dabei ist es ausreichend, wenn dazu die Rest-Reflexion einer Reflexions-mindernden Vergütungsschicht ausgenutzt wird. Der teilreflektierte Strahl 71 propagiert koaxial entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls 70 in die Laseroptik 60 zurück und bildet einen Zwischenfokus 80 aus. Zwischen der Kollimator-Optik 62 und der Fokussier-Optik 64 ist ein teilreflektierender Strahlteiler 63 angeordnet. Das kann eine Antireflex-beschichtete, schräggestellte Planplatte sein. Aufgrund der Rest-Reflexion an dem Strahlteiler 63 wird der teilreflektierte Strahl 71 , bzw. ein Bruchteil davon, seitlich ausgekoppelt. Der seitlich ausgekoppelte Strahl bildet den Messstrahl 40 für den Fokuslagensensor, der seitlich am Strahlteiler-Abgang der Laseroptik 60 angeordnet ist. Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 des
Fokuslagensensors ist bei dem hier dargestellten Optik-System beispielhaft ausgeführt wie im Fokuslagensensor gemäß Figur 15 oder 20. Es kann aber auch jede andere Ausführungsform des Fokuslagensensors eingesetzt werden. Aufgrund der Teilreflexion an der letzten Grenzfläche 67 ist die Position des Zwischenfokus 80 mit der Position des Laserstrahl-Fokus 79 optisch gekoppelt, d.h. Änderungen der Fokuslage des Laserstrahl-Fokus 79 bewirken gleichzeitig eine Änderung der Fokuslage des
Zwischenfokus 80, dessen Position vom Fokuslagensensor überwacht wird. Auf diese Weise überwacht der Fokuslagensensor die axiale Position des Laserstrahl-Fokus 79.
Die in der Figur fett gestrichelt eingezeichneten Pfeile illustrieren den Verlauf des Strahlengangs von der Laserstrahlquelle, hier dem Lichleitfaserende 61 , bis zum Messstrahl 40. Der Messstrahl 40 wird hier also von allen Elementen der Laseroptik 60 beeinflusst, wobei ein Teil der Laseroptik, nämlich die Fokussieroptik 64 und das Schutzglas 66, hin und zurück, also doppelt durchlaufen wird. In dieser
Ausführungsform erfasst der Fokuslagensensor folglich Fokuslagen-Änderungen, die von allen Elementen der Laseroptik 60 verursacht werden. Somit werden vom
Fokuslagensensor alle Beiträge zum thermischen Fokus-Shift der Laseroptik 60, also von der Kollimator-Optik 62, vom Strahlteiler 63, von der Fokussier-Optik 64 und vom Schutzglas 66, registriert.
In Figur 28 ist die Erfassung einer Änderung der axialen Position des Laserstrahl-Fokus 79 der Laseroptik 60 durch den Fokuslagensensor schematisch dargestellt. Die
Laseroptik 60 und die Erzeugung des Messstrahls 40 ist identisch mit dem in Figur 27 dargestellte Optik-System. Der Fokuslagensensor ist hier beispielhaft dargestellt als Fokuslagensensor mit einer einfachen Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 mit lediglich einer Selektionsvorrichtung 11 , entsprechend einem Fokuslagensensor gemäß der Figur 1 oder 2. Es kann aber auch jede andere Ausführungsform des
Fokuslagensensors eingesetzt werden. Die beispielsweise durch einen thermischen Fokus-Shift geänderten Strahlen sind durch mit einem Strich versehenen
Bezugszeichen versehen. Durch einen thermischen Fokus-Shift wird die Brechkraft der optischen Elemente typischerweise größer, somit wird der fokussierte Laserstrahl 77 stärker fokussiert und die Position des Laserstrahl-Fokus 79 verschiebt sich näher zur Laseroptik 60 zum verschobenen Laserstrahl-Fokus 79'. Der von der Grenzfläche 67 des Schutzglases 66 teilreflektierte Strahl 71 wird folglich ebenfalls stärker fokussiert, dargestellt durch den teilreflektierten Strahl 7T, so dass sich die Lage des
Zwischenfokus 80 (verschobener Zwischenfokus 80') ebenfalls axial verschiebt. Im Fokuslagensensor ändert sich dadurch die laterale Position des Strahlflecks 45. Der verschobene Strahlfleck 45' liegt näher an der optischen Achse 39. Der verschobene Strahlfleck 45' ist außerdem vergrößert, da sich beim verschobenen Teilstrahl 4T auch die axiale Fokuslage geändert hat.
Figur 29 stellt die gleiche Situation dar wie die Figur 28, nur dass beispielhaft ein Fokuslagensensor mit einer anderen Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 eingesetzt ist, die hier zwei Selektionsvorrichtungen 11 , 12 verwendet. Der Fokuslagensensor kann daher Änderungen des Laserstrahl-Fokus 79, 79' nicht nur anhand der Änderungen der lateralen Positionen der Strahlflecke 45, 45', 46, 46' erfassen, sondern auch durch die Änderung des Abstandes as, as' zwischen den Strahlflecken 45 und 46 bzw. 45’ und 46’.
Weiterhin sind Ausführungsformen des Optik-Systems vorgesehen, bei denen die Position des Laserstrahl-Fokus 79 einer Laseroptik 60 aktiv nachführbar ist. Eine mögliche Ausführungsform ist in Figur 30 dargestellt. Die Laseroptik 60 weist eine axial bewegbare Linse oder Linsengruppe auf. Im gezeigten Beispiel ist das die Kollimator- Optik 62. Die bewegbare Linse ist mit einer Antriebseinheit gekoppelt, hier mit einer Translationseinrichtung 27, mittels der die Position der bewegbaren Linse eingestellt wird. Die Translationseinrichtung 27 wird beispielsweise von der Auswertungseinheit 25 in Abhängigkeit der ermittelten Änderung der lateralen Strahlfleck-Position oder des Strahlfleck-Abstandes as angesteuert. Zwischen der Auswertungseinheit 25 und der Translationseinrichtung 27 kann auch eine weitere Steuerungseinrichtung
zwischengeschaltet sein; das kann beispielsweise ein Regler oder eine übergeordnete programmierbare Steuerung sein.
Figur 31 zeigt eine Ausführungsform des Optik-Systems, bei der zusätzlich ein zweiter Fokuslagensensor auf der anderen Seite des Abgangs vom Strahlteiler 63 der
Laseroptik 60 angeordnet ist. Ansonsten entspricht das Optik-System der
Ausführungsform von Figur 30. Der zweite Fokuslagensensor umfasst eine weitere Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 210 und eine weitere Detektoreinheit 220. Die
Auswertungseinheit 25 des ersten Fokuslagensensors ist zusätzlich mit der
Detektoreinheit 220 des zweiten Fokuslagensensors verbunden und registriert dessen Signale. Der zweite Fokuslagensensor kann ansonsten einer beliebigen
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fokuslagensensors entsprechen. Der zweite Fokuslagensensor empfängt einen zweiten Messstrahl 50, der aus einer Teilreflexion des Laserstrahls 70 am Strahlteiler 63 gebildet ist. Dieser zweite Messstrahl 50 hat auf seinem Propagationsweg durch die Laseroptik nur die Kollimator-Optik 62 durchlaufen, so dass der zweite Messstrahl nur durch thermische Änderungen und/oder Änderungen der Position der Kollimator-Optik 62 beeinflusst wird. Demgegenüber hat der Messstrahl 40, der vom ersten Fokuslagen-Sensor empfangen wird, die Kollimator-Optik 62, den Strahlteiler 63, die Fokussier-Optik 64, das Schutzglas 66, sowie auf dem Rückweg ein zweites Mal das Schutzglas 66 und die Fokussier-Optik 64 auf seinem
Propagationsweg durch die Laseroptik 60 durchlaufen. Aus dem Vergleich der
Änderungen der lateralen Strahlfleck-Positionen oder des Strahlfleck-Abstands as von der Detektoreinheit 20 des ersten Fokuslagensensors mit den Änderungen der lateralen Strahlfleck-Positionen oder des Strahlfleck-Abstands bs von der Detektoreinheit 220 des des zweiten Fokuslagensensors kann die Auswertungseinheit 25 somit ermitteln, ob eine Änderung der Lage des Laserstrahl-Fokus 79 zurückzuführen ist auf eine thermische Linse im Bereich der Kollimator-Optik 62 oder auf thermische Linsen im Bereich von Fokussier-Optik 64 und Schutzglas 66. Diese Information bzw. diese Unterscheidung kann zu einer genaueren Nachführung der Fokuslage des Laserstrahl- Fokus 79 genutzt werden.
Die gleichen Informationen zur Nachführung des Laserstrahlfokus 79 wie bei der Ausführungsform nach Figur 31 können auch mit einem Optik-System mit nur einem Fokuslagensensor gewonnen werden. Eine entsprechende Ausführungsform des Optik- Systems zeigt die Figur 32. Hierbei wird ein vom Strahlteiler 63 aus dem Laserstrahl 70 teilreflektierter Strahl 88, der auf der anderen Seite des Strahlteilers 63 ausgekoppelt wird, mittels eines reflektierenden oder teilreflektierenden Elements 87, welches an dem Abgang gegenüber vom Fokuslagensensor angeordnet ist, zurückreflektiert,
transmittiert den Strahlteiler 63 und wird als zweiter Messstrahl 50 vom
Fokuslagensensor empfangen. Der Fokuslagensensor empfängt hier also die auf der gleichen optischen Achse 39 überlagerten Messstrahlen 40 und 50.
Eine weitere Ausführungsform eines Optik-Systems, bei der der Fokuslagensensor zwei Messstrahlen 40 und 50 empfängt, die jeweils unterschiedliche Wege in der Laseroptik 60 durchlaufen haben, ist in der Figur 33 dargestellt. Der Unterschied zur
Ausführungsform in Figur 32 ist, dass die Reflexion am teilreflektierenden Element 87 hier nicht an einer Planfläche stattfindet, sondern an einer beispielsweise konkav gekrümmten Fläche. Dadurch wird im zweiten Mess-Strahl 50 ein Zwischenfokus 85 erzeugt, dessen Position in die Nähe des Zwischenfokus 80 vom ersten Messstrahl 40 gelegt werden kann. Dadurch unterscheiden sich die Positionen und Abmessungen der Strahlflecke 45, 46, 55, 56, die von den beiden Messstrahlen 40 und 50 gebildet werden, nicht so stark voneinander, was die Konfiguration des Fokuslagensensors vereinfacht.
Bei den in den Figuren 32 und 33 gezeigten Ausführungsformen des Optik-Systems kann auch ein Fokuslagensensor eingesetzt werden, der für die Auswertung von zwei überlagerten Messstrahlen weiter verbessert ist, wie beispielsweise in den Figuren 22 und 25 dargestellt und erläutert ist.
Figur 34 zeigt, dass auch andere bzw. mehrere teilreflektierte Strahlen aus einer Laseroptik 60 als Messstrahlen für den Fokuslagensensor ausgekoppelt werden können. Prinzipiell können alle Grenzflächen der optischen Elemente im Fokussier- Bereich der Laseroptik 60 für die Erzeugung von teilreflektierten Strahlen genutzt werden. Von der letzten Grenzfläche 67 der Laseroptik 60 , das ist hier die Außenfläche des Schutzglases 66, wird ein erster teilreflektierter Strahl 71 erzeugt. Von der
Innenfläche des Schutzglases 66 wird ein zweiter teilreflektierter Strahl 72 erzeugt. Von der äußeren Grenzfläche der Fokussier-Optik 64, das ist hier eine Planfläche, wird ein dritter teilreflektierter Strahl 73 erzeugt. Schließlich wird von der inneren, gekrümmten Grenzfläche der Fokussier-Optik 64 ein vierter teilreflektierter Strahl 74 erzeugt. Die teilreflektierten Strahlen 71 , 72, 73, 74 haben im Allgemeinen unterschiedliche axiale (Zwischen-) Fokuslagen und können daher vom Fokuslagensensor getrennt
ausgewertet werden.
Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, insbesondere den ersten teilreflektierten Strahl 71 vom Schutzglas 66 sowie den dritten teilreflektierten Strahl 73 von der Planfläche der Fokussier-Optik 64 auszuwerten, wie dies in der Ausführungsform des Optik- Systems in Figur 35 gezeigt ist. Dadurch kann der Einfluss der thermischen Linse des Schutzglases 66 separiert werden. Dies ist vorteilhaft, da das Schutzglas 66 dem Lasermaterialbearbeitungsprozess ausgesetzt ist und durch Verschmutzungen (Rauch, Spritzer, Gase) die Absorption des Schutzglases 66 und damit die vom Schutzglas 66 verursachte thermische Linse mit der Zeit stark zunehmen kann. Dies kann dann vom Fokuslagensensor erkannt werden und nicht nur zur Nachregelung des Laserstrahl- Fokus 79 genutzt werden, sondern auch um ein Signal für die Empfehlung eines Schutzglas-Wechsels bereitzustellen. Diese Ausführungsform kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn ein sehr dünnes Schutzglas 66 verwendet wird und daher die von den beiden Grenzflächen des Schutzglases 66 teilreflektierten Strahlen 71 und 72 zu Strahlflecken auf der Detektoreinheit 20 führen, die so dicht beieinander liegen, dass diese teilweise überlagern und nicht auf einfache Weise getrennt ausgewertet werden können. Dann können die teilweise überlagerten Strahlflecke als ein kombinierter Strahlfleck aufgefasst werden und die laterale Position des kombinierten Strahlflecks bestimmt werden. Mit den zusätzlich ausgewerteten Strahlflecken, die vom
teilreflektierten Strahl 73 der Fokussier-Optik-Grenzfläche erzeugt werden, steht dann trotzdem eine Information zur Verfügung, die nicht von der thermischen Linse des Schutzglases 66 beeinflusst wird, so dass die thermische Linse des Schutzglases in der Auswertung separiert werden kann.
Wenn das Schutzglas 66 eine ausreichende Dicke aufweist, dann kann eine
Ausführungsform des Optik-Systems wie in Figur 36 vorteilhaft zum Einsatz kommen. Die Ausführungsform ist identisch mit der in Figur 35 gezeigten Ausführungsform und unterscheidet sich lediglich darin, welche teilreflektierten Strahlen vom
Fokuslagensensor ausgewertet werden. Hier werden insbesondere die teilreflektierten Strahlen 71 und 72, genutzt, die von der äußeren Grenzfläche 67 des Schutzglases und von der inneren Grenzfläche des Schutzglases 66 erzeugt werden. Da der von der inneren Grenzfläche des Schutzglases 66 teilreflektierte Strahl 72 nicht das Schutzglas 66 durchläuft, steht eine Information zur Verfügung, die nicht von der thermischen Linse des Schutzglases 66 beeinflusst wird, so dass die thermische Linse des Schutzglases 66 in der Auswertung separiert werden kann. Zur Abbildung von räumlich getrennten Strahlflecken auf der Detektoreinheit 20 ist bereits eine Dicke des Schutzglases von wenigen Millimetern ausreichend, z.B. eine Dicke von wenigstens 3 mm.
Figur 37 zeigt eine Darstellung einer mit einem Optikrechenprogramm simulierten Intensitätsverteilung auf dem Detektor 21 des Fokuslagensensors für ein Optik-System nach Figur 34. Dabei hat die Kollimator-Optik 62 eine Brennweite von 100 mm und die Fokussier-Optik eine Brennweite von 150 mm. Das Schutzglas wurde mit einer Dicke von 4 mm simuliert. Beim Fokuslagensensor wurden nur die Strahlflecke genutzt bzw. dargestellt, die von der ersten Selektionsvorrichtung 11 erzeugt werden. Beim
Fokuslagensensor wurde ein Abstand z0s zwischen der Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung 10 und der Detektoreinheit 20 von z0s ca. 200 mm simuliert. Die Simulation zeigt drei deutliche Strahlflecke mit unterschiedlicher Intensität, unterschiedlicher Größe, und unterschiedlicher Position auf dem Detektor. Der intensivste und kleinste Strahlfleck 45 mit der lateralen Position a, gehört zum
teilreflektierten Strahl 71 , der von der äußeren Grenzfläche 67 des Schutzglases 66 erzeugt wird. Der Strahlfleck 55 mit mittlerer Intensität und Größe mit der lateralen Position bi gehört zum teilreflektierten Strahl 72, der von der inneren Grenzfläche des Schutzglases 66 erzeugt wird. Schließlich ist noch ein dritter Strahlfleck mit der lateralen Position Ci erkennbar, der eine geringe Intensität aufweist und im Vergleich sehr groß ist. Dieser Strahlfleck gehört zum teilreflektierten Strahl 73, der von der planen Grenzfläche der Fokussier-Optik 64 erzeugt wird.
In Figur 38 ist ein Schnitt durch die simulierte Intensitätsverteilung von Fig. 37 dargestellt.
Figur 39 zeigt eine Darstellung zweier simulierter Intensitätsverteilungen für zwei Zustände der Laseroptik 60. Die Intensitätsverteilung des Zustandes 1 , mit einer durchgezogenen Kurve dargestellt, entspricht der Laseroptik 60 ohne thermischen Fokus-Shift. Die Intensitätsverteilung des Zustandes 2, mit einer gestrichelten Kurve dargestellt, entspricht der Laseroptik 60, wobei nur im Schutzglas 66 ein Fokus-Shift simuliert wurde. Der simulierte Fokus-Shift im Schutzglas führt zu einer axialen
Verschiebung des Laserstrahl-Fokus 79 um ca. 1 mm. In der Intensitätsverteilung des Zustandes 2 ist erwartungsgemäß erkennbar, dass die zur äußeren Grenzfläche gehörende Strahlfleck-Position a deutlich gegenüber der ursprünglichen Position ai des Zustandes 1 lateral verschoben ist, während die übrigen Strahlfleck-Positionen unverändert sind. Das ist zu erwarten, da die teilreflektierten Strahlen 72 und 73 von der inneren Grenzfläche des Schutzglases 66 und von der Planfläche der Fokussier-Optik 64 kein Element mit einem Fokus-Shift durchlaufen haben.
Figur 40 zeigt eine weitere Darstellung zweier simulierter Intensitätsverteilungen für zwei Zustände der Laseroptik 60. Die Intensitätsverteilung des Zustandes 1 , mit einer durchgezogenen Kurve dargestellt, entspricht der Laseroptik 60 ohne thermischen Fokus-Shift (wie in Figur 39). Die Intensitätsverteilung des Zustandes 3, mit einer gestrichelten Kurve dargestellt, entspricht der Laseroptik 60, wobei in allen Elementen der Laseroptik 60, d.h. in der Kollimator-Optik 62, im Strahlteiler 63, in der Fokussier- Optik 64, und im Schutzglas 66 jeweils ein geringer Fokus-Shift simuliert wurde. Die einzelnen Fokus-Shift-Beiträge wurden für die Simulation so gewählt, dass der gesamte Fokus-Shift der Laseroptik 60 zu einer axialen Verschiebung des Laserstrahl-Fokus 79 um ca. 1 mm führt. Vergleicht man nun die beiden Intensitätsverteilungen miteinander, so ist erkennbar, dass sich alle drei lateralen Positionen der drei Strahlflecke um unterschiedlich große Beträge verschoben haben. Das ist ebenfalls erwartungsgemäß, da alle teilreflektierten Strahlen 71 , 72, und 73 jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Fokus-Shift-Beiträgen durchlaufen haben.
Weiterhin zeigen die Auswertungen der Strahlfleck-Positionen der simulierten Zustände 2 und 3 aus den Figuren 39 und 40, dass aus den unterschiedlich großen lateralen Verschiebungen der multiplen Rückreflexe genaue Rückschlüsse gezogen werden können sowohl über die Größe der axialen Verschiebung des Laserstrahl-Fokus 79 als auch über die Ursache des Fokus-Shifts, d.h. welche Elemente wie große Beiträge zum Fokus-Shift liefern. Das ermöglicht sowohl eine genaue Nachführung des Laserstrahl- Fokus 79, als auch eine Erkennung eines übermäßig verschmutzten Schutzglases.
Figur 41 zeigt im Prinzip die gleiche Simulation wie die Figur 37, nur dass hier der Fokuslagensensor mit einer Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 ausgerüstet ist, die zwei Selektionsvorrichtungen 1 1 , 12 umfasst. Dadurch entstehen auf dem Detektor zusätzlich zu den Strahlflecken 45 und 55 spiegelbildlich dazu die Strahlflecken 46 und 56. Die Auswertung kann sich daher in diesem Fall nicht nur auf die Strahlfleck- Positionen ai und bi stützen, sondern zusätzlich auch auf die Strahlfleck-Positionen a2 und b2. Zusätzlich oder alternativ können auch die Strahlfleck-Abstände as und bs ausgewertet werden.
Figur 42 zeigt den Intensitätsverlauf im Schnitt der simulierten Intensitätsverteilung von Figur 41. Die gestrichelte Kurve von Zustand 2 zeigt wie auch in Figur 39 mit der Simulation eines thermischen Fokus-Shifts nur im Schutzglas 66. Folglich ändert sich von Zustand 1 zu Zustand 2 nur der Strahlfleck-Abstand as, as\ während der
Strahlfleck-Abstand bs, bs' unverändert bleibt.
In Figur 43 ist zur Erläuterung einer der möglichen Methoden zur Bestimmung der Strahlfleck-Positionen ein Ausschnitt aus einer simulierten Intensitätsverteilung auf dem Detektor dargestellt. Eine der möglichen Methoden besteht darin, eine Soll- Intensitätsverteilung an die registrierte Intensitätsverteilung anzufitten. Die Strahlfleck- Position ergibt sich dann aus dem Mittelpunkt der Fit-Verteilung. In Figur 43 ist mit der gestrichelten Kurve ein optimaler Fit an die Strahlfleck-Verteilung mit der Position bi dargestellt. Die gestrichelte Fit-Funktion ist in diesem Beispiel eine Gauß-Verteilung. Die andere dargestellte Verteilung mit der durchgezogenen Kurve ist eine optimale Anpassung an die Strahlfleck-Verteilung mit der Position ai. Bei der durchgezogenen Kurve wurde eine Gauß-Verteilung mit einem höheren Exponenten, eine sogenannte Super-Gauß-Verteilung, verwendet. Mittels der hier gezeigten Positions-Bestimmung durch Anpassung von Fit-Funktionen ist in gewissen Grenzen sogar eine Auswertung von Strahlflecken möglich, die nicht vollständig räumlich voneinander getrennt sind, sondern sich teilweise überlappen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es existiert ein Bedarf für einen verbesserten Fokussensor, welcher in der Lage ist, auch mehrfach überlagerte Lichtstrahlen oder Rückreflexe auszuwerten. Es existiert weiterhin ein Bedarf für verbesserte Systeme zur Fokuslagen-Kontrolle und zur
Nachführung des Laserstrahlfokus bei Laseroptiken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur Fokuslagen-Kontrolle mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen.
Dazu wird eine Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung eines Lichtstrahl-Zustandes vorgeschlagen, insbesondere zur Bestimmung einer Fokuslage des Lichtstrahls. Die Strahlanalysevorrichtung umfasst eine Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10, eine
Detektoreinheit 20, sowie eine Auswertungseinheit 25.
Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 ist zum Empfang wenigstens eines ersten Messstrahls 40 eingerichtet, der entlang einer optischen Achse 39 eingestrahlt wird. Der Messstrahl 40 kann der Lichtstrahl selbst sein oder kann ein Strahl sein, der in einer erweiterten Vorrichtung aus einem Lichtstrahl oder einem Laserstrahl ausgekoppelt wird. Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 umfasst wenigstens eine erste
Selektionsvorrichtung 11 , mittels der aus dem ersten Messstrahl 40 ein erster Teil- Aperturbereich ausgeschnitten wird. Durch Propagation der Strahlung des
ausgeschnittenen ersten Teil-Aperturbereichs wird der erste Teilstrahl 41 gebildet. Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Abbildungseinrichtung 16 mit wenigstens einem abbildenden optischen Element 17. Mittels der
Abbildungseinrichtung 16 wird der erste Teilstrahl 41 auf die Detektoreinheit 20 abgebildet. Durch die Abbildung des ersten Teilstrahls 41 auf die Detektoreinheit 20 wird ein Strahlfleck 45 auf der Detektoreinheit 20 erzeugt. Der Strahlfleck 45 kann ein Fokus des Teilstrahls 41 sein oder ein Strahlquerschnitt des Teilstrahls 41 in der Umgebung einer Strahltaille des Teilstrahls 41. In jedem Fall ist die Breite des
Strahlflecks 45 wesentlich kleiner als die Breite des ersten Teil-Aperturbereichs.
Die Detektoreinheit 20 ist hinter der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 mit einem Abstand z0s zur Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 angeordnet. Die Detektoreinheit 20 umfasst mindestens einen, zumindest eindimensional ortsauflösenden
lichtempfindlichen ersten Detektor 21. Das kann ein Zeilensensor, ein Kamera-Chip wie eine CCD-Kamera oder eine CMOS Kamera, oder ein sonstiger pixelbasierter
Halbleiterdetektor sein. Die Detektoreinheit 20 erfasst die Intensitätsverteilung des ersten Strahlflecks 45.
Die Auswertungseinheit 25 ist mit der Detektoreinheit 20 verbunden, das heißt, sie empfängt und verarbeitet die Signale der Detektoreinheit 20. Mittels der
Auswertungseinheit 25 wird aus der registrierten Intensitätsverteilung die laterale Position ai des Strahlflecks 45 auf der Detektoreinheit 20 ermittelt. Mittels der
Auswertungseinheit 25 werden weiterhin Änderungen der lateralen Position ai des Strahlflecks 45 auf der Detektoreinheit 20 ermittelt. Die Änderungen der lateralen Position des Strahlflecks sind insbesondere zeitliche Änderungen. Das heißt, die Auswertungseinheit 25 kann dazu eingerichtet sein, aktuell ermittelte Strahlfleck- Positionen mit anderen, zuvor ermittelten oder gespeicherten Strahlfleck-Positionen zu vergleichen und/oder Verschiebungswerte aus den Positions-Änderungen zu ermitteln.
Die Bestimmung der lateralen Position des Strahlflecks kann auf verschiedene mögliche Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist die Berechnung des Schwerpunktes oder des Mittelwertes der Intensitätsverteilung des Strahlflecks.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Rand des Strahlflecks zu bestimmen beispielsweise durch Erreichen der Signalintensität eines definierten Schwellwertes im zweiten Schritt kann ausgehend vom ermittelten Rand der geometrische Mittelpunkt bestimmt werden, oder bei einer unregelmäßigen Kontur der Flächenschwerpunkt berechnet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Soll-Intensitätsverteilung oder eine Fit- Funktion an die registrierte Intensitätsverteilung des Strahlflecks anzupassen.
Bevorzugt ist die Strahlanalysevorrichtung dazu eingerichtet, die Fokuslage eines Messstrahls zu bestimmen. Die axiale Lage des Fokus oder des Zwischenfokus 80 des Messstrahls 40 ist korreliert mit der lateralen Position des Strahlflecks 45 auf der Detektoreinheit 20.
Die erste Selektionsvorrichtung 11 ist zur Optischen Achse 39 außermittig angeordnet. Der Mittelpunkt der ersten Selektionsvorrichtung 11 hat einen lateralen oder radialen Abstand n zur Optischen Achse 39. Die Selektionsvorrichtung 11 und damit der erste Teil-Aperturbereich hat eine Breite di in radialer Richtung.
Es ist vorgesehen, dass der radiale Abstand n mindestens so groß ist wie die Breite di der Selektionsvorrichtung 11. Das bedeutet, dass der Rand des von der
Selektionsvorrichtung 11 ausgeschnittenen ersten Teil-Aperturbereichs wenigstens um die halbe Breite, di/2, der Selektionsvorrichtung 11 von der optischen Achse entfernt ist und der erste Teil-Aperturbereich sich von da aus weiter radial nach außen erstreckt. Der Paraxialbereich um die optische Achse 39 herum ist also nicht im ersten Teil- Aperturbereich enthalten.
Die erste Selektionsvorrichtung 11 kann unterschiedlich ausgeführt sein. Die erste Selektionsvorrichtung 11 kann beispielsweise als Berandung einer Teilapertur-Linse ausgeführt sein. Die Teilapertur-Linse kann auch das abbildende optische Element 17 der Abbildungseinrichtung 17 sein. Die erste Selektionsvorrichtung 11 kann auch als Berandung eines Teilapertur-Umlenkspiegels ausgeführt sein. Die erste
Selektionsvorrichtung 11 kann auch als Öffnung in einer Blendeneinrichtung15 ausgeführt sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die Breite di des ausgewählten, ersten Teil- Aperturbereichs des ersten Messstrahls 40 höchstens 1/3 der Breite der vollständigen Apertur des Messstrahls 40 in der Ebene der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 beträgt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Abstand zos zwischen der Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung 10 und der Detektoreinheit 20 in einem Bereich von 20 mm bis 500 mm liegt. Bevorzugt kann der Abstand z0s in einem Bereich von 40 mm bis 250 mm liegen.
Zur Lösung der Aufgabenstellung werden auch Optik-Systeme vorgeschlagen, bei denen die Strahlanalysevorrichtung als Fokuslagensensor wenigstens einen Messstrahl 40 empfängt, der als teilreflektierter Strahl aus einer Laseroptik 60 ausgekoppelt wird. Dazu sind in den Figuren 26 bis 36 und den zugehörigen Figurenbeschreibungen zahlreiche Ausführungsformen angegeben und erläutert.
Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Fokuslagensensors kommen dadurch zustande, dass aus dem empfangenen Lichtstrahl bzw. Messstrahl mittels der Selektionsvorrichtung ein kleiner Teil-Aperturbereich ausgeschnitten wird, der wesentlich kleiner ist als die gesamte Apertur des Messstrahls, sowie dadurch dass der Teil-Aperturbereich außermittig ausgeschnitten wird, d.h. insbesondere außerhalb der optischen Achse des Messstrahls liegt. Es trägt also gerade der Paraxialbereich des Messstrahls um die optische Achse herum nicht zur Abbildung des Teilstrahls auf den Detektor bei. Das führt dazu, dass Änderungen der axialen Fokuslage des Messstrahls wie bei einer Triangulation in eine laterale Verschiebung des detektierten Strahlflecks umgewandelt werden. Insbesondere kann aus der Richtung der lateralen Verschiebung des Strahlflecks die Richtung der axialen Fokuslagen-Änderung erkannt werden. Das führt weiterhin dazu, dass beim Empfang mehrerer Messstrahlen mit axial
unterschiedlicher Fokuslage die zugehörigen Strahlflecke auf dem Detektor räumlich voneinander getrennt werden, und sich nicht nur nicht stören, sondern sogar gezielt für eine verbesserte Auswertung genutzt werden können.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Mess-Prinzip auf der Bestimmung von Positionen basiert. Die Positions-Bestimmung eines Strahlflecks kann beispielsweise mittels Berechnung des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung erfolgen, also dem 1. Moment einer Strahlverteilung. Die Bestimmung von Positionen und deren Abstand zueinander ist weitgehend unabhängig beispielsweise von der Höhe eines konstanten Untergrundes, welcher durch Streulicht und/oder Rauschen
verursacht werden kann. Dadurch ist dieses Messprinzip weniger fehleranfällig als andere Verfahren, die üblicherweise auf der Bestimmung eines Strahldurchmessers, also des 2. Moments einer Strahlverteilung, und dessen Änderung beruhen, denn die Bestimmung eines 2. Moments ist relativ empfindlich gegenüber Änderungen in der Höhe des Untergrundes.
Die Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf:
- Der Fokuslagensensor ist einfach aufgebaut, robust und benötigt keine
beweglichen Elemente.
- Der Fokuslagensensor und das Strahlanalyseverfahren sind insbesondere
geeignet für den Empfang von mehreren überlagerten Messstrahlen bzw. für die Auswertung von multiplen Rückreflexen aus einer Laseroptik.
- Der Fokuslagensensor und das Strahlanalyseverfahren sind unempfindlich
gegenüber Schwankungen in der Strahlqualität der Laserstrahlung.
- Der Fokuslagensensor und das Strahlanalyseverfahren erlauben eine besonders genaue Bestimmung einer Fokuslage, da es auf der Bestimmung von Positionen von Strahlflecken beruht und nicht auf einer Bestimmung von Durchmessern oder Ausdehnungen von Strahlfleckverteilungen, und deshalb weitgehend unempfindlich ist gegenüber Störlicht, Offset und Rauschen des Detektors.
- Die Bestimmung von Fokuslagen-Änderungen ist in Echtzeit möglich, d.h. die Bestimmung erfolgt während der Lasermaterialbearbeitung und benötigt nur einen Bruchteil der typischen Zeitkonstante von Fokuslagenänderungen durch den thermischen Fokus-Shift.
Die Erfindung kann auf verschiedenste Weise vorteilhaft fortgebildet werden, ohne den Bereich und die Aufgabe der Erfindung zu verlassen. Weitere Ausgestaltungen und Ausführungsmöglichkeiten sind in den Figuren dargestellt und in den
Figurenbeschreibungen erläutert, wobei die Erfindung nicht beschränkt ist auf die gezeigten Ausführungsformen. Es können auch verschiedene in den Figuren gezeigte Merkmale oder Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um zu weiteren möglichen Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Als Licht im Sinne dieser Offenbarung gilt elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,1 pm bis 10 pm, bevorzugt im Bereich von 0,3 pm bis 3 pm, und insbesondere im Bereich von 0,5 pm bis 1 ,5 pm. Als Laserstrahlung im Sinne dieser Offenbarung gilt elektromagnetische Strahlung im Bereich von 0,5 pm bis 1 ,5 pm und mit einer Leistung von wenigstens 100 W, bevorzugt mit einer Leistung von wenigstens 500 W.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung
11 Erste Selektionsvorrichtung
12 Zweite Selektionsvorrichtung
13, 14 Weitere Selektionsvorrichtungen
15 Blendeneinrichtung
16 Abbildungseinrichtung
17 Abbildendes optisches Element
18, 19 Weitere abbildende optische Elemente
20 Detektoreinheit
21 Erster Detektor
22 Zweiter Detektor
25 Auswertungseinheit
27 Translationseinrichtung
30 Strahlseparatoreinrichtung
31 , 32 Planplattenanordnung
33, 34 Keilplattenanordnung
35, 36 Spiegelanordnung
39 Optische Achse
40 Messstrahl
40' Defokussierter Messstrahl
41 Erster Teilstrahl
41 ' Verschobener erster T eilstrahl
42 Zweiter Teilstrahl
42' Verschobener zweiter Teilstrahl
43, 44 Weitere Teilstrahlen
45 Erster Strahlfleck
45' Verschobener erster Strahlfleck
46 Zweiter Strahlfleck
46' Verschobener zweiter Strahlfleck 47, 48 Weitere Strahlflecke
50 Zweiter Messstrahl
51 Erster Teilstrahl vom zweiten Messstrahl
52 Zweiter Teilstrahl vom zweiten Messstrahl
53, 54 Weitere Teilstrahlen vom zweiten Messstrahl
55 Erster Strahlfleck vom zweiten Messstrahl
56 Zweiter Strahlfleck vom zweiten Messstrahl
57, 58 Weitere Strahlflecke vom zweiten Messstrahl
60 Laseroptik
61 Lichtleitfaserende
62 Kollimator-Optik
63 Teilreflektierender Strahlteiler
64 Fokussier-Optik
66 Schutzglas
67 Letzte Grenzfläche
69 Optische Achse der Laseroptik
70 Laserstrahl
70' Geänderter Laserstrahl
71 Von letzter Grenzfläche teilreflektierter Strahl
7T Geänderter, von letzter Grenzfläche teilreflektierter Strahl
72, 73, 74 Weitere teilreflektierte Strahlen
77 Fokussierter Laserstrahl
77’ Geänderter fokussierter Laserstrahl
79 Laserstrahl-Fokus
79’ Verschobener Laserstrahl-Fokus
80 Zwischenfokus
80' Defokussierter Zwischenfokus
85 Zweiter Zwischenfokus
87 Reflektierendes oder teilreflektierendes Element
88 Reflektierter oder teilreflektierter Strahl
210 Weitere Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung
220 Weitere Detektoreinheit LISTE DER VERWENDETEN SYMBOLE ai Laterale Position des ersten Strahlflecks
a Laterale Position des verschobenen ersten Strahlflecks
a2 Laterale Position des zweiten Strahlflecks
a2' Laterale Position des verschobenen zweiten Strahlflecks
as Abstand zwischen der Position des ersten Strahlflecks und der Position des zweiten Strahlflecks
as' Abstand zwischen der Position des verschobenen ersten Strahlflecks und der
Position des verschobenen zweiten Strahlflecks
bi Laterale Position des ersten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl
bi' Laterale Position des verschobenen ersten Strahlflecks vom zweiten
Messstrahl
b2 Laterale Position des zweiten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl b2' Laterale Position des verschobenen zweiten Strahlflecks vom zweiten
Messstrahl
bs Abstand zwischen der Position des ersten Strahlflecks vom zweiten
Messstrahl und der Position des zweiten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl
bs' Abstand zwischen der Position des verschobenen ersten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl und der Position des verschobenen zweiten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl
di Breite des ersten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung
d2 Breite des zweiten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung
n radialer Abstand des Mittelpunktes des ersten Teil-Aperturbereichs zur
optischen Achse
r2 radialer Abstand des Mittelpunktes des zweiten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse
x, y laterale, zur optischen Achse senkrechte Koordinaten-Richtungen
Zos Abstand zwischen der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung und der
Detektoreinheit

Claims

ANSPRÜCHE
1. Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung eines Zustandes eines Strahls aus Licht, umfassend
- eine Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30, 31 , 32, 33, 34, 35, 36), die zum Empfang eines ersten Messstrahls (40) eingerichtet ist, und die wenigstens eine erste Selektionsvorrichtung (11 , 35) zur Bildung eines ersten Teilstrahls (41 ) aus einem ersten Teil-Aperturbereich des ersten Messstrahls (40) umfasst, und die weiterhin eine Abbildungseinrichtung (16) mit wenigstens einem abbildendenen optischen Element (17) umfasst,
- eine Detektoreinheit (20) mit wenigstens einem zumindest eindimensional
ortsauflösenden lichtempfindlichen Detektor (21 ), die in einem Abstand (z0s) zur Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10) angeordnet ist, und
- eine Auswertungseinheit (25) zur Verarbeitung von Signalen der Detektoreinheit (20), wobei die erste Selektionsvorrichtung (11 , 35) bezüglich einer für die Einstrahlung des ersten Messstrahls (40) vorgesehenen optischen Achse (39) außermittig angeordnet ist, wobei die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30,
31 , 32, 33, 34, 35, 36) dazu eingerichtet ist, den ersten Teilstrahl (41 ) zur Erzeugung eines ersten Strahlflecks (45) auf die Detektoreinheit (20) abzubilden,
wobei die Detektoreinheit (20) zur Erfassung einer Intensitätsverteilung des ersten Strahlflecks (45) eingerichtet ist,
wobei die Auswertungseinheit (25) zur Bestimmung einer lateralen Position (ai) des ersten Strahlflecks (45) eingerichtet ist, und
wobei die Auswertungseinheit (25) zur Bestimmung von zeitlichen Änderungen der lateralen Position (ai, a ) des ersten Strahlflecks (45, 45') eingerichtet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei eine Änderung einer axialen Fokus-Position oder Zwischenfokus-Position (80, 80') des Messstrahls (40, 40') korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position (ai, a ) des ersten Strahlflecks (45, 45') auf der
Detektoreinheit (20).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein radialer Abstand (n) des
Mittelpunktes des durch die erste Selektionsvorrichtung (1 1 , 35) definierten ersten Teil- Aperturbereichs zur optischen Achse (39) mindestens so groß ist wie eine Breite (di) des ersten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Auswertungseinheit (25) eingerichtet ist zur Bestimmung der lateralen Position des ersten Strahlflecks (45) mittels Berechnung des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung des Strahlflecks (45), und/oder mittels Bestimmung eines Randes oder einer Umfangskontur des Strahlflecks (45), und/oder mittels Bestimmung einer geometrischen Mitte des Strahlflecks (45), und/ oder mittels Anpassung einer Soll-Intensitätsverteilung an die erfasste
Intensitätsverteilung des Strahlflecks (45).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30, 31 , 32, 33, 34, 35, 36) zum Empfang des ersten Messstrahls (40) und wenigstens eines zweiten Messstrahls (50) eingerichtet ist, wobei die Messstrahlen (40, 50) auf der gleichen optischen Achse
(39) überlagert sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Auswertungseinheit (25) eingerichtet ist zur Identifizierung wenigstens zweier Strahlflecke (45, 46, 47, 48,
55, 56, 57, 58) in einer von der Detektoreinheit (20) erfassten Intensitätsverteilung, und zur Bestimmung der lateralen Positionen (ai, a2, bi, b2) der wenigstens zwei
identifizierten Strahlflecke (45, 46, 47, 48, 55, 56, 57, 58).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Teilstrahl- Abbildungsvorrichtung (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30, 31 , 32, 33, 34, 35, 36) weiterhin wenigstens eine zweite Selektionsvorrichtung (12, 36) zur Bildung eines zweiten Teilstrahls (42) aus einem zweiten Teil-Aperturbereich des ersten Messstrahls
(40) umfasst, und wobei die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10, 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30, 31 , 32, 33, 34, 35, 36) dazu eingerichtet ist, den zweiten Teilstrahl (42) zur Erzeugung eines zweiten Strahlflecks (46) auf die Detektoreinheit (20) abzubilden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei ein radialer Abstand (r2) des Mittelpunktes des durch die zweite Selektionsvorrichtung (12, 36) definierten zweiten Teil- Aperturbereichs zur optischen Achse (39) mindestens so groß ist wie eine Breite (d2) des zweiten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der durch die erste
Selektionsvorrichtung (11 , 35) ausgewählte erste Teil-Aperturbereich und der durch die zweite Selektionsvorrichtung (12, 36) ausgewählte zweite Teil-Aperturbereich nicht aneinandergrenzen, und wobei ein Abstand (n + r2) vom Mittelpunkt des ersten Teil- Aperturbereichs zum Mittelpunkt des zweiten Teil-Aperturbereichs mindestens so groß ist wie die Summe der Breiten (di + d2) des ersten und des zweiten Teil-Apertur- Bereichs. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei vor der Teilstrahl-
Abbildungsvorrichtung (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30, 31 , 32, 33, 34, 35, 36) ein teilreflektierender Strahlteiler (63) angeordnet ist zur Erzeugung des Messstrahls (40) mittels Auskopplung eines definierten Strahlanteils aus einem auf den Strahlteiler (63) gerichteten Lichtstrahl oder Laserstrahl (70). 11. Optisches System, umfassend eine Laseroptik (60) für einen Laserstrahl (70) und eine Strahlanalysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Laseroptik (60) einen teilreflektierenden Strahlteiler (63) zur Auskopplung des
Messstrahls (40) aus dem Laserstrahl (70) hin zu der Strahlanalysevorrichtung umfasst, und wobei die Strahlanalysevorrichtung zum Empfang des über den Strahlteiler (63) ausgekoppelten Messstrahls (40) eingerichtet ist.
12. Optisches System, umfassend eine Laseroptik (60) für einen Laserstrahl (70) und eine Strahlanalysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Laseroptik (60) umfasst:
- eine Grenzfläche eines optischen Elements (64, 66) der Laseroptik (60) zur
Erzeugung eines teilreflektierten Strahls (71 ) aus dem Laserstrahl (70), und
- einen teilreflektierenden Strahlteiler (63) zur Auskopplung des Messstrahls (40) aus dem teilreflektierten Strahl (71) hin zu der Strahlanalysevorrichtung,
wobei die Strahlanalysevorrichtung zum Empfang des über den Strahlteiler (63) ausgekoppelten Messstrahls (40) eingerichtet ist.
13. Optisches System, umfassend eine Laseroptik (60) für einen Laserstrahl (70) und eine Strahlanalysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die
Laseroptik (60) umfasst:
- eine Grenzfläche eines optischen Elements (64, 66) der Laseroptik (60) zur
Erzeugung eines teilreflektierten Strahls (71 ) aus dem Laserstrahl (70),
- wenigstens eine weitere Grenzfläche eines optischen Elements (64, 66) der
Laseroptik (60) zur Erzeugung wenigstens eines weiteren teilreflektierten Strahls (72, 73, 74) aus dem Laserstrahl (70), und
- einen teilreflektierenden Strahlteiler (63) zur Auskopplung des ersten Messstrahls (40) aus dem teilreflektierten Strahl (71 ) und wenigstens eines zweiten Messstrahls (50) aus dem wenigstens einen weiteren teilreflektierten Strahl (72, 73, 74) hin zu der Strahlanalysevorrichtung,
wobei die Strahlanalysevorrichtung zum Empfang der über den Strahlteiler (63) ausgekoppelten Messstrahlen (40, 50) eingerichtet ist.
14. Optisches System nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Grenzfläche zur Erzeugung des teilreflektierten Strahls (71) die als letztes vom Laserstrahl (70) transmittierte Grenzfläche (67) ist, bevor der Laserstrahl (70, 77) aus der Laseroptik (60) austritt.
15. Optisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Laseroptik (60) eingerichtet ist zur Erzeugung eines Laserstrahl-Fokus (79), und wobei eine Änderung einer axialen Position (79, 79') des Laserstrahl-Fokus korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position (ai, a ) des ersten Strahlflecks (45, 45').
16. Optisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Laseroptik (60) mit einer Führungsmaschine verbunden ist, welche zum Einstellen einer axialen Position eines Laserstrahl-Fokus (79) der Laseroptik (60) eingerichtet ist, und wobei eine Steuerung der Führungsmaschine mit der Auswertungseinheit (25) gekoppelt ist zum Empfang von Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks (45) auf der Detektoreinheit (20) bestimmt sind.
17. Optisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Laseroptik (60) eine axial bewegbare Linse oder Linsengruppe enthält, deren Position mittels einer Translationseinrichtung (27) einstellbar ist, und wobei die Translationseinrichtung (27) eingerichtet ist zur Steuerung der Position der Linse oder der Linsengruppe in
Abhängigkeit eines von der Auswertungseinheit (25) bereitgestellten Wertes, welcher aus der Position des zumindest einen Strahlflecks (45) auf der Detektoreinheit (20) bestimmt ist.
18. Strahlanalyseverfahren zur Bestimmung eines Zustandes eines Strahls aus Licht, umfassend die Schritte:
- Bilden eines ersten Teilstrahls (41 ) aus einem ersten Messstrahl (40) durch
Auswählen eines ersten Teil-Aperturbereichs aus dem Messstrahl (40), wobei der erste Teil-Aperturbereich außermittig bezüglich einer optischen Achse (39) des Messstrahls (40) angeordnet ist,
- Abbilden des ersten Teilstrahls (41 ) auf eine Detektoreinheit (20) zur Erzeugung eines ersten Strahlflecks (45) auf der Detektoreinheit (20), wobei die Detektoreinheit (20) wenigstens einen zumindest eindimensional ortsauflösenden lichtempfindlichen Detektor (21 ) beinhaltet,
- Registrieren einer Intensitätsverteilung mittels der Detektoreinheit (20), wobei die Intensitätsverteilung Strahlintensitätswerte des ersten Strahlflecks (45) enthält,
- Bestimmen einer lateralen Position (ai) des ersten Strahlflecks (45) aus der
registrierten Intensitätsverteilung,
- Bestimmen von zeitlichen Änderungen der lateralen Position (ai, a ) des ersten Strahlflecks (45, 45'),
- Bereitstellen der lateralen Position (ai) des ersten Strahlflecks (45) oder eines
Änderungswertes der lateralen Position (ai, a ) oder eines Wertes, welcher aus der lateralen Position oder aus der Änderung der lateralen Position ermittelt ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei eine Änderung einer axialen Fokus-Position oder Zwischenfokus-Position (80, 80') des Messstrahls (40, 40') korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position (ai, ai') des ersten Strahlflecks (45, 45') auf der Detektoreinheit (20).
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei ein radialer Abstand (n) des Mittelpunktes des ersten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse (39) mindestens so groß ist wie eine Breite (di) des ersten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei das Bestimmen der lateralen Position des ersten Strahlflecks (45) mindestens einen der folgenden Schritte umfasst:
- Berechnen des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung des Strahlflecks (45),
- Bestimmen eines Randes oder einer Umfangskontur des Strahlflecks (45),
- Bestimmen einer geometrischen Mitte des Strahlflecks (45),
- Anpassen einer Soll-Intensitätsverteilung an die erfasste Intensitätsverteilung des Strahlflecks (45).
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , mit den weiteren
Verfahrensschritten:
- Bilden eines weiteren ersten Teilstrahls (51 ) aus einem zweiten Messstrahl (50) durch Auswählen des ersten Teil-Aperturbereichs aus dem zweiten Messstrahl (50), wobei der erste Messstrahl (40) und der zweite Messstrahl (50) auf der gleichen optischen Achse (39) überlagert sind, und
- Abbilden des weiteren ersten Teilstrahls (51 ) des zweiten Messstrahls (50) auf die Detektoreinheit (20) zur Erzeugung eines weiteren ersten Strahlflecks (55) auf der Detektoreinheit (20).
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, mit den weiteren
Verfahrensschritten:
- Identifizieren wenigstens zweier Strahlflecke (45, 46, 47, 48, 55, 56, 57, 58) in der von der Detektoreinheit (20) registrierten Intensitätsverteilung, und
- Bestimmen von lateralen Positionen (ai, a2, bi, b2) der wenigstens zwei identifizierten Strahlflecke (45, 46, 47, 48, 55, 56, 57, 58).
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, mit den weiteren
Verfahrensschritten:
- Bilden eines zweiten Teilstrahls (42) aus dem ersten Messstrahl (40) durch
Auswählen eines zweiten Teil-Aperturbereichs aus dem Messstrahl (40),
- Abbilden des zweiten Teilstrahls (42) auf die Detektoreinheit (20) zur Erzeugung eines zweiten Strahlflecks (46) auf der Detektoreinheit (20).
25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei ein radialer Abstand (r2) des Mittelpunktes des zweiten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse (39) mindestens so groß ist wie eine Breite (d2) des zweiten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei der erste Teil-Aperturbereich und der zweite Teil-Aperturbereich nicht aneinandergrenzen, und wobei ein Abstand (ri + r2) vom Mittelpunkt des ersten Teil-Aperturbereichs zum Mittelpunkt des zweiten Teil- Aperturbereichs mindestens so groß ist wie die Summe der Breiten (di + d2) des ersten und des zweiten Teil-Apertur-Bereichs.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei der erste Messstrahl (40) mittels Auskopplung eines definierten Strahlanteils aus einem Lichtstrahl oder
Laserstrahl (70) erzeugt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei der erste Messstrahl (40) gebildet wird durch Auskoppeln eines definierten Strahlanteils aus einem in einer Laseroptik (60) geführten Laserstrahl (70) mittels eines teilreflektierenden Strahlteilers (63), der in der Laseroptik (60) angeordnet ist.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, zusätzlich umfassend die Verfahrensschritte:
- Erzeugung eines teilreflektierten Strahls (71 ) aus einem in einer Laseroptik (60) geführten Laserstrahl (70) durch Teilreflexion an einer Grenzfläche eines optischen Elements (64, 66) der Laseroptik (60),
- Propagieren des teilreflektierten Strahls (71 ) entgegen der Strahlrichtung des
Laserstrahls (70), und
- Erzeugen des Messstrahls (40) durch Auskoppeln eines definierten Strahlanteils aus dem teilreflektierten Strahl (71 ) mittels eines teilreflektierenden Strahlteilers (63), der in der Laseroptik (60) angeordnet ist.
30. Verfahren nach Anspruch 29, zusätzlich umfassend die Verfahrensschritte:
- Erzeugung wenigstens eines weiteren teilreflektierten Strahls (72, 73, 74) aus dem in der Laseroptik (60) geführten Laserstrahl (70) durch Teilreflexion an wenigstens einer weiteren Grenzfläche eines optischen Elements (64, 66) der Laseroptik (60), - Propagieren des weiteren teilreflektierten Strahls (72) entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls (70), und
- Erzeugen eines zweiten Messstrahls (50) durch Auskoppeln eines definierten
Strahlanteils aus dem weiteren teilreflektierten Strahl (72) mittels des
teilreflektierenden Strahlteilers (63).
31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, wobei die Grenzfläche zur Erzeugung des teilreflektierten Strahls (71 ) die als letztes vom Laserstrahl (70) transmittierte
Grenzfläche (67) ist, bevor der Laserstrahl (70, 77) aus der Laseroptik (60) austritt.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31 , wobei mittels der Laseroptik (60) ein Laserstrahl-Fokus (79) erzeugt wird, und wobei eine Änderung einer axialen
Position (79, 79') des Laserstrahl-Fokus korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position (ai, a ) des ersten Strahlflecks (45, 45').
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, wobei eine axiale Position eines Laserstrahl-Fokus (79) der Laseroptik (60) relativ zu einem Werkstück mittels einer mit der Laseroptik (60) verbundenen Führungsmaschine eingestellt wird, und wobei Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks (45) auf der Detektoreinheit (20) bestimmt sind, an eine Steuerung der Führungsmaschine übermittelt werden.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, wobei eine axiale Position eines Laserstrahl-Fokus (79) eingestellt wird mittels einer in der Laseroptik (60) angeordneten axial bewegbaren Linse oder Linsengruppe, deren Position mittels einer
Translationseinrichtung (27) eingestellt wird, und wobei Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks (45) auf der Detektoreinheit (20) bestimmt sind, an die Translationseinrichtung (27) zur Steuerung und/oder Regelung der Position der Linse oder der Linsengruppe übermittelt werden.
35. Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, wobei die Position des Laserstrahl-Fokus (79) relativ zu einem Werkstück während einer Lasermaterialbearbeitung in einer definerten Lage gehalten wird.
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