用于确定焦点位置的装置和方法与流程

用于确定焦点位置的装置和方法
发明领域
1.本发明涉及一种用于确定电磁辐射的能量束的光束焦点的轴向位置的装置和方法，特别涉及用于确定处理光学器件的光束焦点的轴向位置的装置和方法。特别地，能量束可以是激光束。本发明还提供了用于在激光加工操作期间确定处理光学器件的光束焦点的位置的装置和方法。


背景技术：

2.激光材料加工中的中心对象是激光束相对于待处理材料或工件的轴向焦点位置的调节和控制。通过最佳过程控制，激光束的焦点不必须直接在工件表面。相反，激光束焦点相对于工件的最佳定位取决于多个因素。例如，焦点可以位于工件内，也就是说，在工件表面下方，尤其是在加工具有高材料厚度的工件时。通常，加工结果敏感地取决于激光束的确切焦点位置，这就是为什么在加工过程中激光束焦点相对于工件的位置期望或必须不发生变化的原因。
3.在激光切割过程中，由于切割气体的流动动力学对切割结果有重大影响，因此工件和切割喷嘴之间的距离在加工过程中尽可能保持恒定也是重要的。该问题可以以现有技术的方式解决，例如，通过电容距离测量和闭环控制。
4.通常，改变相对于工件的光束焦点位置的问题不是检测或跟踪工件位置或相对于处理光学器件的工件距离，而是检测相对于处理光学器件的实际光束焦点位置。
5.现代激光加工系统使用具有高亮度和高功率的激光器，通常在几千瓦的范围内。由于激光处理光学元件中的材料特性，高激光功率导致光学元件发热。由于材料参数(例如折射率)的温度依赖性，这会在光学元件中产生径向温度梯度，从而导致光学元件的屈光力发生变化。这种效应称为热焦移(thermal focal shift)。尽管可以通过选择合适的光学元件材料(例如通过使用高纯度、低吸收石英玻璃类型)来最小化这种热焦移，然而它几乎总是存在的。在激光材料加工过程中产生的各种尺寸的反应产物和颗粒会增强这种效果，这些反应产物和颗粒会沉积在处理光学器件上或处理光学器件的保护玻璃上，并导致吸收增加。因此，特别地，保护玻璃通常有助于改变处理光学器件的光束焦点位置。
6.用于确定工件距离或工件表面位置的装置是现有技术中已知的；这些装置例如根据光学三角测量的基本原理起作用。
7.例如，专利申请ep0248479a1公开了一种用于光学测量表面和参考表面之间的距离的装置。为此，用辐射源照射所述表面，并且在反射的辐射已经通过具有两个离轴开口的屏幕之后，通过光学系统将反射的辐射引导到检测器上。屏幕产生的光束点图案的范围是表面与参考表面之间距离的量度。
8.专利申请de10142206a1描述了一种用于确定形成在基板表面中的孔或槽形切口的深度的测量装置。与前面引用的公开专利一样，从基板表面上的发光点发出的光在此也用于获得深度信息。光穿过光学屏幕的两个开口到聚焦元件上，并被引导到检测器上。在此之前，将来自屏幕的至少一个开口的光引导到折射或反射光学元件上，以便改变光束方向。
这使得例如可以实现取决于基板表面的深度的偏转效果的放大。
9.专利申请de102013210078a1公开了一种用于确定能量束的焦点位置的装置和方法。除其它之外，所述装置包括图像采集装置和成像光学器件，所述图像采集装置被设计成形成至少两个观察光束，所述成像光学器件用于生成要监测的区域或参考轮廓的至少两个图像。一方面，工件表面的待监测区域的两个图像的横向距离的改变可用于推断焦点位置相对于工件的偏差。另一方面，可以根据参考结构的两个图像的横向距离的变化来确定聚焦元件的焦距的变化，该横向距离的变化可以由例如激光加工喷嘴的内部轮廓形成，因此可以推断出焦点位置的变化。由于工件或参考结构发出或反射的光也用于此装置中生成图像，因此无法在严格意义上测量能量束的焦点位置。光束焦点位置的改变不是由聚焦元件引起的，而是例如由准直光学器件引起的，将不能用所公开的装置来确定。
10.专利申请ep2886239a1公开了一种用于监测和控制激光接合过程中的加工路径的方法和装置。在该公开专利中描述的加工头，除其它外，具有距离传感器，其形式是具有成像器件的双缝传感器和双缝屏幕。距离传感器可用于确定加工头与工件表面之间的距离。
11.在上面引用的所有公开专利中，最终总是以光学方式确定工件表面的位置或距离。另一方面，通过上述装置和方法无法确定指向工件表面上的光束的焦点位置，或者只能以较低的精度来确定。为了能够确定加工光束的实际焦点位置，有必要直接测量加工光束，或者从加工光束解耦一个样本束并测量样本束。
12.用于利用电磁辐射加工材料的装置和方法是从公开专利wo2012/041351a1已知的技术。这里设想了一种用于生成图案(例如阴影掩膜)的装置被旋转到聚焦在材料上的电磁束中。部分反射表面被布置在焦点的前面，使得由图案生成器产生的图案的图像在部分反射表面上反射回来，并通过分束器到达检测器。检测器上的图像由计算机处理，并生成取决于焦点位置的电信号。所公开的方法旨在用于眼科手术。然而，该方法并不适合或不太适合激光材料加工中的一般应用，因为通常不可能将部分反射表面永久地布置在光束焦点的正前方，并且此外，在高功率激光束中布置阴影掩模是不利的。
13.在wo2015/185152a1中公开的用于监测激光束的装置中，辐射通过以倾斜角度布置在激光束中的平板反射回来，并且用空间分辨检测器检测。可以通过检测在检测器上成像的子光束的焦点位置的偏移来确定激光束发散的变化。该装置特别用于分析和监测用于产生euv辐射的驱动器激光装置。
14.专利申请de102011007176a1描述了一种用于聚焦激光束的装置和一种用于监测激光加工的方法。为此，激光辐射从透射光学元件反射回来，特别是从保护玻璃反射回来，并且为了确定焦点位置，由检测器检测反射回来的辐射。保护玻璃以倾斜角度布置，以使反射回来的辐射直接偏转到侧面，并且不需要进一步的光束分离。提供了一个屏幕，以掩盖保护玻璃一侧反射回来的辐射。激光束的焦点位置是通过评估反射回来的激光辐射在检测器上的入射区域的大小或直径来确定的。
15.专利de102013227031a1公开了一种用于分析入射到基板上的光束并用于校正焦距偏移的装置和方法。在所公开的装置中，由保护玻璃反射的光束的分量被偏转到传感器上的测量光束路径中，用于光束分析。从保护玻璃反射的分量被引导通过测量光束路径中的屏幕，从而掩盖了从装置其他部分反射的干涉光束。为了实现期望的干涉光束掩蔽，提供了保护玻璃的倾斜和/或使用楔形板来偏转反射光束。作为传感器，该公开专利指示使用
ccd相机或cmos相机，利用它们根据din iso 11146可以进行测量。此外，设想通过abcd矩阵计算来确定实际存在的焦距。
16.专利申请de102018105364a1中提出的用于确定激光加工系统中激光束焦点位置的装置和方法，其操作方式与de102011007176a1中的装置非常相似。在de2018105364a1的方法中，设想使用包括作为激光功率的函数测量的光束直径的校准数据用来确定焦点位置。因此，焦点位置的确定也基于此处介绍的方法，该方法基于确定检测器上的强度分布的直径。
17.在最近引用的公开专利中，焦点位置通常是通过确定检测器上光束点的尺寸或直径来确定的。尽管如果光束参数是已知的，原则上可以这样确定焦点位置，但是这种方法由于以下几个原因是不利的：一方面，检测到的光束直径也随着加工激光束的发散和/或直径的改变而改变；另一方面，特别是在光束腰区域，直径的变化与焦点位置的变化最小。两者都会导致轴向焦点位置的确定存在相当大的不确定性。最后，基于最佳焦点位置的测量，由于直径在两个方向上都增加，因此无法检测到光束焦点在哪个方向上偏移。
18.后公开的专利de102019004337a1公开了一种用于确定光束的焦点位置的光束分析装置。它包括成像装置、具有空间分辨光敏检测器的检测器单元以及评估单元。四个选择装置从一个测量光束中生成四个子光束。选择装置中的第一选择装置和第二选择装置被布置在沿横向延伸至测量光束的光束方向的y方向的第一距离处。由此产生的第一和第二子光束通过子孔透镜成像到检测器上，并由此在y方向上偏转。当焦点位置变化时，第一和第二子光束的光束点之间的距离在检测器上沿着y方向变化。根据这种距离的变化，评估单元可以确定焦点位置的变化。但是，在某些情况下，第一距离可以变得很小甚至为零。然后，第一和第二子光束的光束点不再可区分，并且无法进行明确的评估。第三和第四选择装置被布置在沿着x方向的第二距离处，所述x方向横向延伸至测量光束的光束方向并且与y方向成直角。由此产生的第三和第四子光束通过子孔透镜成像到检测器上，并由此在x方向上偏转。当焦点位置变化时，第三和第四子光束的光束点之间的距离在检测器上沿x方向变化。根据这种距离的变化，评估单元可以确定焦点位置的变化。在某些情况下，第二距离也可以变得很小甚至为零。然后，第三和第四子光束的光束点无法再区分。


技术实现要素：

19.因此，本发明的目的是有利地发展光学三角测量的原理，并且特别地，使其能够用于测量在激光处理光学器件中被引导的激光束的焦点位置，而不必求助于由工件发射或反射的辐射，从而能够特别精确地确定焦点位置。本发明的目的还在于提供特别鲁棒、精确、通用和紧凑的装置和方法，用于确定焦点位置，并且如果适用，还用于确定其他光束参数。
20.通过独立权利要求中列出的特征来实现该目的。
21.根据本发明，提供了一种用于确定光束焦点的轴向位置的光束分析装置，其包括光束整形装置、检测器和评估装置。这里，光束焦点是电磁辐射的能量束的焦点，或者是从能量束解耦的样本束的焦点。
22.光束整形装置被设置成从能量束中或者从与能量束解耦的样本束中释放(至少)两个子光束，在子光束释放的平面中，其中两个子光束为第一子光束和第二子光束。在子光束释放的平面中两个子光束的横截面由相应的子孔限定。子孔彼此分隔。子孔的中心点彼
此之间具有距离k，其中第一横向方向由子孔之间的距离k限定。术语“横向”是指与相应的局部光轴垂直的平面中的方向。光束整形装置还被设置用于在检测器上成形具有(至少两个)光束点的强度分布，并且用于从两个子光束中的每一个形成至少一个光束点(也就是说，从来自第一子光束的至少一个光束点和来自第二子光束的至少一个光束点)，将两个子光束成像到检测器上，并且使两个子光束中的至少一个在第二横向方向上偏转和/或偏移，由此，在检测器上的光束点之间形成沿第二横向方向的距离w。这里，第二横向方向横向于第一横向方向定向，并且两个光束点是第一子光束的至少一个光束点和第二子光束的至少一个光束点。
23.检测器包括光辐射敏感的、二维空间分辨的传感器，该传感器被设置为将照射在检测器上的强度分布转换为电信号。检测器沿着两个子光束的传播路径布置在子光束释放平面后面的距离s处。
24.评估装置被设置为处理检测器的电信号，这些电信号表示检测器上的强度分布。此外，评估装置被设置为确定检测器上的两个光束点的位置之间沿着第一横向方向的距离a。此外，评估装置被设置成基于距离a来确定光束焦点的轴向位置，和/或基于距离a的改变来确定光束焦点的轴向位置的改变。
25.光束分析装置是一种用于确定焦点位置的特别鲁棒、精确、通用和紧凑的装置。
26.换句话说，光束整形装置被设置成在子光束释放器的平面中形成(至少两个)子孔，用于释放两个子光束中的相应一个子光束。换句话说，光束整形装置被设置成使得两个子光束中的一个子光束的光束点和两个子光束中的另一个子光束的光束点形成相互之间的距离a，凭借检测器上沿检测器上的第一横向方向的距离k(在子光束释放平面的第一横向方向上)在检测器上形成彼此之间沿第一横向方向的距离a，其中除其它外，距离a取决于光束焦点的轴向位置。
27.此外，换句话说，光束整形装置被设置成使得检测器上的两个子光束中的一个子光束的光束点和两个子光束中的另一个子光束的光束点在检测器处附加地沿着第二横向方向彼此移位距离w，这是由于两个子光束中的至少一个的偏转和/或移位，其中，检测器处的第二横向方向横向于检测器处的第一横向方向。在某些情况下，第一距离a可以变得很小甚至为零。由于检测器上的两个光束点之间的附加距离w，即使在这种情况下，两个光束点仍然是可区分的。例如，光束整形装置可以以这样的方式设置，使得距离w如此之大，使得即使在距离a变为零的情况下，两个光束点也仅部分地重叠(或者优选地完全不重叠)。
28.根据本发明的光束分析装置还可以可选地通过下面列出的特征中的一个或多个进行改进。
29.样本束可以与能量束相同，特别是如果样本束不是通过从能量束解耦形成的。
30.为了接收来自检测器的电信号，评估装置可以连接到检测器。例如，评估装置可以通过至少一条数据线连接到检测器。可选地或附加地，评估装置可以无线地连接到检测器，以用于接收来自检测器的电信号。根据本发明的另一方面，评估装置和检测器可以被设计成共同单元。
31.例如，第一横向方向和子光束释放平面与检测器之间的局部光轴可以通过光束折叠和/或光束重定向在光束分析装置中被改变。此外，可以通过光束折叠和/或光束重定向来相应地改变所述第二横向方向。通过光束折叠和/或光束重定向，可以使光束分析装置更
紧凑，例如，而不会损害测量精度。
32.光束分析装置的光束整形装置可以被设置为使两个子光束相对于彼此偏转和/或偏移，其中，两个子光束沿着所述第二横向方向的偏转和/或偏移之间的差被对齐以在所述检测器上的所述两个光束点之间形成沿所述第二横向方向的距离w。特别地，所述光束整形装置可以被设置为沿着所述第二横向方向偏转和/或偏移所述两个子光束，其中，仅所述两个子光束沿着所述第二横向方向的偏转和/或偏移之间的差导致形成所述距离w。这使得能够在对光轴的影响较小的情况下实现较大的距离w。
33.所述光束分析装置可以包括解耦装置，其中所述解耦装置包括用于将所述样本束从所述能量束解耦的光束解耦器。这样，光束分析可以很容易地用于现有的处理光学器件中。此外，解耦装置可以允许在处理光学器件的正常操作期间由光束分析装置进行测量。
34.光束分析装置的光束解耦器可以是分束器装置，其被设置成通过反射和/或透射将能量束的从0.01％到5％范围内的辐射分量解耦作为样本束。在典型的应用中，该光束分量一方面足以进行精确的测量，另一方面，能量束仅因解耦而被明显削弱。
35.光束分析装置的光束整形装置可以包括具有至少一个光学透镜的成像装置，用于将子光束成像到检测器上。例如，这使得能够使用更紧凑的检测器。可选地或附加地，通过这种方式可以提高测量精度。
36.可以在成像装置的像侧焦点(也称为第二焦点)处设置子光束释放平面。这使得评估特别容易。
37.所述评估装置被设置为，通过线性计算规则，基于所述两个光束点之间的距离a来确定所述光束焦点的轴向位置，和/或基于所述两个光束点之间的距离a的变化来确定所述光束焦点的轴向位置的变化。这使得能够进行特别简单、准确和快速的评估，而计算工作量特别小。
38.所述评估装置被设置为，通过至少部分线性的计算规则，基于所述两个光束点之间的距离a来确定所述光束焦点的轴向位置，和/或基于所述两个光束点之间的距离a的变化来确定所述光束焦点的轴向位置的变化。这样就可以用很少的计算工作来进行简单、准确和快速的评估。
39.所述光束分析装置可以包括光束折叠装置，所述光束折叠装置包括分束器和至少一个反射镜，并且被布置在所述检测器前面的所述光束路径中。所述至少一个反射镜被布置成将离开分束器的光束的分量反射回到分束器中，其中所述光束折叠装置以这种方式形成第一折叠光束路径。由此，所述光束整形装置的所述子光束释放平面被布置在所述光束折叠装置前方的所述光束路径中或在所述第一折叠光束路径中。光束折叠使得光束分析装置的设计更加紧凑，而不会损害测量精度。
40.在所述光束分析装置的另一改进方案中，所述光束折叠装置可以进一步包括至少一个第二反射镜，其中所述第二反射镜被布置成将离开所述分束器的另一辐射分量反射回到所述分束器中，其中所述光束折叠装置以这种方式形成第二折叠光束路径。第二折叠光束路径可以例如实现其他参数的测量。
41.在所述光束分析装置的实施例的可能的变型中，设想光束整形装置的子光束释放平面被布置在第一折叠射束路径中，并且没有子光束释放被布置在第二折叠射束路径中，并且以这种方式，通过所述第二折叠光束路径将所述样本束(或能量束)的辐射分量作为未
调制光束引导到所述检测器上。这里，所述评估装置可以被设置成根据检测器上的未调制光束的光束点的强度分布来确定光束直径和/或光束轮廓。这使得可以更精确地表征能量束或样本束。
42.在所述第二折叠光束路径中，所述反射镜可以被布置成使得其可以轴向移位，并且所述反射镜的位置可以通过定位装置来调节。所述第二反射镜的轴向移位可以用于例如确定能量束或样本束的光束焦散(也就是说，光束包络)。可以相应地设置评估装置来确定光束焦散。特别地，评估装置可以被设置成控制所述反射镜的轴向移位。
43.所述光束分析装置的光束整形装置可以包括光束分离器装置，该光束分离器装置具有至少一个子光束偏转元件，以在所述检测器上的所述两个光束点之间形成沿所述第二横向方向的距离w。
44.所述光束分离器装置还可以包括至少两个子光束偏转元件，用于使两个子光束相对于彼此偏转和/或移位。这里，所述两个子光束的偏转和/或移位之间的差沿着所述第二横向方向对齐，以在所述检测器上的所述两个光束点之间形成沿所述第二横向方向的距离w。
45.所述光束分离器装置可以包括作为子光束偏转元件的至少一个楔形板，其在所述光束方向上被布置在子孔中的一个的前面或后面对准，并且其被设置为使从该子孔径释放的两个子光束中的一个以0.02
°
至6
°
范围内的角度量偏转。
46.所述光束分离器装置可以包括作为子光束偏转元件的至少一个倾斜的平板或棱镜，其在所述光束方向上被布置在子孔中的一个的前面或后面对准，并且其被设置为将从子孔释放的两个子光束中的一个以从0.05毫米到3毫米的范围内的量移位。
47.所述光束分离器装置可以被布置在所述第一折叠光束路径内，并且可以包括作为子光束偏转元件的至少两个反射镜。所述至少两个反射镜中的每一个可以在所述光束方向上被布置在所述子孔中的一个的前面或后面对准；可选地，所述反射镜的周边或边缘本身可以形成所述子孔。所述两个反射镜中的每一个都被设置为反射回两个子光束中的一个。所述反射镜的镜面上的法线方向之间的角度差在0.01
°
至3
°
的范围内，并且反射镜的镜面上的法线方向之间的差沿着第二横向方向对齐。
48.进一步的，所述评估装置可以被设置以确定检测器上的具有(至少)两个光束点的整个强度分布的横向位置，并且可以被设置：
49.●
用于从整个强度分布的横向位置计算出样本束焦点的横向位置和
50./或
51.●
用于从整个强度分布的横向位置的变化计算样本束的光束焦点的横向位置的变化。
52.在实施例的可能的变型中，所述光束分析装置可包括用于分离样本束的分束器、具有至少一个光学透镜的另一成像装置、以及第二检测器。这里所述分束器设置在光束整形装置的子光束释放平面的前面的光束路径中，并且分束器被设置在成像装置的光学透镜和子光束释放平面之间。
53.在该实施例的可能的变型中，所述另一成像装置被布置在所述分束器和所述第二检测器之间，用于将所述光束焦点的放大光束点或放大图像成像到所述第二检测器上。这样可以更准确地表征能量束或样本束。
54.所述评估装置可以被设置为处理由所述第二检测器产生的电信号，并且所述评估装置可以被设置为根据所述第二检测器上的强度分布来确定光束直径和/或焦直径。
55.在实施例的另一可能的变型中，所述光束分析装置可以包括用于分离样本束的分束器、具有至少一个光学透镜的另一成像装置和第二检测器。在这种情况下，所述分束器布置在光束整形装置的子光束释放平面的前面的光束路径中，并且分束器被布置在成像装置的光学透镜和子光束释放平面之间。所述另一成像装置被布置在所述分束器和所述第二检测器之间。所述成像装置和所述另一成像装置一起形成组合透镜系统，所述组合透镜系统在像侧具有焦平面。所述第二检测器可以被布置在组合透镜系统的像侧焦平面(也称为第二焦平面)中。
56.所述评估装置可以被设置为处理由第二检测器产生的电信号，并且评估装置可以被设置为根据第二检测器上的强度分布确定发散角。
57.在实施例的可能的变型中，所述光束整形装置被设置为使得当光束焦点的轴向位置变化时，检测器上的两个光束点的位置在彼此相隔距离w的两条路径上延伸。
58.此外，还可以提供一种系统，该系统包括用于引导和聚焦能量束的光束分析装置和处理光学器件。所述处理光学器件可以包括解耦装置，用于将所述样本束从所述能量束解耦。此外，所述光束分析装置可以连接到所述处理光学器件，用于接收解耦的样本束。所述光束分析装置因此可以以简单的方式用于测试能量束。
59.为了实现本发明的目的，根据本发明还提供了一种用于确定光束焦点的轴向位置的光束分析方法。这里，光束焦点是电磁辐射的能量束的焦点或从能量束解耦的样本束的焦点。所述方法至少包括以下步骤：
[0060]-在子光束释放平面中，从能量束或从与能量束解耦的样本束释放(至少)两个子光束，例如通过光束整形装置，其中所述两个子光束是第一子光束和第二子光束，其中在所述子光束释放平面中所述两个子光束横截面由相应的子孔限定。所述子孔彼此分隔，并且所述子孔的中心点彼此具有距离k。所述子孔之间的距离k限定第一横向方向。术语“横向”是指与相应的局部光轴垂直的平面中的方向。
[0061]-将所述两个子光束引导到检测器上，所述检测器沿着所述两个子光束的传播路径被布置在所述子光束释放平面后面的距离s处，其中将所述两个子光束引导到所述检测器上包括以下子步骤:
[0062]
●
将两个子光束成像，例如通过光束整形装置成像到检测器上，以便从两个子光束中的每一个形成至少一个光束点(也就是说，从所述第一子光束形成至少一个光束点和从所述第二子光束形成至少一个光束点)，以便在检测器上形成具有两个光束点的强度分布，其中所述两个光束点分别为所述第一子光束的至少一个光束点和所述第二子光束的至少一个光束点，
[0063]
●
所述两个子光束中的至少一个在第二横向方向上的偏转和/或移位，例如通过光束整形装置，从而在检测器上的两个光束点之间形成沿第二横向方向的距离w，其中所述第二横向方向与所述第一横向方向垂直对齐。
[0064]-通过检测器的对光辐射敏感、二维空间分辨的传感器将照射在检测器上的强度分布转换为电信号。
[0065]-处理表示检测器上的强度分布的检测器的电信号，例如通过评估装置。
[0066]-确定所述两个光束点的位置之间沿着所述第一横向方向的距离a，例如通过所述评估装置。
[0067]-基于距离a确定光束焦点的轴向位置，或基于距离a的变化确定光束焦点的轴向位置的变化。
[0068]
光束整形装置尤其可以根据所描述的实施例的任何形式来设计。这里描述的优点相应地适用于光束分析方法。
[0069]
特别地，所述评估装置可以根据所述实施例的任何形式来设计。这里描述的优点相应地适用于光束分析方法。
[0070]
根据本发明的光束分析方法还可以由下面列出的一个或多个可选步骤来表示。
[0071]
所述两个子光束可以相对于彼此偏转和/或偏移，例如通过所述光束整形装置，其中所述两个子光束的偏转和/或偏移之间的差沿着所述第二横向方向对准，由此在所述检测器上所述两个光束点之间形成沿所述第二横向方向的距离w。
[0072]
特别地，两个子光束中的两个子光束可以在第二横向方向上偏转和/或偏移，由此仅两个子光束沿着第二横向方向的偏转和/或偏移之间的差导致距离w的形成。这使得能够在对光轴的影响较小的情况下实现较大的距离w。
[0073]
在另一步骤中，所述样本束可以与所述能量束解耦，例如通过解耦装置中的光束解耦器。
[0074]
作为样本束，能量束的0.01％到5％范围内的辐射分量可以通过反射和/或透射来解耦，例如通过光束解耦器。
[0075]
所述两个子光束到所述检测器上的成像可以通过成像装置来完成，所述成像装置具有布置在所述光束整形装置中的至少一个光学透镜。
[0076]
子光束的释放可以发生在位于成像装置的像侧焦点处的平面中。
[0077]
基于两个光束点的距离a确定光束焦点的轴向位置，或者基于两个光束点的距离a的变化确定光束焦点的轴向位置的变化，可以通过线性计算规则来执行。
[0078]
基于两个光束点的距离a确定光束焦点的轴向位置，或基于两个光束点的距离a的变化确定光束焦点的轴向位置的变化，可以通过至少部分线性的计算规则来执行。
[0079]
在另一步骤中，可以通过光束折叠装置形成第一折叠光束路径，光束折叠装置包括分束器和至少一个反射镜，并且被布置在检测器前面的光束路径中，通过使离开分束器的光束分量反射回到分束器中。这里，所述两个子光束的释放可以在所述光束折叠装置前面的所述光束路径中或在所述第一折叠光束路径中发生。
[0080]
在又一步骤中，通过进一步包括至少一个第二反射镜的光束折叠装置，可以通过在第二反射镜处将离开分束器的另一辐射分量反射回到分束器中形成第二折叠光束路径。
[0081]
还设想了一种可选的方法，其中在第一折叠光束路径中发生两个子光束的释放，并且在第二折叠光束路径中不发生子光束的释放，因此，样本束(或能量束)的辐射分量作为未调制光束被引导到检测器上。这里，例如通过所述评估装置，可以根据所述未调制光束的光束点在所述检测器上的强度分布来确定光束直径和/或光束轮廓。
[0082]
在另一种可选的方法中，所述反射镜在所述第二光束路径中的轴向位置可以通过定位装置来改变，并且对于所述反射镜的至少三个不同位置中的每一个，所述未调制光束的光束点的强度分布可以记录在所述检测器上。所述未调制光束的至少一个光束参数可以
根据所记录的强度分布来确定，例如通过所述评估装置。
[0083]
在另一步骤中，可以确定检测器上具有两个光束点的整个强度分布的横向位置，并且可以从整个强度分布的横向位置计算样本束的光束焦点的横向位置，或者，可以通过整个强度分布的横向位置的变化来计算样本束的光束焦点的横向位置的变化。
[0084]
另一可能的方法可以包括以下三个步骤：
[0085]-通过被布置在所述成像装置的光学透镜后面的光束路径中并且在子光束释放平面的前面的分束器来分离所述样本束，
[0086]-通过另一成像装置将分离样本束成像到第二检测器上，所述另一成像装置包括布置在分束器和第二检测器之间的至少一个光学透镜，用于在第二检测器上形成放大的光束点或光束焦点的放大图像。
[0087]-根据第二检测器上的强度分布确定光束直径或焦点直径。
[0088]
还有又一可能的方法可以包括以下三个步骤：
[0089]-通过被布置在所述成像装置的光学透镜后面的光束路径中并且在子光束释放平面的前面的分束器来分离所述样本束，
[0090]-通过另一成像装置将分离的样本束引导到第二检测器上，所述另一成像装置具有布置在分束器和第二检测器之间的至少一个光学透镜，用于在第二检测器上形成远场光束分布。这里，所述成像装置和所述另一成像装置一起形成具有像侧焦平面的组合透镜系统。第二检测器布置在组合透镜系统的像侧焦平面中。
[0091]-根据第二检测器上的强度分布确定远场光束直径或发散角。
[0092]
可选地设想一种方法，其中通过处理光学器件来聚焦能量束。
[0093]
可选地设想另一种方法，其中所确定的光束焦点的轴向位置或所确定的光束焦点的轴向位置的改变被用于控制激光加工操作。
[0094]
可选地提供一种方法，其中，当光束焦点的轴向位置改变时，检测器上的两个光束点的位置在相隔距离w的两条路径上延伸。
附图说明
[0095]
参考以下附图更详细地表示本发明，但不限于所示的实施例和实施例的形式。相反，还设想了实施例的形式，其中元素和方面可以被组合起来，如在各附图中所示。这里：
[0096]
图1a:示出了根据本发明的光束分析装置的实施例的形式的示意图。
[0097]
图1b:示出了类似于图1a的具有附加解耦装置的光束分析装置的实施例的形式的示意图。
[0098]
图2:示出了用于光束分析装置的调制装置的示意图，以及在调制装置的前面和后面的示例性强度分布的示意图。
[0099]
图3:示出了光束分析装置的检测器上的光束点的示意性示例图，以及检测器上的强度分布的示意图。
[0100]
图4:示出了如图1a所示的光束分析装置的示意图，其中具有改变的焦点位置的光束路径的附加图示。
[0101]
图5:示出了检测器上的光束点的示意性示例图，其中具有当焦点位置改变时光束点的位置改变附加图示。
[0102]
图6:示出了光束分析装置的示意性不完整图示，其中调制装置布置在成像装置的前面。仅示出了对于确定焦点位置至关重要的那些元素。
[0103]
图7:示出了光束分析装置的示意性不完整图示，其中调制装置位于成像装置的后面。仅示出了对于确定焦点位置至关重要的那些元素。
[0104]
图8:示出了光束分析装置的实施例的变型的示意图，其中调制装置布置在成像装置的焦平面中。
[0105]
图9:示出了光束分析装置的实施例的变型的示意图，其中成像装置和光束分离器装置以共同的布置实现。
[0106]
图10:示出了具有光束折叠装置的光束分析装置的另一实施例的形式的示意图。
[0107]
图11a:示出了具有在折叠光束路径中的光束分离器装置的布置的光束分析装置的另一实施例的形式的示意图。
[0108]
图11b:示出了光束分析装置的另一实施例的形式的示意图，其具有在折叠光束路径中的光束分离器装置的布置以及使用替代的分束器。
[0109]
图12:示出了光束分析器的另一实施例的形式的示意图，其中调制装置和光束分离器装置布置在折叠光束路径中。
[0110]
图13:示出了光束分析装置的另一实施例的形式的示意图，其中调制装置和光束分离器装置以共同的布置实现。
[0111]
图14:示出了光束分析装置的另一实施例的形式的示意图，其具有用于形成两个不同光束路径到检测器上的光束折叠装置。
[0112]
图15a:示出了用于具有两个光束路径的光束分析装置的实施例的变型的检测器上的光束点的示意性示例图示。
[0113]
图15b:示出了用于具有两个光束路径的光束分析装置的实施例的变型的检测器上的光束点的示意性示例图示，其中具有当焦点位置改变时光束点的位置的改变的附加图示。
[0114]
图16a:示出了具有到检测器上的两个光束路径和附加的快门装置的光束分析装置的另一实施例的形式的示意图。
[0115]
图16b:示出了类似于图16a的具有附加的解耦装置的光束分析装置的实施例的另一变型的示意图。
[0116]
图16c:示出了类似于图16a的具有附加的解耦装置和附加的光束功率测量的光束分析装置的实施例的另一变型的示意图。
[0117]
图16d:示出了类似于图16c的具有多级解耦装置的光束分析装置的实施例的另一变型的示意图。
[0118]
图17:示出了具有到检测器上的两个光束路径的光束分析装置的实施例的另一形式的示意图，其中调制装置仅布置在一个光束路径中。
[0119]
图18:示出了具有到检测器上的两个光束路径的光束分析装置的实施例的另一形式的示意图，其中调制装置仅布置在一个光束路径中并且其中未调制光束被放大成像到检测器上。
[0120]
图19a:示出了类似于图17的光束分析装置的实施例的另一变型的示意图，其中未调制光束的光束路径长度是可调节的。
[0121]
图19b:示出了类似于图19a的具有附加的解耦装置的光束分析装置式的实施例的另一形的示意图。
[0122]
图19c:示出了类似于图19a的具有附加的解耦装置和具有附加的光束功率测量的光束分析装置的实施例的另一形式的示意图。
[0123]
图19d:示出了类似于图19a的与处理光学器件相结合的光束分析装置的另一形式的实施例的示意图，其中样本束与处理光学器件的准直能量束解耦。
[0124]
图19e:示出了类似于图19a的与处理光学器件相结合的光束分析装置的实施例的另一形式的示意图，其中样本束是通过从保护玻璃反射回来的辐射分量的反射解耦形成的。
[0125]
图19f:示出了类似于图19a的与处理光学器件相结合的光束分析装置的实施例的另一形式的示意图，其中样本束是通过从保护玻璃反射回来的辐射分量透射耦合出形成的。
[0126]
图20:示出了具有附加的将样本束分量分离和成像到第二检测器上的光束分析装置的实施例的另一形式的示意图。
[0127]
图21:示出了具有附加的将样本束分量分离和引导到具有可调节的光束路径长度的第二检测器上的光束分析装置的实施例的另一形式的示意图。
[0128]
图22:示出了具有类似于图14的两个光束路径并且具有附加的将样本束的远场光束分布分离和成像到第二检测器上的光束分析装置的实施例的另一形式的示意图。
[0129]
图23:示出了具有类似于图18的两个光束路径并且具有附加的将样本束的远场光束分布分离和成像到第二检测器上的光束分析装置的实施例的另一形式的示意图。
[0130]
图24:示出了具有类似于图19a的两个光束路径并且具有附加的将样本束的远场光束分布分离和成像到第二检测器上的光束分析装置的实施例的另一形式的示意图。
[0131]
图25:示出了具有光束整形装置的光束分析装置的实施例的形式的示意图，所述光束整形装置具有用于分离出(释放)四个子光束的四个子孔。
[0132]
图26a:示出了根据图25的用于光束分析装置的调制装置和光束分离器装置的示意图。
[0133]
图26b:示出了根据图25的光束分析装置的检测器和根据图26a的调制装置的检测器上的光束点的示意性示例图示。
[0134]
图27a:示出了类似于图25的用于光束分析装置的另一调制装置和光束分离器装置的示意图。
[0135]
图27b:示出了当使用根据图27a的调制装置时检测器上的光束点的示意图。
[0136]
图28a:示出了具有四个子孔的另一调制装置的示意图。
[0137]
图28b:示出了当使用根据图28a的调制装置时检测器上的光束点的示意图。
[0138]
图29a:示出了类似于图25的用于光束分析装置的另一调制装置和光束分离器装置的示意图，但是具有三个子孔。
[0139]
图29b:示出了当使用根据图29a的调制装置时检测器上的光束点的示意图。
[0140]
图30a:示出了具有四个子孔的另一调制装置和用于偏转四个子光束的光束分离器装置的示意图。
[0141]
图30b:示出了当使用根据图30a的调制装置时检测器上的光束点的示意图。
[0142]
附图的详细描述
[0143]
图1a示出了根据本发明的光束分析装置10，其包括光束整形装置12、检测器40和评估装置45。优选地，光束整形装置12、检测器40和评估装置45一起被布置在壳体中。光束分析装置10接收沿光轴11传播的具有光束焦点71的样本束70。光束整形装置12包括调制装置20、光束分离器装置52和成像装置50，在本实施例的示例中，其被设计为独立的装置。调制装置20用于在子光束释放平面19中使两个子光束72、73与样本束70分离。为此，调制装置20具有至少两个彼此分隔的透射区21、22，以及至少一个阻挡区25，阻挡区在每种情况下完全包围透射区21、22并将它们彼此分开。在透射区21、22的区域中，辐射向前传播到检测器40；在阻挡区25的区域中，防止辐射传播到检测器。以这种方式，透射区21、22的边缘限定两个子孔32、33，子孔32、33在子光束释放平面19中限定这样形成的子光束72、73的横截面。子孔32、33的中心点具有彼此之间的距离k。距离k，也就是说，子孔32、33的中心点的假想最短连接限定了第一横向方向31。第一横向方向31与局部光轴11成直角排列。在图1a的选定表示中，作为示例，第一横向方向31平行于y坐标轴对齐。因此，图1a的上部示出了光束分析装置10在y-z平面中的图示，如坐标箭头y、z所示。调制装置20在子光束释放平面19内调制样本束70强度分布，从而形成具有两个子光束72、73的整形样本束79。例如，调制装置20可以是具有两个开口的双孔屏，其中，两个开口代表透射区21、22。
[0144]
通过成像装置50，将整形样本束79成像到检测器40上。在传感器平面39中，检测器40具有光辐射敏感、在二维空间上分辨的传感器，其将检测器40上的强度分布转换成电信号，所述电信号由评估装置45接收和处理。在这种形式的实施例中，为此，评估装置45与检测器40电连接。成像装置50包括至少一个光学透镜51。通过将整形样本束79成像到检测器40上，在检测器上对于子光束72、73中的每一个形成至少一个光束点92、93。两个光束点92、93在检测器40上在第一横向方向31上具有彼此之间的距离a。除其它外，距离a取决于子孔32、33之间的距离k，子光束释放平面19和传感器平面39之间的距离s，以及光束焦点71的轴向位置与子光束释放平面19之间的距离zs。因此，光束焦点71的轴向位置可以从距离a确定。如果光束焦点71的成像位置落在检测器40上或传感器平面39上，则距离a为零。为了评估装置45能够明确地分配光束点92、93，并且因此区分光束焦点71的正位移和负位移，也就是说，向前或向后，根据本发明规定，使子光束72、73中的至少一个沿第二横向方向37偏转或偏移，第二横向方向37横向于第一横向方向31定向。第二横向方向37例如可以与第一横向方向31成直角排列。与第一横向方向31相同，第二横向方向37与局部光轴11成直角。在图1a的实施例的形式中，两个子光束72、73都沿着第二横向方向37偏转。为此，光束整形装置12具有光束分离器装置52，在本实施例中，所述光束分离器装置52包括作为子光束偏转元件53、54的两个楔形板。在每种情况下，楔形板53、54中的一个在光束方向上对准地布置在透射区21、22中的一个的后面。在所示的示例中，两个子光束由此沿着第二横向方向37偏转大致相同的量，但是在相反的方向上。偏转方向由楔形板的楔形角的方向定义。例如，子光束72可以由楔形板53偏转0.02
°
至6
°
范围内的角度量，并且子光束73可以由楔形板54沿相反方向偏转相同的角度量。由于偏转和传播朝向检测器40，光束点92、93在第二横向方向37的方向上具有彼此之间的距离w。为了说明这种偏转，其在图1a的上部发生在图的平面之外，在图1a的下部示出了光束分析装置10在x-z平面中的部分图示，如图下部坐标箭头x，z所指示的。
[0145]
图1b示出了类似于图1a中所示的实施例的形式的光束分析装置10。图1b所示的光束分析装置10的实施例的变型与图1a所示的实施例的不同之处在于附加的解耦装置14。解耦装置14包括光束解耦器15。通过光束解耦器15，样本束70与电磁辐射的能量束77(例如激光束)解耦。在这个示例中，光束解耦器15是平板，其被布置为分束器，并且在其一个界面处部分的能量束77的强度被反射为样本束70。为了调节反射程度，可以例如用反射减少层涂覆平板。通常的抗反射涂层在约0.05％至约1％的范围内的低残余反射可以足以提供样本束70。因此，解耦装置14同时减小和/或限制样本束70的辐射强度。图1b中实施例的所有其他特征对应于图1a中所示的特征，相同的附图标记对应于与图1a中相同的特征；在这方面，参考图1a中其他特征的描述。
[0146]
图2示出了可以在根据图1a或1b的光束分析装置10中使用的调制装置20的示例。图2所示的调制装置20是双孔屏。调制装置20具有两个单独的透射区21、22和围绕透射区21、22的阻挡区25。在本实施例中，透射区21、22为圆形开口。在阻挡区25的区域中没有辐射被传送；阻挡区25可以由吸收性和/或反射性材料组成。透射区21、22的边缘限定两个子孔32、33。子孔32、33的中心点限定第一横向方向31，并且彼此之间具有距离k。在这种形式的实施例中，子孔32、33各自具有沿第一横向方向31的宽度b。样本束70照射在调制装置20上，并且在调制装置20的前面具有强度分布81，例如可以是高斯的。通过透射区21、22传播的辐射形成具有两个子光束72、73的整形样本束79。紧接在调制装置20的后面，整形样本束79具有强度分布82。对于高斯形样本束70，在调制装置20前面的样本束70的强度分布81和紧接在调制装置20后面的整形样本束79的强度分布82在图2的右侧部分中示意性地示出为沿第一横向方向31的光束分布。
[0147]
图3是根据图1a或1b的光束分析装置10中的检测器40上的强度分布的示意性示例图示。检测器40上的强度分布由光束点92、93组成，所述光束点通过成像装置50被聚焦或近似聚焦。光束点92、93在第一横向方向31上彼此之间具有距离a。在所示的光束点的示例性分布中，距离a为零，但可以具有任何值。当光束焦点71的轴向位置改变时，距离a改变。通过借助光束分离器装置52使子光束72、73偏转，光束点92、93在第二横向方向37上彼此之间具有距离w。距离w不会随着光束焦点71的轴向位置的改变而改变。在图3的右手部分中，在检测器40上的整形样本束79的强度分布83被示意性地表示为沿第二横向方向37的光束轮廓。所表示的强度分布83的光束轮廓中的两个峰表示光束点92、93。
[0148]
图4示出了与图1a中相同的光束分析装置10。在这方面，参考图1a的描述来解释图4。图4附加地示出了当光束焦点71的轴向位置改变时，检测器40上的光束点92、93之间的距离a的改变。为了不损害表示的清晰度，在图4中不以形成在子孔32、33的边缘处的其边缘光束来表示子光束72、73，而仅以穿过子孔32、33的相应中心点的其光束来表示。通过子孔32、33的中心点的光束在检测器40上的照射点表示光束点92、93的位置。图4中的撇号参考符号表示由光束焦点71的移位改变的细节。光束焦点位置的变化δz＝z
s-zs'引起光束点92、93的间距的变化δa＝a'-a。
[0149]
以与图3类似的方式，图5示意性地示出了根据图1a、图1b或图4的光束分析装置10的检测器40上的光束点92、93的强度分布，光束分析装置10装配有如图2所示的调制装置20。图5附加地示出了当光束焦点71的轴向位置改变时，检测器40上的光束点92、93之间的距离a的改变。图中的撇号参考符号表示由光束焦点的轴向移位所改变的细节。光束点92、
93在第一横向方向31上彼此之间具有距离a。例如，当光束焦点71的轴向位置改变时，距离a改变为距离a'。在第二横向方向37上，子光束72、73通过光束分离器装置52的偏转而光束点92、93彼此之间具有距离w，当光束焦点71的轴向位置改变时，该距离不会改变。距离w与光束焦点71的轴向位置无关。因此，当轴向光束焦点位置改变时，光束点92、93在检测器40上的位置在彼此相隔距离w的两条路径上延伸。因此，光束点的分配始终是明确的，并且可以明确确定改变的幅度和改变的方向。
[0150]
图6示出了影响光束点92和93之间的距离a与光束焦点71的轴向位置的函数关系的几何量和关系，也就是说，表示了对于确定焦点位置至关重要的元素。附图标记10和52被设置在括号中，因为并非表示光束分析装置10的所有元件。否则，这里所示的光束分析装置10对应于图1a所示的装置，其中调制装置20在光束方向上布置在成像装置50的透镜51的前面。在图中，使用以下定义的公式符号显示了以下几何量:
[0151]
a是检测器40上的光束点92和93之间沿第一横向方向31的距离；
[0152]
a'是当光束焦点位置改变时，在检测器40上的光束点92'和93'之间沿第一横向方向的距离；
[0153]
k是在子光束释放平面19内子孔32、33的中心点距离，其中连接子孔32、33的中心点的假想线限定了第一横向方向31；
[0154]zs
是光束焦点71的轴向位置与子光束释放平面19之间的距离；
[0155]zs
'是移位光束焦点71'的轴向位置与子光束释放平面19之间的距离；
[0156]
δz为轴向光束焦点位置的变化，δz＝z
s-zs'；
[0157]
z0是当利用成像装置50成像时，光束焦点的图像平面正好与检测器40的传感器平面39重合的情况下，从光束焦点到子光束释放平面19的距离；
[0158]
s是子光束释放平面19和检测器40的传感器平面39之间的距离；
[0159]
e是从子光束释放平面19到成像装置50的位置的距离，或者更确切地说，
[0160]
到成像装置50的主平面的距离。
[0161]
图7示出了如图6所示的几何量和关系，这些几何量和关系确定了光束点92和93之间的距离a与光束焦点71的轴向位置的函数关系。与图6相比，这里调制装置20在光束方向上布置在成像装置50的透镜51的后面。为这种情况定义了一个不同的公式符号：
[0162]
d是从成像装置50的位置，更确切地说是从成像装置50的主平面到子光束释放平面19的距离。
[0163]
图8示出了类似于图1a的光束分析装置10的光束分析装置10的实施例的变型，具有以下区别：调制装置20在光束方向上布置在成像装置50的透镜51的后面；特别地，从成像装置50的主平面到子光束释放平面19的距离d等于焦距f，其中f是成像装置50的焦距。换句话说，子光束释放平面19位于成像装置50的像侧焦点(第二焦点)处。在这种布置中，距离的变化δa＝a'-a，也就是说，光束点92、93之间在第一横向方向31上的位置差的变化，与轴向光束焦点位置的变化δz正好成比例。这种情况的计算公式为:
[0164]
δz＝δaf2/(sk)
[0165]
这种简单的线性关系简化了装置的校准，并且可以实现特别高的焦点位置确定精度。
[0166]
进一步的，图8示出了与图1a的光束分析装置10相反的光束分离器装置52的实施
例的另一变型。在此示出的光束分离器装置52的示例性变型包括作为子光束偏转元件53、54的两个平板。平板53、54在光束方向上对准布置在相应的子孔32、33的前面或在这种情况下是后面，并且以彼此相对的角度倾斜，使得两个子光束72，73在第二横向方向37上彼此偏移。平板通常比楔形板便宜；此外，可以通过平板的倾斜角来调节光束点92、93之间在第二横向方向37上的距离w。所示的所有其他元件对应于图1a的描述。
[0167]
图9示出了类似于图1a的光束分析装置10，其中成像装置50和光束分离器装置52以共同的布置实现。为此，包含在成像装置50中的透镜51被分成两个半部，并且两个透镜半部在与由距离k限定的第一横向方向31成直角的方向上相对于彼此移位。所示的所有其他元件对应于图1a的描述。
[0168]
图10示出了根据本发明的光束分析装置10的另一实施例。光束分析装置10在此附加地装配有光束折叠装置60，否则对应于图1a。光束折叠装置60包括分束器61和反射镜64。在本实施例中，光束折叠装置60设置在光束整形装置12的后方。通过分束器61(其可以是例如分束器立方体)，使整形样本束79的辐射分量偏转。偏转的光束分量照射在反射镜64上，并被反射镜64反射回到分束器61中。通过反射镜64反射回来使光束折叠，从而形成第一折叠光束路径。在再次穿过分束器61之后，整形样本束79照射在检测器40上。在图中的检测器40周围环绕的区域在图的下部被示出为放大的细节，其中下面的细节是在x-z平面中的表示，也就是说，它显示与图上部的平面成直角的平面。
[0169]
借助于通过光束折叠装置60对整形样本束79的偏转，局部光轴11的方向发生改变。因此，在这种情况下，检测器40的区域中的第一横向方向31不指向与由子光束释放平面19中的距离k所限定的第一横向方向31相同的方向。第一横向方向31总是相对于样本束70、79的局部坐标来理解。样本束70、79的局部坐标总是相对于局部光轴11定向。局部光轴11总是形成局部坐标的z轴。因此，第一横向方向31总是被定向与局部光轴11(也就是说，与局部z轴)成直角(也就是说，横向地)。同样的情况也适用于第二横向方向37；第二横向方向37也总是要结合样本束70、79的局部坐标来理解。因此，第一横向方向31和第二横向方向37总是与局部光轴成直角，而第二横向方向37总是与第一横向方向31横向排列。局部光轴和局部z轴甚至可以通过反射精确地反转，例如在反射镜64处。这里，第一横向方向31和第二横向方向37相应地改变。
[0170]
第一横向方向31是由子孔32、33的中心点的假想连接(也就是说，通过距离k)来限定，并由与局部光轴11的改变相对应的光束重定向产生。
[0171]
光束折叠装置60使得光束分析装置10的设计紧凑、节省空间。图10中所示的所有其他元件对应于图1a的描述。
[0172]
图11a示出了类似于图1a和图10的具有附加的光束折叠装置60的光束分析装置10。这里，光束折叠装置60包括分束器61和两个反射镜56、57。在本实施例中，光束折叠装置60设置在调制装置20的后面。通过分束器61，释放的子光束72、73的辐射分量被偏转。在偏转的辐射分量中，子光束72、73中的一个分别照射在反射镜56、57中的一个上。两个反射镜56、57将子光束72、73反射回到分束器61中。通过反射镜56、57反射回来形成第一折叠光束路径。两个反射镜56、57彼此以小角度倾斜，并且以这种方式同时形成光束分离器装置52。为此，反射镜56、57的镜面上的法线方向之间的差沿着第二横向方向37对齐。反射镜56、57的镜面上的法线方向之间的角度差可以例如在0.01
°
至3
°
的范围内。在再次穿过分束器61
之后，两个偏转的子光束72、73作为整形样本束79被引导到检测器40上。反射镜通常比楔形板便宜；此外，光束点92、93之间在第二横向方向37上的距离w可以通过反射镜56、57的倾斜角来调节。所示的所有其他元件如图1a和图10中所述。
[0173]
图11b示出了与图11a相同的光束分析装置10。图11b通过示例的方式示出了光束折叠装置60的分束器61不仅可以被设计为分束器立方体，还可以被设计为分束器反射镜，或者分束器板。示出的所有其他元件对应于图1a、图10和图11a的描述。
[0174]
图12示出了类似于图11a的光束分析装置10。与图11a的实施例的示例相反，调制装置20不布置在光束折叠装置60的前面，而是布置在折叠光束路径中的光束折叠装置60内，在与反射镜56、57大致相同的平面内。示出的所有其他元件对应于图1a、图10和图11a的描述。
[0175]
图13示出了类似于图12的光束分析装置10。与图12的实施例相比，布置在折叠光束路径中的调制装置20在此也被设计为光束分离器装置52。这里，调制装置20由反射镜56、57构成。反射镜56、57同时形成光束分离器装置52，并且同时是光束折叠装置60的一部分。反射镜56和57的边缘在此形成子孔32、33。因此，在该实施例的变型中，通过在子孔32、33或反射镜56、57内的辐射的反射而发生子光束72、73的释放，而在子孔32、33外的辐射不被反射，因此对检测器40上的强度分布没有贡献。如在图11a的实施例的变型中，沿着第二横向方向37反射镜56、57的镜面上的法线方向之间的差被对准，以形成检测器40上的光束点92、93在第二横向方向37上的距离w。示出的所有其他元件对应于图1a、图10和图11a的描述。
[0176]
图14示出了类似于图11a的光束分析装置10，其具有包括分束器61和两个反射镜56、57的光束折叠装置60，其中，反射镜56、57同时形成光束分离器装置52。在这里示出的实施例中，光束折叠装置60还被用于形成另外的到检测器40的第二折叠光束路径。为此，从分束器61发出的子光束72、73的第二光束分量通过形成第二光束分离器装置55的另一对反射镜58、59被反射回去，并且来自两个折叠光束路径的子光束72、73的光束分量通过相同的分束器61再次叠加到通往检测器40的公共传播路径上。因此，子光束72、73可以各自形成两个光束点，也就是说，通过第一折叠光束路径形成第一对光束点92、93，并且通过第二折叠光束路径形成第二对光束点92、93，使得在检测器40上可以形成最多4个束点。经由第一折叠光束路径成像的光束点92、93在第一横向方向上具有间距a1，并且经由第二折叠光束路径成像的光束点92、93在第一横向方向上具有间距a2。通过在第一折叠光束路径中的光束分离器装置52，在经由第一折叠光束路径成像的光束点92、93之间在第二横向方向37上形成距离w1。相应地，通过在第二折叠光束路径中的第二光束分离器装置55，在经由第二折叠光束路径成像的光束点92、93之间在第二横向方向37上形成距离w2。可以选择两个折叠光束路径的长度以使其不同。可以有利地使用不同光束路径长度的选择来增加光束分析装置10相对于光束焦点71的位置的改变的检测范围，和/或能够将光束分析装置10用于在不同光束焦点位置或距子光束原点的平面19的距离zs处具有不同光束发散的样本束70。图14中所示的所有其他元件对应于图1a、图10和图11a的描述。
[0177]
图15a是根据图14的具有两个折叠光束路径的光束分析装置10中的检测器40上的强度分布的示意性示例图示。检测器40上的强度分布由两对光束点92、93组成。第一对光束点92、93在第一横向方向31上彼此之间具有距离a1。距离a1在示出的光束点的传播中为零，并且当光束焦点71的轴向位置改变时改变。由于通过光束分离器装置52使子光束72、73偏
转，第一对光束点92、93在第二横向方向37上彼此之间具有距离w1。当光束焦点71的轴向位置改变时，距离w1不改变。第二对光束点92、93在第一横向方向31上彼此之间具有距离a2，并且由于通过第二光束分离器装置55使子光束72、73偏转而在第二横向方向37上彼此之间具有距离w2。当光束焦点71的轴向位置改变时，距离w2不改变。
[0178]
图15b示出了与图15a相同的根据图14的具有两个折叠光束路径的光束分析装置10中的检测器40上的强度分布的示例性图示。图15b另外地示出了当针对两个光束点对改变光束焦点71的轴向位置时，检测器40上的光束点92、93之间的距离a1和a2的改变。图中的撇号参考符号表示光束焦点的轴向移位所改变的细节。第一对光束点92、93在第一横向方向31上彼此之间具有距离a1。当光束焦点71的轴向位置改变例如改变为a1'。在第二横向方向37上，第一对光束点92、93彼此之间具有距离w1，当光束焦点71的轴向位置改变时，其不会改变。在第一横向方向31上，第二对光束点92、93彼此之间具有距离a2，并且例如当光束焦点71的轴向位置改变时，改变到距离a2'。在第二横向方向37上，第二对光束点92、93彼此之间具有距离w2，当光束焦点71的轴向位置改变时，该距离w不会改变。因此，当轴向光束焦点位置变化时，两对光束点92、93在检测器40上的位置在四个不同的路径上延伸。因此，光束点的分配始终是明确的，并且可以明确确定改变的幅度和改变的方向。
[0179]
图16a示出了光束分析装置10，其基本上以与图14中的光束分析装置相同的方式构造。图16a所示的实施例的变型还包括快门装置69。通过快门装置69，两个折叠的光束路径中的一个可以可选地被光学阻挡。在这里所示的实施例中，偏转镜68布置在第二折叠光束路径中，使得两个折叠光束路径部分地平行。然后，快门装置69可以特别简单地实现为线性可移位的快门，或者可以绕轴枢转的快门。以这种方式，可以控制子光束72、73经由哪个光束路径成像到检测器40上。这对于可靠地识别检测器40上的相应光束路径对92、93可能是有利的。所示的所有其他元件对应于图1a、图10、图11a和图14的描述。
[0180]
图16b至图16d示出了图16a的光束分析装置10的实施例的其他变型，其具有用于将样本束70从能量束77分离或解耦的不同实施例选项。
[0181]
图16b示出了光束分析装置10，其中通过解耦装置14将样本束70从能量束77解耦。为此，光束分析装置10包括具有光束解耦器15的解耦装置14，在本实施例中，光束解耦器15由分束器板实现，在分束器板的界面处，能量束77的强度的一部分被反射为样本束70。为了调节反射程度，可以例如用反射减少层涂覆平板。通常抗反射涂层的在约0.05％至约1％范围内的低残余反射率可以足以提供样本束70。因此，解耦装置14还用于衰减样本束70的辐射强度。能量束77具有能量束焦点76。由于样本束70在不改变其几何特性和光束参数的情况下从能量束77解耦，因此能量束焦点76同时是样本束70的光束焦点71。示出的所有其他元件对应于图14和图16a的描述。
[0182]
图16c所示的光束分析装置10与图16b所示的装置的不同之处在于，其具有附加的光束吸收器装置44，该光束吸收器装置44也被设置为测量光束功率。为此目的，能量束77在通过具有光束解耦器15的解耦装置14之后被引导至吸收器和功率测量装置44。在所示的实施例中，评估装置45连接到吸收器和功率测量装置44。由吸收器和功率测量装置44产生的测量值可以由评估装置45记录和/或处理。示出的所有其他元件对应于前面的附图，特别是图16a的描述。
[0183]
图16d示出了光束分析装置10的实施例的变型，其在很大程度上对应于图16c的实
施例的形式。在这里所示的实施例中，解耦装置14包括光束解耦器15和第二光束解耦器16，所述第二光束解耦器16布置在光束解耦器15的下游。以这种方式，解耦装置14实现了对样本束70的特别高的光束衰减。例如，作为两级解耦的结果，样本束70的强度可以位于能量束77的强度的0.002％到0.2％的范围内。因此，通过串联连接的两个光束解耦器15、16，还可以确定具有特别高的功率的能量束77的焦点位置。例如，这种能量束可以由高功率激光器产生，并且具有几千瓦的功率。另外，第二输出耦合可以在相对于第一反射旋转了90
°
的平面中的反射的情况下发生，从而可以补偿与偏振有关的反射程度的差异。通过第二光束解耦器16的残余辐射可以由另一吸收器装置43收集。示出的所有其他元件对应于前面的附图，特别是图16a的描述。
[0184]
图17表示光束分析装置10的实施例的形式，包括光束整形装置12、光束折叠装置60、检测器40和评估装置45。优选地，光束整形装置12、光束折叠装置60、检测器40和评估装置45一起布置在壳体中。光束整形装置12包括具有至少一个光学透镜51的成像装置50、调制装置20和具有反射镜56、57的光束分离器装置52。光束折叠装置60包括分束器61、反射镜64和反射镜56、57，其中后者也是光束分离器装置52的一部分。光束折叠装置60在光束方向上布置在成像装置50的透镜51的后面。分束器61将样本束70分成两个辐射分量。两个辐射分量中的第一个通过调制装置20和光束分离器装置52，它们布置在紧密间隔的平面中。通过调制装置20，至少两个子光束72、73在具有两个子孔32、33的子光束释放平面19中被释放。子孔32、33的中心点在第一横向方向31上彼此之间具有距离k。两个子光束72、73随后分别通过光束折叠装置60和光束分离器装置52的反射镜56、57反射回到分束器61中，从而形成第一折叠光束路径。两个反射镜56、57彼此以小角度倾斜，并且以这种方式同时形成光束分离器装置52。为此，反射镜56、57的镜面上的法线方向之间的差沿着第二横向方向37对齐，第二横向方向37与第一横向方向31垂直对齐。两个辐射分量中的第二个在通过分束器61之后照射在反射镜64上，并被反射镜64反射回分束器61，从而形成第二折叠光束路径。在第二折叠光束路径中，没有对样本束70的强度分布进行调制，从而在第二光束路径中形成未调制光束78。在分束器61中，来自两个折叠光束路径的两个辐射分量被叠加并沿着具有局部光轴11的公共传播路径成像到检测器40上。因此，检测器40上的强度分布包括三个光束点92、93和98。两个光束点92、93是以前面解释的方式，通过对调制装置20和光束分离器装置52在第一折叠光束路径中形成的两个子光束72、73成像而形成的。光束点92、93在检测器40上在第一横向方向31上间隔开距离a。距离a随着光束焦点71的轴向位置的改变而改变。基于距离a或距离a的变化，评估装置45确定光束焦点71的轴向焦点位置或轴向焦点位置的变化。借助于通过光束分离器装置52使子光束72、73偏转，光束点92、93在第二横向方向37上彼此之间具有距离w。距离w不会随着光束焦点71的轴向位置的改变而改变。通过对沿第二折叠光束路径传播的未调制光束78进行成像，在检测器40上形成第三光束点98。因此，未调制光束的光束点98表示样本束70或样本束70可以从其中解耦的能量束77的原始强度分布。特别地，光束点98还可以是光束焦点71的图像。基于由成像装置50进行成像的图像尺度，光束焦点71的强度分布和/或直径因此也可以由评估装置45确定。
[0185]
图18示出了光束分析装置10的实施例的变型，其在很大程度上对应于图17的实施例的形式。在这里所示的实施例中，在检测器40上形成光束点98的未调制光束78以放大的方式成像到检测器40上。为此，具有至少一个光学透镜的另一成像装置63被布置在分束器
61和反射镜64之间的第二折叠光束路径中。特别地，成像装置63可以包含凹透镜。为了补偿成像装置63对图像位置的改变，第二折叠光束路径可以具有与第一折叠光束路径不同的光束路径长度。作为未调制光束78的放大图像的结果，可以以更高的分辨率和精度从光束点98确定强度分布和/或光束直径。示出的所有其他元件对应于前述附图的描述，特别是图17的描述。
[0186]
图19a中所示的实施例的变型也基本上对应于图17中实施例的形式。在这方面，还参考图17的描述。在这里表示的实施例的变型中，第二折叠光束路径中的光束路径长度是可变地可调节的。为此，反射镜64被布置成使得其可以轴向移动，例如通过线性引导件，并且与定位装置66耦合。通过定位装置66，反射镜64可以移动到不同的轴向位置(64、64')。定位装置66可以包括例如柱塞线圈驱动器，由此可以实现非常快速的调节，例如在毫秒范围内。可以设置评估装置45以控制定位装置66。评估装置45还可以被设置成与定位装置66交换数据，例如交换关于反射镜位置或调节路径改变的信息。以这种方式，可以连续地设置多个(优选地至少3个，特别优选地至少10个)反射镜位置，并且可以记录检测器40上的光束点98的各自的强度分布。根据这些数据，可以确定样本束70的各种光束参数，例如焦直径、光束发散度和/或光束参数乘积。因此，这里所示的光束分析装置10一方面能够准实时地确定轴向光束焦点位置，另一方面能够几乎实时地测量样本束70或能量束77的光束焦散(光束包络)，至少在很短的时间内。这也使得可以在非常短的时间内，例如在小于1秒的时间内，根据iso 11146标准测量光束。
[0187]
图19b和19c示出了图19a的光束分析装置10的实施例的其他变型，其具有用于将样本束70从能量束77分离或解耦的各种实施例可能性。
[0188]
因此，图19b示出了光束分析装置10，其中通过解耦装置14将样本束70从能量束77解耦。光束分析装置10对应于图19a所示的装置，并且进一步包括具有作为光束解耦器15的分束器板的解耦装置14。能量束77的强度的一部分在光束解耦器15的边界表面处被反射作为样本束70。因此，解耦装置14还用于衰减样本束70的辐射强度。能量束77具有能量束焦点76。由于样本束70在不改变其几何特性和光束参数的情况下与能量束77解耦，因此能量束焦点76同时是样本束70的光束焦点71。示出的所有其他元件对应于图17和19a的描述。
[0189]
图19c中所示的光束分析装置10与图19b中所示的装置的不同之处在于，其具有附加的光束吸收器装置44，其也被设置为测量光束功率。为此，在能量束77通过具有光束解耦器15的解耦装置14之后，能量束77被导向吸收器和功率测量装置44。由吸收器和功率测量装置44产生的测量值可以由评估装置45记录和/或处理。示出的所有其他元件都对应于前述附图的描述。
[0190]
图19d至19f示出了与图19a相同的光束分析装置10。附图示出了图19a的光束分析装置10在激光处理光学器件100上的使用。在图19d至19f中，示出了将样本束70从在激光处理光学器件100中引导的激光束77解耦的各种可能性。
[0191]
例如，图19d示出了通过集成在激光处理光学器件100中的解耦装置14的光束解耦器15提取激光束77的一部分。激光处理光学器件100通常还包括准直器113、聚焦装置116和保护玻璃120。光束解耦器15例如可以是电介质ar(抗反射)涂覆的倾斜平板，其中利用了ar层的残余反射。通常，电介质抗反射层反射一部分辐射强度，其可以在约0.05％至1％的范围内。在图19d的示例中，准直在准直器113前面的激光束77的一部分因此被解耦。形成光束
焦点71的解耦样本束70的源点在此例如是光纤的端部110。例如，这种布置适合于在可调准直器113的情况下，通过光束分析装置10确定光束出射点(例如光纤的端部110)的实际位置或实际或虚拟位置的改变。然后这个位置又可以用来计算能量束焦点76的位置，激光处理光学器件100将能量束或激光束77聚焦到这个焦点上。在准直器113中发生热透镜的情况下，例如由于准直器113的污染，焦点位置的改变也可以以这种方式在线确定，也就是说，在激光加工期间，优选地实时确定。所示的所有其他元件对应于图19a的描述。
[0192]
在图19e的示例中，光束解耦器15被布置为解耦从激光处理光学器件100的保护玻璃120反射回来的光束分量的一部分。辐射的反射回来的分量中的光束焦点71是激光束焦点76的镜像，因此激光束焦点76的位置的任何改变也将影响由光束分析装置10确定的光束焦点71的位置。为了能够区分从保护玻璃120的两个边界表面(正面和背面)反射过来的反射，保护玻璃120可以例如以微小的角度布置。或者，也可以用楔形板用作保护玻璃120以达到此目的。示出的所有其他元件对应于图19a和19d中的描述。
[0193]
图19f还示出了与图19a中相同的光束分析装置10。这里，光束分析装置10以类似于图19e中的方式耦合到激光处理光学器件100，并且接收从解耦装置14耦合出的样本束70，该样本束70作为激光束77的强度的一部分在保护玻璃120处被反射回来。在该实施例中，集成在激光处理光学器件100中的解耦装置14的光束解耦器15是高反射镜，例如具有高反射电介质涂层的平板，其实际上主要被设置用于使激光处理光学器件77中的激光束77偏转。这利用了这样的事实，即高反射(hr)涂层的反射镜具有可在0.05％至1％的范围内的残余透射率。该透射辐射分量形成解耦样本束70。示出的所有其他元件对应于图19a和19d中的描述。
[0194]
图20示出了基于图14的实施例的光束分析装置10的实施例的变型。光束分析装置10包括用于形成两个折叠光束路径的光束折叠装置60和设置在光束折叠装置60前面的调制装置20。此外，光束分析装置10在此包括第二分束器62、另一成像装置63和第二检测器42。第二分束器设置在成像装置50的透镜51和调制装置20之间。通过第二分束器62，辐射分量从样本束70解耦，以形成未调制光束78，所述未调制光束被引导并成像到第二检测器42上。另一成像装置63在光束方向上被布置在第二检测器42的前面，并且与成像装置50结合用于将未调制光束78放大成像到第二检测器42上。因此，通过将未调制光束78成像到第二检测器42上而形成的光束点98可以是光束焦点71的放大图像，或者从光束焦点71附近的光束焦散区域的样本束70的放大的光束横截面平面。由第二检测器42记录的强度分布可以由评估装置45评估。以这种方式，来自检测器40的信号用于确定焦点位置，并且来自第二检测器42的信号用于确定来自光束焦点71或光束焦点71附近的横截面的强度分布、光束轮廓、和/或光束直径。与图17或图18的实施例的变型相比，该实施例的变型的优点在于，检测器42的整个传感器表面可用于未调制光束78的强度分布，而在图17或图18的实施例的形式中，光束点92、93需要传感器表面的一部分。
[0195]
图21示出了基于图14的实施例的光束分析装置10的实施例的又一变型。光束分析装置10包括用于形成两个折叠光束路径的光束折叠装置60和设置在光束折叠装置60前面的调制装置20。此外，光束分析装置10在此包括第二分束器62、反射镜64、定位装置66和第二检测器42。第二分束器设置在成像装置50的透镜51和调制装置20之间。通过第二分束器62，辐射分量从样本束70解耦，以形成未调制光束78。由第二分束器62解耦的辐射分量，也
就是说，未调制光束78被引导到反射镜64上，由反射镜64反射回来，并且随后被引导到第二检测器42上并被成像以在第二检测器42上形成光束点98。未调制光束78的传播路径的长度是可变地可调的。为此，反射镜64被布置成使得其可以例如通过线性引导件轴向移动，并且被耦合到定位装置66。通过定位装置66，反射镜64可以移位到不同的轴向位置(64、64')。定位装置66可以例如包括柱塞线圈驱动器，由此可以实现非常快速的调节，例如在毫秒范围内。此外，可以设置评估装置45以控制定位装置66。评估装置45还可以被设置成与定位装置66交换数据，例如交换关于反射镜位置或调节路径改变的信息。以这种方式，可以连续地设置多个(优选地至少3个，特别优选地至少10个)不同的反射镜位置，并且可以在第二检测器42上记录光束点98的各自的强度分布。根据这些数据，可以确定样本束70的各种光束参数，例如焦直径、光束发散度和/或光束参数乘积。因此，这里所示的光束分析装置10一方面能够准实时地确定轴向光束焦点位置，另一方面能够几乎实时地测量样本束70或能量束77的光束焦散，至少在很短的时间内。因此，符合iso 11146标准的光束测量也可以在非常短的时间内，例如在小于1秒的时间内进行。与图19a所示的装置相比，该实施例的变型的优点在于，第二检测器42的整个传感器表面可用于未调制光束78的强度分布，而在图19a的实施例的形式中，光束点92、93需要传感器表面的一部分。
[0196]
图22至图24示出了光束分析装置10的实施例的形式，所述光束分析装置10进一步包括远场分析装置。该远场分析装置可以与前述光束分析装置10中的任一者组合。该远场分析装置包括第二分束器62、另一成像装置67和第二检测器42。第二分束器62在光束方向上布置在成像装置50的至少一个透镜51的后面和调制装置20的前面。通过第二分束器62，辐射分量从样本束70解耦以形成未调制光束78，未调制光束78被引导到第二检测器42上以在第二检测器42上形成光束强度分布99。在第二分束器62和第二检测器42之间，布置有另一成像装置67，其包括至少一个光学透镜，或者可以是多透镜物镜。另一成像装置67与成像装置50及包含在其中的透镜51一起形成组合透镜系统。该组合透镜系统具有组合焦距和组合透镜系统的像侧焦平面。第二检测器42精确地布置在组合透镜系统的像侧焦平面中。因此，组合透镜系统形成用于第二检测器42的所谓的傅立叶物镜，因为形成在第二检测器42上的未调制光束78的强度分布99表示样本束70的强度分布的傅立叶变换。因此，第二检测器42上的强度分布99是所谓的远场强度分布，并且这与光束焦点71的轴向位置无关。因此，特别地，可以从该强度分布99确定样本束70的发散角。
[0197]
图22表示光束分析装置10的一个实施例，其中刚刚描述的远场分析器被集成到光束分析装置10中，该光束分析装置在其他方面对应于图14所示的装置。为了解释图22的其他元件，因此参考图14的描述。
[0198]
图23表示光束分析装置10的实施例的形式，其中刚刚描述的远场分析器被集成到光束分析装置10中，该光束分析装置在其他方面对应于图17所示的装置。为了解释图23的其他元件，因此参考图17的描述。图23的实施例的变型使得可以确定关于样本束70或关于能量束77的许多信息：根据检测器40的信号，可以确定轴向焦点位置以及光束焦点中或光束焦点的近场中的强度分布，并且可以根据第二检测器42的信号一起确定远场特性，这提供了广泛的几何光束信息，这些信息实际上可以实时确定，并且可以用于例如控制激光加工操作。
[0199]
图24示出了光束分析装置10的实施例的形式，其中，刚刚描述的远场分析器被集
成到光束分析装置10中，该光束分析装置10在其他方面对应于图19a中所示的装置。为了解释图24的其他元件，因此参考图19a的描述。图24的实施例的变型使得能够在非常短的时间内几乎实时地确定轴向焦点位置、近场强度分布以及远场强度分布，以及完整的、也符合iso 11146的光束测量。
[0200]
图25表示光束分析装置10的实施例的形式，其具有用于释放总共四个子光束72、73、74、75的光束整形装置12。为此，调制装置20具有四个相互分隔的透射区21、22、23、24，它们限定了四个子孔32、33、34、35。在本实施例中，子孔32、33、34、35沿横向轴线布置。这里，第一横向方向31由连接两个子孔(例如子孔32和33)的中心点的线限定，其中子孔的中心点之间的距离k
12
。根据本发明，借助于光束分离器装置52，由子孔32、33释放的子光束72、73中的至少一个在第二横向方向37上偏转或偏移。在本实施例中，两个子光束72、73沿彼此相反的方向在第二横向方向37上偏转。为此，每个子孔32、33被分配有相应的子光束偏转元件53、54。由透射区23和24限定的其它子孔34、35在该实施例的示例中也布置在沿第一横向方向31彼此相距的距离k
34
处。这里，透射区23、24比透射区21、22更向外布置，使得在子光束74、75通过子孔34、35释放的情况下，在光束焦点位置71发生变化的情况下，与来自更靠近光轴11的子孔32、33的子光束72、73的情况相比发生更大的角度变化。结果，由子光束74、75在检测器40上产生的光束点94、95的位置变化大于子光束72和73的光束点92、93的位置变化。使用具有不同距离k
12
、k
34
的两对子孔的优点在于，一方面，在确定光束焦点71的轴向位置时，通过位于更远的该对子孔实现了更高的灵敏度和精度，另一方面，即使在具有较小光束孔的样本束70或能量束77的情况下，其中更向外定位的透射区23、24将不被照射或不被充分照射，更向内定位的透射区对21
；
22仍被样本束照射，实现可靠的测量。这意味着，当使用具有两个以上相互之间具有不同距离的子孔的调制装置20时，能量束77的可用孔范围以及测量的精度都增加了。在这里示出的实施例的示例中，从附加的子孔34、35释放的子光束74、75也在第二横向方向37上以彼此相反的方向偏转。为此，将子光束偏转元件54b分配给子孔34，并且将子光束偏转元件54c分配给子孔35。在检测器40上，由子光束72、73产生的光束点92、93在第一横向方向31上彼此之间具有距离a
12
。该距离a
12
取决于光束焦点71的轴向位置，并且也可以为零，例如，如图25所示。由子光束74、75产生的光束点94、95在检测器40上在第一横向方向31上彼此之间具有距离a
34
。距离a
34
也取决于光束焦点71的轴向位置，并且例如也可以为零。在图25的下部中，其示出了装置在第二横向方向37上的投影，第二横向方向与第一横向方向31横向对齐，并且例如可以是x轴，可以看到光束分离器装置52的操作模式。通过子光束偏转元件53、54、54b、54c，在每种情况下，子光束72、73、74、75在第二横向方向37的方向上偏转不同的量。因此，光束点92、93、94、95在检测器40上在空间上彼此分离，从而可以明确地确定它们在检测器40上的位置。由子孔32、33产生的光束点92、93沿第二横向方向37在检测器40上彼此之间具距离w
12
，并且由子孔34、35产生的光束点94、95在检测器40上沿第二横向方向37彼此之间具有距离w
34
。在第二横向方向上的距离取决于子光束偏转元件53、54、54b、54c的各个偏转，以及取决于检测器40的轴向位置，例如调制装置20和检测器40之间的距离s。这意味着距离w
12
和w
34
基本上不取决于光束焦点71的轴向位置，因此检测器40上的光束点92、93、94、95对于光束焦点71的任何轴向位置总是保持分离。然而，光束点92、93和94、95之间在第一横向方向31上的距离a
12
和a
34
是光束焦点71的轴向位置的函数，从而可以从a
12
和a
34
两个距离确定光束焦点71的轴向位置。根据本发明，存在两个子
光束，即第一和第二子光束，其中至少一个在第二横向方向37上偏移。在图25的实施例的示例中，子光束72、73形成第一和第二子光束。然而，子光束74、75也可以被视为根据本发明的第一和第二子光束，因为在该实施例的示例中，子光束74、75中的至少一个子光束也在第二横向方向37上偏移。图25所示的光束分析装置10的其它元件对应于图1a所示的实施例的形式。为了解释图25的其他元件，因此参考图1a的描述。
[0201]
图26a在横向轴线31和37的视图中示出了用于释放如图25所示的光束分析装置10的四个子光束72、73、74、75的调制装置20。横向轴线31和37可以是例如局部x轴和y轴。为了澄清操作模式，在该图中还示出了具有子光束偏转元件53、54、54b、54c的光束分离器装置52，通过该装置实现子光束72、73、74、75的偏转，其叠加在调制装置20上。在该示例中，调制装置20具有四个子孔32、33、34、35，子孔由四个相互分隔的透射区21、22、23、24限定，并且沿着第一横向轴线31布置。内部子孔32、33的中心点彼此之间具有距离k
12
，并且外部子孔34、35的中心点彼此之间具有距离k
34
。透射区21、22、23、24以及因此子孔32、33、34、35具有限定的尺寸b1、b2、b3、b4，其中所述尺寸是宽度，或者在圆形透射区的情况下，所述尺寸是各个透射区的直径。透射区的尺寸b1、b2、b3、b4可以是相同的尺寸或不同的尺寸。由于激光束的光束分布中的强度通常径向向外减小，因此可以有利地选择外部透射区(这里是23和24)的尺寸大于内部透射区(这里是21和22)的尺寸。选择与光轴有相同径向距离的透射区的尺寸成对相同，是有利的。
[0202]
图26b示意性地示出了根据图25的光束分析装置10的检测器40上的光束点92、93、94、95的强度分布，该光束分析装置10装配有调制装置20，如图26a所示。该图还示出了当光束焦点71的轴向位置改变时，光束点92、93之间的距离a
12
的改变和光束点94、95之间的距离a
34
的改变。图中的撇号参考符号表示光束焦点的轴向移位所改变的细节。光束点92、93在第一横向方向31上彼此之间具有的距离a
12
。例如，当光束焦点71的轴向位置改变时，距离a
12
改变到距离a
12
'。在第二横向方向37上，由于子光束72、73通过光束分离器装置52的偏转，光束点92、93彼此之间具有距离w
12
，当光束焦点71的轴向位置改变时，该距离不改变。相应地，光束点94、95在第一横向方向31上彼此具有的距离a
34
。当光束焦点71的轴向位置改变时，距离a
34
改变到距离a
34
'。在第二横向方向37上，由于子光束74、75通过光束分离器装置52的偏转，光束点94、95彼此之间具有距离w
34
，当光束焦点71的轴向位置改变时，该距离不改变。因此，距离w
12
和w
34
与光束焦点71的轴向位置无关。当轴向光束焦点位置变化时，检测器40上的光束点92、93、94、95的位置因此在四个独立的路径上延伸。因此，光束点的分配始终是明确的，并且可以明确确定改变的幅度和改变的方向。
[0203]
图27a至30a示意性地示出了根据本发明的用于光束分析装置10的调制装置20和光束分离器装置52的实施例的其他示例。图27b至30b示出了分别在前述附图中所示的调制装置20和光束分离器装置52的组合在检测器40上的强度分布。所有实施例的形式的共同之处在于，两个子光束，即第一子光束72和第二子光束73，通过两个透射区21、22被释放，并且这两个子光束72、73中的至少一个子光束在横向于第一横向方向31的第二横向方向37上被偏转，其中第一横向方向31由连接线限定，也就是说，由两个子孔32、33的中心点之间的距离k
12
限定。在此，子孔32、33由透射区21、22形成。不受此影响，调制装置20可以具有另外的透射区23、24，由此另外的子光束74、75被释放。由另外的透射区23、24形成的另外的子孔34、35可以与用于两个子光束72、73的子孔32、33布置在相同的方向上，也就是说，在第一横
向方向31上。然而，另外的子孔34、35也可以布置在不同的方向上。可以通过光束分离器装置52将所有子光束72、73、74、75彼此分离。也可以仅将第一子光束72和第二子光束73彼此分离。
[0204]
例如，图27a示出了与图26a相同的调制装置20，但是图27a中的光束分离器装置52仅使由子孔32释放的第一子光束72和由子孔33释放的第二子光束73在第二横向方向37上偏转，而由另外的子孔34、35释放的另外的子光束74、75不偏转。其优点是光束分离器装置52的结构更简单。
[0205]
图27b示出了用于光束分析装置10的检测器40上的光束点92、93、94、95的强度分布，该光束分析装置10装配有如图27a中的光束分离器装置52。第一和第二子光束72、73的光束点92、93在第二横向方向37上彼此之间具有距离w
12
，并且因此当光束焦点71的轴向焦点位置改变时，在彼此相隔距离w
12
的两条路径上延伸。其它子光束74、75中的其它光束点94、95在第二横向方向37上没有彼此分离，并且因此当光束焦点71的轴向焦点位置改变时在相同的路径上延伸。
[0206]
图28a中所示的调制装置20类似于图27a的调制装置，但是这里由另外的透射区23、24形成的另外的子孔34、35被布置在不同于由子孔32、33限定的第一横向方向31的横向方向上。因此，如图28b所示，光束点94、95在检测器40上行进的路径或轨道也被定向在与光束点92、93的路径不同的方向上。
[0207]
图29a和29b示出了用于通过三个子孔32、33、34释放三个子光束的调制装置20的可能示例，每个子孔彼此之间具有不同的距离。以与图25的描述类似的方式，这也使确定光束焦点位置的准确性得到提高，并使具有不同光束发散度的光束的功能范围扩大。
[0208]
最后，图30a和30b示出了用于通过四个子孔32、33、34、35释放四个子光束的调制装置20，其类似于图28a中所示的调制装置。与图28a相比，图30a中的光束分离器装置52被设置成使所有四个子光束偏转，其中两个子光束对一方面由子孔32和33偏转，另一方面由子孔34和35偏转，在每种情况下都被偏转到不同的横向方向上。因此，两个光束点对92、93和94、95在检测器40上的分开的路径上行进，但是另一光束点对94、95在与来自第一和第二子光束72、73的光束点对92、93不同的横向方向上行进。这示于图30b中。
[0209]
所示的调制装置20和光束分离器装置52应理解为仅仅是示例。根据本发明的光束分析装置10不限于所示的实施例的形式，并且不限于所示的调制装置和光束分离器装置。
[0210]
发明的详细描述
[0211]
本发明设想了一种用于确定光束焦点71的轴向位置的光束分析装置10。这里，光束焦点71是电磁辐射的能量束77的焦点76，或者是从能量束77解耦的样本束70的焦点。光束分析装置10包括光束整形装置12、检测器40和评估装置45。
[0212]
光束整形装置12被设置成在子光束释放平面19中从能量束77释放至少两个子光束72、73，或者从与能量束77解耦的样本束70释放至少两个子光束72、73。这里，每个子光束72、73在子光束提取平面19内的横截面由相应的子孔32、33限定。换句话说，光束整形装置12被设置成在子光束释放平面19中形成至少两个子孔32、33，用于释放相应的子光束72、73。子孔32、33彼此分隔，也就是说，子孔72、73的边缘不接触。子孔32、33的横向位置由它们各自的中心点限定，其中术语“横向”是指与相应的局部光轴(11)垂直的平面中的方向。子孔32、33的中心点具有彼此之间的距离k。此外，第一横向方向31由子孔32、33之间的距离k
限定。换句话说，两个子孔32、33的中心点之间的假想连接线限定了第一横向方向31。第一横向方向31位于与局部光轴11成直角的平面内。由于光束路径中的局部光轴11总是用局部坐标系的z轴来标识，因此第一横向方向31位于x-y平面中。
[0213]
光束整形装置的子光束释放例如被实现为调制装置20，该调制装置20被设置为形成至少两个透射区21、22和至少一个阻挡区25。这里，透射区21、22中的一个形成两个子孔32、33中的一个。透射区21、22的特征在于，在透射区21、22内的辐射透射大大高于阻挡区25的区域。术语“透射”应被理解为关于这样释放的子光束72、73的预期传播方向。特别地，透射区21、22中的辐射透射率(或反射率)至少是阻挡区25中的辐射透射率(或反射率)的两倍。阻挡区中的辐射透射率(或反射率)优选地比透射区21、22中的辐射透射率(或反射率)小至少10倍。特别优选地，阻挡区中的辐射透射率(或反射率)比透射区21、22中的辐射透射率(或反射率)小至少100倍。
[0214]
子孔32、33在子光束释放平面19内沿第一横向方向31具有宽度b。子孔32、33的宽度b至多等于子孔32、33的中心点之间距离k的一半。因此，在子孔32、33之间存在区域(例如阻挡区25)，其至少与子孔32、33的宽度b一样宽。换句话说，子孔32、33的中心点之间的距离k至少是子孔32、33的宽度b的两倍。
[0215]
光束形成装置12进一步被设置为在检测器40上形成具有至少两个光束点92、93的强度分布83，并且从两个子光束72、73中的每一个形成至少一个光束点92、93，将至少两个子光束72、73成像到检测器40上，并且使至少两个子光束72、73中的至少一个在第二横向方向37上偏转和/或偏移。两个子光束72、73中的每一个在检测器40上形成至少一个相关的光束点92、93。通过子光束72、73中的至少一个在第二横向方向37上的偏转和/或移位，在检测器40上的两个光束点92、93的位置之间沿着第二横向方向37形成距离w。两个光束点92、93的位置优选地由检测器40上的光束点92、93的强度分布的中心点和/或质心限定。这里，第二横向方向37横向于第一横向方向31定向。第二横向方向37位于与局部光轴11成直角的平面内。因此，像第一横向方向31，第二横向方向37位于与局部光轴11成直角的平面内，也就是说，位于x-y平面内。第二横向方向37相对于第一横向方向31例如以30
°
至150
°
范围内的角度定向。特别地，第二横向方向可以与第一横向方向(至少基本上)成直角定向。
[0216]
通过光束整形装置12使至少两个子光束72、73中的第一个在第二横向方向37上偏转和/或移位和/或使两个子光束72、73在具有沿着第二横向方向37的对准的方向差的不同方向上偏转和/或移位，至少两个子光束中的第一子光束的光束点92和至少两个子光束中的第二子光束的光束点93(在检测器40处并且因此)在沿第二横向方向37的强度分布中彼此偏移距离w，其横向于这些光束点92、93之间(在检测器40处并且因此)在沿着第一横向方向31的强度分布中的距离a，并且其中距离a仅由在第一横向方向31上的距离k引起。
[0217]
换句话说，由在检测器40处且在强度分布中的至少两个子光束中的第一个引起的光束点92，以及由在检测器处且在强度分布中的至少两个子光束中的第二个引起的光束点93，除了沿着第一横向方向31偏移距离a之外，在强度分布上还沿着第二横向方向37偏移了位移w。
[0218]
检测器40包括光辐射敏感的、二维空间上分辨的传感器，其被设置为将照射在检测器40上的强度分布83转换成电信号。检测器40可以是ccd相机，或者cmos相机，或者可比较的装置。在光辐射敏感的、二维空间上分辨的传感器通常是基于像素的半导体传感器。检
测器40沿着子光束72、73的传播路径布置在子光束释放平面19的后面的距离s处。
[0219]
评估装置45被设置为处理检测器40的电信号，该电信号表示检测器40上的强度分布83。评估装置45被设置成确定在检测器40上的两个光束点92、93的位置之间沿着第一横向方向31的距离a，更精确地确定两个光束点92、93在第一横向方向31上的位置差，其中两个光束点92、93在第一横向方向31上的位置差是距离a。相应的光束点92、93的位置优选地由在检测器40上的相应光束点92、93的强度分布的中心点和/或质心限定。
[0220]
评估装置45进一步被设置成基于距离a来确定光束焦点71的轴向位置，和/或基于距离a的变化来确定光束焦点71的轴向位置的变化。
[0221]
评估装置45可以例如以在计算机上运行的软件程序的形式来实现。
[0222]
为了在确定在检测器40上的光束点92、93位置时获得尽可能高的精度，有利的是，子孔32、33的宽度b与它们的间隔距离k相比较小。然后，检测器40上的光束点92、93在光束焦点71的轴向位置的宽范围内相对较小，并且光束点92、93内的强度分布对确定光束点92、93的位置的任何可能影响很小或完全可以忽略不计。另一方面，子孔不应该太小，否则光束点92、93可以通过衍射变宽，并且衍射结构可以出现在光束点92、93之外。因此，距离k优选是子孔32、33的宽度b的至少2.5倍，并且至多25倍。特别优选地，距离k是子孔32、33的宽度b的至少3倍，并且至多12倍。极其优选地，距离k是子孔32、33的宽度b的至少4倍，并且至多7倍。子孔32、33优选地具有简单的几何形状，例如它们是圆形或椭圆形。然而，子孔32、33也可以具有正方形、矩形、菱形、六边形、八边形、梯形或类似形状。在具有圆形形状的子孔32、33的情况下，宽度b对应于子孔32、33的直径。
[0223]
在本发明的另一种改进方案中，光束整形装置12也可以设置为释放两个以上的子光束。为此目的，可以在子光束释放平面19中布置两个以上(例如3个或4个)相互分隔的子孔。多个子孔均可以沿第一横向方向31分布。还可能的是，除了两个子孔32、33之外的子孔在子光束释放平面19中被布置在与两个子孔32、33不同的横向方向上。
[0224]
光束整形装置12优选地包括光束分离器装置52，其用于使至少两个子光束72、73中的第一个在第二横向方向37上偏转和/或移位。
[0225]
在另一的改进中，光束分离器装置52还被设置成使两个子光束72、73在不同的方向上偏转和/或偏移，其中偏转方向之间的差沿着第二横向方向37对齐。
[0226]
光束分析装置10的光束整形装置12包括调制装置20、具有至少一个光学透镜51的成像装置50和光束分离器装置52。这三个装置20、50、52可以以单独装置的形式实现。然而，三个装置中的两个或所有三个装置20、50、52也可以以单个装置的形式实现。例如，调制装置20可以设计为双孔屏。例如，成像装置50可以设计为单个会聚透镜51。然而，同样可能的是，例如，以掩膜装置的形式提供调制装置20，例如通过直接在光学透镜51上或在光学透镜51中部分变黑。在后一示例中，调制装置20和成像装置50以单个装置的形式实现。为了继续这个示例，光学透镜51也可以被实现为非球面自由形状透镜，其中子孔32、33内的透镜表面具有额外的倾斜，用于使子光束72、73在第二横向方向37上偏转。在用于光束整形装置12的这种实施例的示例中，所有装置20、50、52然后以单个装置的形式实现。
[0227]
当光束焦点71的轴向位置改变时，检测器40上的光束点92、93之间的距离a在第一横向方向31上改变。也就是说，距离a与光束焦点71的z位置具有函数关系。此函数关系受以下几何量的影响和/或定义：
[0228]
a是检测器40上的光束点92和93之间沿第一横向方向31的距离；
[0229]
a'是当光束焦点位置改变时，在检测器40上的光束点92'和93'之间沿第一横向方向的距离；
[0230]
δa是光束点32、33在第一横向方向31上的位置差的变化，δa＝a'-a；
[0231]
k是在子光束释放平面19内子孔32、33的中心点之间的距离，其中子孔32、33的中心点之间的假想连接线限定了第一横向方向31；
[0232]zs
是光束焦点71的轴向位置与子光束释放平面19之间的距离；
[0233]zs
'是移位的光束焦点71'的轴向位置与子光束释放平面19之间的距离；
[0234]
s是子光束释放平面19和检测器40的传感器平面39之间的距离；
[0235]
δz为轴向光束焦点位置的变化，δz＝z
s-zs'；
[0236]
e是当调制装置20被定位于在成像装置50的前面的子光束释放平面19时，从子光束释放平面19到成像装置50的位置，或者更准确地说，到成像装置50的主平面的距离。
[0237]
d是当调制装置20被定位于在成像装置50的后面的子光束释放平面19时，从成像装置50的位置，更确切地说，从成像装置50的主平面到位置到子光束释放平面19的距离。
[0238]
在实践中，子光束释放平面19作为光束焦点位置71的距离的参考点通常不具有重要意义。如果可以任意地选择或校准参考点，则更实用。为此，指定直接描述焦点位置变化的函数关系是有利的。由光束定理和已知成像方程的应用，对于光束分析装置10，得到如下的函数关系：
[0239]
δz＝δa c1/(c2+δa c3)
[0240]
公式符号c1、c2、c3是系数，其被引入用于公式的简化表示。
[0241]
对于调制装置20被定位于成像装置50前面的情况(参见图6)，系数c1、c2、c3由下式给出:
[0242]
c1＝z
s2
[0243]
c2＝k{s[1-(e/f)]+(e2/f)}
[0244]
c3＝zs[0245]
对于调制装置20位于成像装置50后面的情况(参见图7)，系数c1、c2、c3由下式给出:
[0246]
c1＝[zs(f-d)+d2]2[0247]
c2＝f
2 k s
[0248]
c3＝(f-d)[zs(f-d)+d]2[0249]
可以通过设置光束焦点71的至少3个不同的已知轴向位置并确定距离a的相应变化δa来确定系数c1、c2、c3。以这种方式确定的系数可以作为校准数据存储在评估装置45中，由此，通过评估装置45可以对于任何距离变化δa计算焦点位置变化δz。
[0250]
替代地或附加地，可以使用上面给出的公式直接从布置的几何距离计算系数，并将其存储在评估装置45中。
[0251]
应当注意，所有的轴向距离，即zs、d、e、s是沿着光轴11的距离。在光束重定向(光束折叠)的情况下，因此，距离zs、d、e、s因此是由沿局部光轴11的各自距离组成的，如果有必要的话，是以分段的方式组成的。还应注意，如果光束在光学材料内部被部分引导，例如当由分束器立方体引导时，相应的部分距离必须通过取决于光学材料的折射率的因子来校
正。
[0252]
在调制装置20在成像装置50后面(也就是说，在光束方向上在至少一个光学透镜51后面)的光束分析装置10的实施例的变型中，存在一种重要意义的特殊情况，其中从成像装置50的主平面到子光束释放平面19的距离d等于成像装置50的焦距f。换句话说，子光束释放平面19位于成像装置50的像侧焦点处。对于这样一个实施例的光束分析装置10，函数关系的系数导致:
[0253]
c1＝f4[0254]
c2＝f
2 k s
[0255]
c3＝0
[0256]
这导致了一个特别简单的函数关系，其特点是光束点92、93之间的距离δa的变化与轴向光束焦点位置的变化δz完全成正比：
[0257]
δz＝δa f2/(k s)
[0258]
通过这种线性关系，简化了装置的校准，并且在确定焦点位置时实现了高精度。
[0259]
在这种布置中特别有利的是，对于焦点位置变化δz的计算，不需要光束焦点的绝对z位置(zs)。
[0260]
该特征或布置可以有利地以实施例的形式实现，其中成像装置50和调制装置20之间的距离在任何情况下都被提供，例如当调制装置20被布置在折叠的光束路径中时(参见例如图12和图13)。因此，本发明的这个方面可以进一步有利地组合成实施例的形式，其中实现了两个折叠的光束路径，并且在一个折叠的光束路径中不存在调制装置，从而可以同时记录和确定样本束70的原始光束轮廓(参见图17和18)。在与未调制光束78的光束路径中的轴向可调节反射镜64的进一步组合中，记录整个光束散焦度，并且因此确定所有几何光束参数也是可能的(参见图19a至19f)。
[0261]
可以局部地限定第一横向方向31。在每种情况下，它(至少基本上)与局部光轴11成直角。特别地，可以将其限定为在与局部光轴11成直角的平面中的方向，至少两个子光束72、73在该平面中仅通过子孔32、33的距离k而在该平面中具有相对于彼此的距离。
[0262]
可以局部地限定第二横向方向37。在每种情况下，它(至少基本上)与光轴11成直角，并且横向于(局部)第一横向方向31。第二横向方向37可以在全局观察时被改变一次或多次，例如通过光束折叠和/或光束重定向。
[0263]
样本束70可以与能量束77相同，特别是如果样本束70不是通过从能量束解耦而形成的。
[0264]
在本发明的另一改进中，至少两个子孔32、33中的至少一个可以被切换。
[0265]
特别优选地，至少两个子孔32、33可以被切换。例如，光束整形装置12可以形成lcd屏幕装置，以形成一个或多个可切换的子孔32、33。在这种情况下，lcd屏幕装置的平面可以限定子光束释放平面19。
[0266]
光束整形装置12的至少两个子孔32、33中的一个或多个优选地是不变的。这种子孔32、33可以例如由固定的屏幕开口和/或反射镜的(空间有限的)反射表面形成，并且以此方式可以形成调制装置20的透射区21、22。这实现了简单、鲁棒、可靠且经济高效的实施方式。
[0267]
在优选的实施例的形式中，光束整形装置12的至少两个子孔32、33中的一个或多
个是可变的。可变子孔32、33可以例如通过lcd屏幕装置的多个像素和/或通过具有机械可调节尺寸的屏幕开口来实现。可变子孔32、33可以允许适应当前测量条件(例如，光强度、待测量光束中的光分布、波长等)。
[0268]
可以在局部地定义光束方向。光束方向从全局来看可以改变，例如通过光束折叠和/或光束重定向。例如，可以通过样本束70的局部poynting矢量的方向来限定局部光束方向。
[0269]
在子光束释放平面19的下游的辐射的传播方向上，子光束72、73的局部光束方向可以由相应子光束72、73的局部poynting矢量的方向限定。
[0270]
在辐射的传播方向上，在子光束释放平面19的下游，局部(总)光束方向可以通过对至少两个子光束72、73的局部poynting矢量的平均来限定。在平均之前，可以对这些子光束的poynting矢量的大小进行归一化。或者，局部(总)光束方向可以由样本束的虚拟过程的poynting矢量限定，而无需释放子光束。
[0271]
例如，在操作中，局部光轴11可以由预期的局部总光束方向限定。
[0272]
本发明的一个优点在于，光束分析装置的测量原理是基于对检测器上相互分隔的光束点的位置的确定。例如，可以通过计算相关强度分布的质心(也就是说，强度分布的第一时刻)来确定光束点的位置。位置及其相对于彼此的距离的确定在很大程度上与例如恒定信号背景的水平无关，该恒定信号背景可以由散射光和/或传感器噪声引起。因此，该测量原理比例如基于确定光束直径(也就是说，强度分布的第二时刻及其改变)的其他方法更不容易出错，因为第二时刻的确定对背景水平的改变相对敏感。
[0273]
本发明的另一个显著优点是，光束焦点的轴向位置的确定不受激光辐射或样本束的光束质量变化的影响。
[0274]
可以准实时确定光束焦点的轴向位置的变化，也就是说，该确定仅需要由热焦移引起的焦点位置变化的典型时间常数的一小部分。因此，本发明还能够在激光加工操作期间提供用于控制激光材料加工的信号。
[0275]
可能的实施例在附图中示出，并且解释在附图说明中，其中本发明不限于所示的实施例的形式。附图中所示的实施例的各种特征或形式也可以彼此组合以获得本发明的实施例的其他形式。
[0276]
为了本公开的目的，能量束优选地是波长在0.1微米至10微米范围内，更优选在0.3微米至3微米范围内，并且更特别地在0.3微米至1.5微米范围内的电磁辐射束。
[0277]
出于本公开的目的，激光辐射优选为0.3微米至1.5微米范围内的电磁辐射，并且具有至少lmw的功率，特别优选具有至少100w的功率。
[0278]
参考符号列表
[0279]
10光束分析装置
[0280]
11光轴、局部光轴
[0281]
12 光束整形装置
[0282]
14 解耦装置
[0283]
15 光束解耦器
[0284]
16 第二光束解耦器
[0285]
19 子光束释放平面
[0286]
20 调制装置
[0287]
21、22透射区
[0288]
23、24其他透射区域
[0289]
25 阻挡区
[0290]
31 第一横向方向
[0291]
32、33子孔
[0292]
34、35其他子孔
[0293]
37 第二横向方向
[0294]
39 传感器平面
[0295]
40 检测器
[0296]
42 第二检测器
[0297]
43 吸收器装置
[0298]
44吸收器和/或功率测量装置
[0299]
45评估装置
[0300]
49成像装置的位置、成像装置的主平面
[0301]
50 成像装置
[0302]
51 光学透镜
[0303]
52 光束分离器装置
[0304]
53、54子光束偏转元件，例如楔形板、棱镜或平面板
[0305]
54b、54c其他子光束偏转元件，例如楔形板、棱镜或平面板
[0306]
55第二光束分离器装置
[0307]
56、57子光束偏转元件，例如反射镜
[0308]
58、59子光束偏转元件，例如反射镜
[0309]
60 光束折叠装置
[0310]
61 分束器
[0311]
62 第二分束器
[0312]
63 另一成像装置
[0313]
64 反射镜
[0314]
66 定位装置
[0315]
67 另一成像装置
[0316]
68 偏转镜
[0317]
69 快门装置
[0318]
70 样本束
[0319]
71 光束焦点
[0320]
72、73子光束
[0321]
74、75其他子光束
[0322]
76 能量束焦点
[0323]
77 能量束
[0324]
78 未调制光束
[0325]
79 整形样本束
[0326]
80 强度分布
[0327]
81调制装置前面的强度分布
[0328]
82调制装置后面的强度分布
[0329]
83检测器上的强度分布
[0330]
92、93光束点
[0331]
94、95其他光束点
[0332]
98 未调制光束的光束点
[0333]
99 远场强度分布
[0334]
100 处理光学器件
[0335]
110 光纤端部
[0336]
113 准直器
[0337]
116 聚焦光学
[0338]
120 保护玻璃

技术特征：
1.一种用于确定光束焦点(71)的轴向位置的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束焦点(71)是电磁辐射的能量束(77)的焦点(76)，或从能量束(77)解耦的样本束(70)的焦点，包括光束整形装置(12)、检测器(40)、以及评估装置(45)；其中所述光束整形装置(12)-被设置为在子光束释放平面(19)中，从所述能量束(77)或从与所述能量束(77)解耦的样本束(70)释放两个子光束(72、73)，其中所述两个子光束(72、73)为第一子光束(72)和第二子光束(73)，其中所述两个子光束(72、73)在所述子光束释放平面(19)内的横截面由相应的子孔(32、33)限定，其中所述子孔(32、33)彼此分隔，并且所述子孔(32、33)的中心点位于彼此之间的距离k处，其中所述子孔(32、33)的距离k限定第一横向方向(31)，其中术语“横向”是指与相应的局部光轴(11)垂直的平面中的方向，-被设置为在所述检测器(40)上形成具有光束点(92、93)的强度分布(83)，并且为了从所述第一子光束(72)形成至少一个光束点(92)和从所述第二子光束(73)形成至少一个光束点(93)，将所述两个子光束(72，73)成像到所述检测器(40)上，并且使所述两个子光束(72、73)中的至少一个在第二横向方向(37)上偏转和/或偏移，以便在所述检测器(40)上的两个光束点(92，93)之间沿所述第二横向方向(37)形成距离w，其中所述第二横向方向(37)与所述第一横向方向(31)垂直对齐，并且其中所述两个光束点(92、93)分别为所述第一子光束(72)的至少一个光束点(92)和所述第二子光束(73)的至少一个光束点(93)；其中所述检测器(40)-包括光辐射敏感的、二维空间分辨的传感器，其被设置为将照射在所述检测器(40)上的强度分布(83)转换为电信号，并且-沿着所述两个子光束(72、73)的传播路径被布置在所述子光束释放平面(19)后面的距离s处；并且其中所述评估装置(45)-被设置为处理所述检测器(40)的电信号，该电信号表示所述检测器(40)上的强度分布(83)，-被设置为确定在所述检测器(40)上的两个光束点(92、93)的位置之间沿着第一横向方向(31)的距离a，以及-被设置为基于所述距离a确定光束焦点(71)的轴向位置，和/或基于所述距离a的变化确定所述光束焦点(71)的轴向位置的变化。2.根据权利要求1所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述第一横向方向(31)和所述子光束释放平面(19)与所述检测器(40)之间的所述局部光轴(11)通过光束折叠和/或光束重定向而改变。3.根据权利要求1所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束整形装置(12)被设置成使所述两个子光束(72、73)相对于彼此偏转和/或偏
移，其中所述两个子光束(72、73)的偏转和/或移位之间的差沿着所述第二横向方向(37)对齐，以便在所述检测器(40)上两个光束点(92、93)之间形成沿所述第二横向方向(37)的距离w。4.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，包括解耦装置(14)，其中所述解耦装置(14)包括用于将所述样本束(70)从所述能量束(77)解耦的光束解耦器(15)。5.根据权利要求4所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束解耦器(15)是分束器装置，其被设置成通过反射和/或透射将所述能量束(77)的0.01％至5％范围内的辐射分量解耦作为样本束(70)。6.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束整形装置(12)包括具有至少一个光学透镜(51)的成像装置(50)，用于将所述两个子光束(72,73)成像到所述检测器(40)上。7.根据权利要求6所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述子光束释放平面(19)被布置在所述成像装置(50)的像侧焦点处。8.根据权利要求7所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述评估装置(45)被设置为，通过线性计算规则，基于所述两个光束点(92、93)之间的距离a来确定所述光束焦点(71)的轴向位置，和/或基于所述两个光束点(92、93)之间的距离a的变化来确定所述光束焦点(71)的轴向位置的变化。9.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述评估装置(45)被设置为，通过至少部分线性的计算规则，基于所述两个光束点(92、93)之间的距离a来确定所述光束焦点(71)的轴向位置，和/或基于所述两个光束点(92、93)之间的距离a的改变来确定所述光束焦点(71)的轴向位置的变化。10.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，包括光束折叠装置(60)，所述光束折叠装置包括分束器(61)和至少一个反射镜(64、56、57、58、59)，并且被布置在所述检测器(40)前面的光束路径中，其中所述至少一个反射镜(64、56、57、58、59)被布置成将离开所述分束器(61)的辐射分量反射回到所述分束器(61)中，从而形成第一折叠光束路径，并且其中所述光束整形装置(12)的子光束释放平面(19)位于所述光束折叠装置(60)前面的光束路径中，或位于所述第一折叠光束路径中。11.根据权利要求10所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束折叠装置(60)进一步包括至少一个第二反射镜(64、56、57、58、59)，其中所述第二反射镜(64、56、57、58、59)被布置成将离开所述分束器(61)的另一辐射分量反射回到所述分束器(61)中，从而形成第二折叠光束路径。12.根据权利要求11所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束整形装置(12)的子光束释放平面(19)位于所述第一折叠光束路径中，其中在所述第二折叠光束路径中没有设置子光束释放，以便将所述样本束(70)或所述能量束(77)的辐射分量作为未调制光束(78)引导到所述检测器(40)上，并且其中所述评估装置(45)被设置成基于在所述检测器(40)上的所述未调制光束(78)的光束
点(98)的强度分布来确定光束直径和/或光束轮廓。13.根据权利要求12所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述反射镜(64)被布置成使得其可以在所述第二折叠光束路径中轴向移动，并且所述反射镜(64)的位置可以通过定位装置(66)来调节。14.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束整形装置(12)包括光束分离器装置(52)，该光束分离器装置具有至少一个子光束偏转元件(53、54、56、57、58、59)，用于在第二横向方向(37)上偏转和/或移位所述两个子光束(72、73)中的一个，以在所述检测器(40)上的两个光束点(92、93)之间形成沿所述第二横向方向(37)的距离w。15.根据权利要求14所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束分离器装置(52)包括至少两个子光束偏转元件(53、54、56、57、58、59)，用于使所述两个子光束(72、73)相对于彼此偏转和/或移位，其中所述两个子光束(72、73)的偏转和/或移位之间的差沿着所述第二横向方向(37)对齐，以便在所述检测器(40)上两个光束点(92、93)之间形成沿所述第二横向方向(37)的距离w。16.根据权利要求14或15所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束分离器装置(52)包括作为子光束偏转元件的至少一个楔形板(53、54)，其在所述光束方向上被布置在所述子孔(32、33)中的一个的前面或后面对齐，并且其被设置为使从所述子孔(32、33)释放的两个子光束(72、73)中的一个以0.02
°
至6
°
范围内的角度量偏转。17.根据权利要求14或15所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束分离器装置(52)包括作为子光束偏转元件的至少一个倾斜的平板(53、54)或棱镜，其在所述光束方向上被布置在所述子孔(32、33)中的一个的前面或后面对齐，并且其被设置为使从所述子孔(32、33)释放的两个子光束(72、73)中的一个以0.05毫米至3毫米范围内的量偏转。18.根据权利要求10和14或15所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束分离器装置(52)被布置在所述第一折叠光束路径内，并且包括作为子光束偏转元件的至少两个反射镜(56、57、58、59)，-在所述光束方向上被布置在所述子孔(32、33)中相应的一个的前面或后面对齐，或者其周边本身形成子孔(32、33)，以及-被设置用于所述两个子光束(72、73)中相应的一个的背反射，其中所述反射镜(56、57、58、59)的镜面上的法线方向之间的角度差在0.01
°
至3
°
的范围内，并且其中所述反射镜(56、57、58、59)的镜面上的法线方向之间的差沿所述第二横向方向(37)对齐。19.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述评估装置(45)进一步被设置为确定检测器(40)上的具有两个光束点(92、93)的整个强度分布(83)的横向位置，并且被设置为从所述整个强度分布(83)的横向位置计算所述样本束(70)的光束焦点(71)的横向位置，和/或根据所述整个强度分布(83)的横向位置的变化来计算所述样本束(70)的光束焦点(71)的横向位置的变化。
20.根据权利要求6至19中任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，进一步包括用于分离所述样本束(70)的分束器(62)、包括至少一个光学透镜的另一成像装置(63)和第二检测器(42)，-其中所述分束器(62)被布置在所述光束整形装置(12)的子光束释放平面(19)的前面的光束路径中，-其中所述分束器(62)被布置在所述成像装置(50)的所述光学透镜(51)与所述子光束释放平面(19)之间，并且-其中所述另一成像装置(63)被布置在所述分束器(62)和所述第二检测器(42)之间，用于将放大的光束点(98)或所述光束焦点(71)的放大图像成像到所述第二检测器(42)上。21.根据权利要求20所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述评估装置(45)被设置为处理由所述第二检测器(42)产生的电信号，并且其中所述评估装置(45)被设置成根据所述第二检测器(42)上的强度分布来确定光束直径和/或焦点直径。22.根据权利要求6至19中任一项所述的光束分析装置(10)，进一步包括用于分离所述样本束(70)的分束器(62)、具有至少一个光学透镜的另一成像装置(67)和第二检测器(42)，-其中所述分束器(62)被布置在所述光束整形装置(12)的子光束释放平面(19)的前面的光束路径中，-其中所述分束器(62)被布置在所述成像装置(50)的所述光学透镜(51)与所述子光束释放平面(19)之间，-其中所述另一成像装置(67)被布置在所述分束器(62)和所述第二检测器(42)之间，-其中所述成像装置(50)和所述另一成像装置(67)一起形成组合透镜系统，所述组合透镜系统具有像侧焦平面，并且-其中所述第二检测器(42)被布置在所述组合透镜系统的所述像侧焦平面中。23.根据权利要求22所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述评估装置(45)被设置为处理由所述第二检测器(42)产生的电信号，并且其中所述评估装置(45)被设置成根据所述第二检测器(42)上的强度分布来确定发散角。24.根据前述任一项所述的光束分析装置(10)，其特征在于，所述光束整形装置(12)被设置成使得当所述光束焦点(71)的轴向位置改变时，所述检测器(40)上的两个光束点(92、93)的位置在彼此相隔距离w的两条路径上延伸。25.一种系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的光束分析装置(10)，以及用于引导和聚焦所述能量束(77)的处理光学器件(100)，其中所述处理光学器件(100)包括解耦装置(14)，用于将所述样本束(70)从所述能量束(77)解耦，并且其中所述光束分析装置(10)可以连接到所述处理光学器件(100)，以用于接收解耦的样本束(70)。26.一种用于确定光束焦点(71)的轴向位置的方法，其特征在于，所述光束焦点(71)是电磁辐射的能量束(77)的焦点(76)，或者是从所述能量束(77)解耦的样本束(70)的焦点，包括以下步骤:
‑
在子光束释放平面(19)中，从所述能量束(77)或从与所述能量束(77)解耦的样本束(70)释放两个子光束(72、73)，其中所述两个子光束(72、73)为第一子光束(72)和第二子光束(73)，其中所述两个子光束(72、73)在子光束释放平面(19)内的横截面由相应的子孔(32、33)限定，其中所述子孔(32、33)彼此分隔，并且所述子孔(32、33)的中心点位于彼此之间的距离k处，其中所述子孔(32、33)的距离k限定第一横向方向(31)，其中术语“横向”是指与相应的局部光轴(11)垂直的平面中的方向，-将所述两个子光束(72、73)引导到检测器(40)上，该检测器(40)沿着所述两个子光束(72、73)的传播路径布置在子光束释放平面19的后面的距离s处，包括:-将所述两个子光束(72、73)成像到所述检测器(40)上，以从所述第一子光束(72)形成至少一个束点(92)和从所述第二子光束(73)形成至少一个束点(93)，从而在所述检测器(40)上形成强度分布(83)，其包括两个光束点(92、93)，其中所述两个光束点(92、93)分别为所述第一子光束(72)的至少一个光束点(92)和所述第二子光束(73)至少一个光束点(93)，-所述两个子光束(72、73)中的至少一个在第二横向方向(37)上的偏转和/或移位，从而在所述检测器(40)上的两个光束点(92、93)之间形成沿第二横向方向(37)的距离w，其中所述第二横向方向(37)横向于所述第一横向方向(31)定向，-通过所述检测器(40)的光辐射敏感、二维空间分辨的传感器将照射在所述检测器(40)上的强度分布(83)转换成电信号，-处理所述检测器(40)的电信号，该电信号表示所述检测器(40)上的强度分布(83)，-确定所述两个光束点(92、93)的位置之间沿着所述第一横向方向(31)的距离a，-基于所述距离a确定所述光束焦点(71)的轴向位置，或基于所述距离a的变化确定所述光束焦点(71)的轴向位置的变化。27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，包括：-所述两个子光束(72、73)相对于彼此的偏转和/或移位，其中所述两个子光束(72、73)的偏转和/或移位之间的差沿着所述第二横向方向(37)对齐，从而在所述检测器(40)上两个光束点(92、93)之间形成沿所述第二横向方向(37)的距离w。28.根据权利要求26或27所述的方法，其特征在于，包括将所述样本束(70)从所述能量束(77)解耦。29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，通过反射和/或透射将所述能量束(77)的0.01％至5％范围内的辐射分量解耦为样本束(70)。30.根据权利要求26-29中任一项所述的方法，其特征在于，通过具有至少一个光学透镜(51)的成像装置(50)实现将所述两个子光束(72、73)成像到所述检测器(40)上。31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，
所述两个子光束(72、73)的释放发生在所述成像装置(50)的像侧焦点处。32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，基于所述两个光束点(92、93)之间的距离a确定所述光束焦点(71)的轴向位置，或者基于所述两个光束点(92、93)之间的距离a的变化来确定所述光束焦点(71)的轴向位置的变化，是通过线性计算规则执行的。33.根据权利要求26-32中任一项所述的方法，其特征在于，基于所述两个光束点(92、93)之间的距离a确定所述光束焦点(71)的轴向位置，或者基于所述两个光束点(92、93)之间的距离a的变化来确定所述光束焦点(71)的轴向位置的变化，是通过至少部分线性的计算规则来执行的。34.根据权利要求26-33中任一项所述的方法，其特征在于，通过光束折叠装置(60)形成第一折叠光束路径，所述光束折叠装置(60)包括分束器(61)和至少一个反射镜(64、56、57、58、59)，并且所述光束折叠装置(60)被布置在所述检测器(40)的前面，通过将离开所述分束器(61)的辐射分量在所述至少一个反射镜(64、56、57、58、59)处反射回到所述分束器(61)中，并且其中所述两个子光束(72、73)的释放发生在所述光束折叠装置(60)前面的光束路径中，或者发生在第一折叠光束路径中。35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，通过光束折叠装置(60)形成第二折叠光束路径，该光束折叠装置(60)进一步包括至少一个第二反射镜(64、56、57、58、59)，通过将离开所述分束器(61)的另一辐射分量在所述至少一个反射镜(64、56、57、58、59)处反射回到所述分束器(61)中。36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述两个子光束(72、73)的释放发生在所述第一折叠光束路径中，其中在所述第二折叠光束路径中，不发生子光束的释放，并且辐射分量作为未调制光束(78)被引导到所述检测器(40)上，并且其中基于在所述检测器(40)上的所述未调制光束(78)的光束点(98)的强度分布来确定光束直径和/或光束轮廓。37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，通过定位装置(66)改变反射镜(64)在所述第二光束路径中的轴向位置，并且所述未调制光束(78)的光束点(98)的强度分布在所述反射镜(64)的至少三个不同位置处被记录在所述检测器(40)上，并且其中根据所述记录的强度分布确定所述样本束(70)的至少一个光束参数。38.根据权利要求26-37中任一项所述的方法，其特征在于，包括确定所述检测器(40)上具有两个光束点(92、93)的整个强度分布(83)的横向位置，并且从所述整个强度分布(83)的横向位置计算所述样本束(70)的光束焦点(71)的横向位置，或从所述整个强度分布(83)的横向位置的变化来计算所述样本束(70)的光束焦点(71)的横向位置的变化。39.根据权利要求30-38中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：-通过被布置在所述成像装置(50)的光学透镜(51)后面的光束路径中并且在子光束释放器(19)的平面的前面的分束器(62)来分离所述样本束，-通过具有至少一个光学透镜的另一成像装置(63)将分离的样本束成像到第二检测器
(42)上，所述另一成像装置(63)被布置在所述分束器(62)和所述第二检测器(42)之间，以便在第二检测器(42)上形成放大的光束点(98)或光束焦点(71)的放大图像，以及-根据所述第二检测器(42)上的强度分布确定光束直径或焦点直径。40.根据权利要求30-38中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：-通过被布置在成像装置(50)的光学透镜(51)后面的光束路径中并且在子光束释放平面(19)的前面的分束器(62)分离所述样本束，-通过具有至少一个光学透镜的另一成像装置(67)将分离的样本束引导到第二检测器(42)上，所述另一成像装置(67)被布置在所述分束器(62)和所述第二检测器(42)之间，用于在所述第二检测器(42)上形成远场光束分布(99)，其中所述成像装置(50)和所述另一成像装置(67)一起形成组合透镜系统，所述组合透镜系统具有像侧焦平面，并且其中所述第二检测器(42)被布置在所述组合透镜系统的像侧焦平面中，并且-根据所述第二检测器(42)上的强度分布确定远场光束直径或发散角。41.根据权利要求26-40中任一项所述的方法，其特征在于，通过处理光学器件(100)聚焦所述能量束(77)。42.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所确定的光束焦点(71)的轴向位置，或所确定的光束焦点(71)的轴向位置的变化，用于控制激光加工过程。43.根据权利要求26-42中任一项所述的方法，其特征在于，当所述光束焦点(71)的轴向位置变化时，所述检测器(40)上的两个光束点(92、93)的位置在相隔距离w的两条路径上延伸。

技术总结
本发明涉及一种用于确定能量束或从能量束中解耦的样本束(70)的焦点(71)的轴向位置的光束分析装置(10)，包括光束整形装置(12)、检测器(40)和分析装置(45)。光束整形装置(12)被解耦为在子光束释放过程的平面(19)上从样本束(70)释放两个子光束(72、73)。两个子光束(72、73)的横截面由子孔(32、33)限定，这些子孔相互分隔，并在第一横向方向(31)上以距离k相互排列。光束整形装置(12)被设计成对两个子光束(72，73)进行成像，以便在检测器上形成两个光束点(92，93)，并在与第一横向方向(31)横向排列的第二横向方向(37)上对两个子光束(72，73)中的至少一个进行偏转，以便在两个光束点(92，93)之间形成沿第二横向方向(37)上的距离w。评估装置(45)被设计为确定检测器(40)上两个光束点(92、93)在第一横向方向(31)上的距离a，并基于距离a确定光束焦点(71)的轴向位置和/或基于距离a的变化确定光束焦点(71)的轴向位置变化。本发明还涉及一种相应的方法，用于确定光束焦点(71)的轴向位置。于确定光束焦点(71)的轴向位置。于确定光束焦点(71)的轴向位置。


技术研发人员：R
受保护的技术使用者：普莱姆斯激光测量技术有限公司
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2023/8/24