(57)【要約】  レーザ加工システムの光ビームのドリフトを検出するための光学装置（１００）であって、  第１の光路に沿った第１の光ビーム（３）、および  第２の光路に沿った第２の光ビーム（４）  を得るためのビームスプリッタ（５０）と、  集束光ビームを得るための、第１の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めされた焦点モジュール（３００）であり、上記集束光ビームは、上記焦点モジュール（３００）と関連付けられている焦点面（１２）内に位置決めされた第１の光ビームマトリクス検出手段（３０）に向けられる、焦点モジュール（３００）と、  平行光ビーム（５）を得るための、第２の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めされた無限焦点モジュール（４００）であり、上記平行光ビーム（５）は、第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）に向けられる、無限焦点モジュール（４００）と  を備える、光学装置（１００）。【選択図】図１ａ
2021518582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工システムの光ビームのドリフトを検出するための光学装置（１００）であって、
前記光ビームから、
第１の光路に沿った第１の光ビーム（３）、および
第２の光路に沿った第２の光ビーム（４）
を得るためのビームスプリッタ（５０）と、
前記第１の光ビーム（３）から集束光ビームを得るための、前記第１の光ビーム（３）の第１の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めされた焦点モジュール（３００）であり、前記集束光ビームは、前記焦点モジュール（３００）と関連付けられている焦点面（１２）内に位置決めされた第１の光ビームマトリクス検出手段（３０）に向けられる、焦点モジュール（３００）と、
前記第２の光ビーム（４）から平行光ビーム（５）を得るための、前記第２の光ビーム（４）の第２の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めされた無限焦点モジュール（４００）であり、前記平行光ビーム（５）は、第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）に向けられる、無限焦点モジュール（４００）と
を備える、光学装置（１００）。
【請求項２】
前記焦点モジュール（３００）は、前記焦点面（１２）内で前記光ビームから集束光ビーム（２）を得るための焦点距離ｆ１を有する第１の集束手段（１０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の光学装置（１００）。
【請求項３】
レーザ加工システムの前記光ビームは、実質的にコリメートされた光ビームであることを特徴とする、請求項２に記載の光学装置（１００）。
【請求項４】
前記焦点面（１２）は、焦点面（１２）内で前記集束光ビーム（２）を検出するように、前記第１の集束手段（１０）の前記焦点距離ｆ１に等しい距離に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の光学装置（１００）。
【請求項５】
前記焦点モジュール（３００）は、前記第１の光ビーム（３）の第１の光路に沿って位置決めされること、前記無限焦点モジュール（４００）は前記第２の光ビーム（４）の第２の光路に沿って位置決めされること、および、前記無限焦点モジュール（４００）は、
焦点距離ｆ２を有する第２の集束手段（２０）、
焦点距離ｆ３を有する第３の集束手段（７０）
を備え、
前記第２の集束手段（２０）および前記第３の集束手段（３０）は、前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）上で前記第２の光ビーム（４）から平行光ビーム（５）を得るように、前記第２の集束手段（２０）と前記第３の集束手段（７０）との間の光学距離がｆ２＋ｆ３に等しくなるように位置決めされていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学装置（１００）。
【請求項６】
前記分離手段（５０）は、前記集束手段（１０）と前記第１の光ビームマトリクス検出手段（３０）との間に位置決めされることを特徴とする、請求項２に記載の光学装置（１００）。
【請求項７】
前記無限焦点モジュール（４００）は、
前記焦点距離ｆ１を有する前記第１の集束手段（１０）、
焦点距離ｆ２を有する第２の集束手段（２０）
を備え、
前記第１の集束手段（１０）および前記第２の集束手段（２０）は、前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）上で前記第２の光ビーム（４）から平行光ビーム（５）を得るように、前記第１の集束手段（１０）と前記第２の集束手段（２０）との間の光学距離がｆ１＋ｆ２に等しくなるように位置決めされることを特徴とする、請求項６に記載の光学装置（１００）。
【請求項８】
前記ビームスプリッタ（５０）は、前記第１の集束手段（１０）から１５０ｍｍ〜３５０ｍｍの距離、好ましくは２００ｍｍ〜３２５ｍｍの距離、さらにより好ましくは２５０ｍｍ〜３２０ｍｍの距離、例えば３００ｍｍの距離に配置されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項９】
前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）は、前記第２の集束手段（２０）の第２の焦点距離ｆ２とは異なる距離に位置決めされることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項１０】
前記ビームスプリッタ（５０）は、前記第１の光ビーム（３）を透過し、前記第２の光ビーム（４）を反射するように構成されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項１１】
前記焦点距離ｆ１は１００ｍｍ〜１０００ｍｍ、好ましくは２００ｍｍ〜８００ｍｍ、さらにより好ましくは３００ｍｍ〜６００ｍｍであり、例えば焦点距離ｆ１は４００ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項１２】
請求項２に従属する場合、前記第１の集束手段（１０）が収束レンズであることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置（１００）。
【請求項１３】
請求項５または７に従属する場合、前記第２の集束手段（２０）が収束レンズであることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の装置（１００）。
【請求項１４】
請求項５または７に従属する場合、前記焦点距離ｆ２は１０ｍｍ〜１００ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ〜８０ｍｍ、さらにより好ましくは２５ｍｍ〜５０ｍｍであり、例えば前記焦点距離ｆ２は３０ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項１５】
請求項２に従属する場合、前記焦点距離ｆ１は１００ｍｍ〜１０００ｍｍ、好ましくは２００ｍｍ〜８００ｍｍ、さらにより好ましくは３００ｍｍ〜６００ｍｍであり、例えば前記焦点距離ｆ１は４００ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項１６】
請求項７に従属する場合、前記第１の集束手段（１０）の焦点距離ｆ１および前記第２の集束手段（２０）の焦点距離ｆ２は、１＜ｆ１／ｆ２＜２０、好ましくは、７＜ｆ１／ｆ２＜１６、さらにより好ましくは、９＜ｆ１／ｆ２＜１４、たとえばｆ１／ｆ２＝４０／３となるように、比ｆ１／ｆ２を規定することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項１７】
前記第２の集束手段（２０）の焦点距離ｆ２および前記第３の集束手段（７０）の焦点距離ｆ３は、１＜ｆ２／ｆ３＜２０、好ましくは、７＜ｆ２／ｆ３＜１６、さらにより好ましくは、９＜ｆ２／ｆ３＜１４、たとえばｆ２／ｆ３＝４０／３となるように、比ｆ２／ｆ３を規定することを特徴とする、請求項５に従属するときの請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項１８】
請求項５に従属する場合、前記第２の集束手段（１０）および前記第３の集束手段（７０）は収束レンズであることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項１９】
前記第１のマトリクス光ビーム検出手段（３０）は、前記ビームスプリッタ（５０）から５０ｍｍ〜５００ｍｍ、好ましくは６５ｍｍ〜４００ｍｍ、さらにより好ましくは７５ｍｍ〜２５０ｍｍ、例えば１００ｍｍの距離に位置決めされることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項２０】
前記ビームスプリッタ（５０）は、スプリッタキューブまたは半反射ミラーであることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項２１】
前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）上の前記平行光ビーム（５）は、前記光ビームの横方向シフトの測定を本質的に可能にするスポットであることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項２２】
前記第１の光ビームマトリクス検出手段（４０）上の前記第１の分離された集束光ビーム（３）は、本質的に前記光ビームの角度シフトの測定を可能にする点であることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項２３】
前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）上のスポットは、前記第１の光ビームマトリクス検出手段（３０）上の点よりも大きい面積を有することを特徴とする、請求項２１または２２に記載の装置（１００）。
【請求項２４】
請求項７に従属する場合、前記第１の集束手段（１０）、前記ビームスプリッタ（５０）および前記第２の集束手段（２０）は、前記第２の集束手段（２０）に向けられた前記光ビームのために、無限焦点光学系を構成することを特徴とする、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項２５】
前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）は、前記第２の集束手段（２０）から、焦点距離ｆ２とは異なる距離にあることを特徴とする、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の装置（１００）。
【請求項２６】
レーザ加工システムの光ビームの自動位置整合のための光学システムであって、
前記光ビームの一部を収集するための第２の光ビームスプリッタであり、前記光ビームの収集される部分は以下の光学装置（１００）に向けられる、第２の光ビームスプリッタと、
前記収集されたビーム部分からの前記光ビームのドリフトを検出することが可能である、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の光学装置（１００）と、
前記第１のマトリクス光ビーム検出器（３０）からの第１の情報（３１）および前記第２のマトリクス光ビーム検出器（４０）からの第２の情報（４１）を受信する中央ユニット（１１０）であり、前記第１の情報（３１）および前記第２の情報（４１）は、前記第１のマトリクス光ビーム検出器（３０）および前記第２のマトリクス光ビーム検出器（４０）上の前記第１の光ビーム（３）および前記第２の平行光ビーム（５）の位置を規定する、中央ユニット（１１０）と、
レーザ加工システムの前記光ビームを位置整合するために、前記第１の情報（３１）および前記第２の情報（４１）に従って前記中央ユニット（１１０）によって位置がサーボ制御される２つの電動ミラー（１２０）と
を備える、光学システム。
【請求項２７】
レーザ加工システムの光ビーム（１）のドリフトを検出するために光学素子を位置決めするための方法であって、
ａ．以下の光学素子、すなわち、
前記光ビームから、
第１の光路に沿った第１の光ビーム（３）、および
第２の光路に沿った第２の光ビーム（４）
を得るためのビームスプリッタ（５０）、
焦点モジュール（３００）、
無限焦点モジュール（４００）、
第１の光ビームマトリクス検出手段（３０）、
第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）
を提供するステップと、
ｂ．前記第１の光ビーム（３）から集束光ビームを得るために、前記焦点モジュール（３００）を、前記第１の光ビーム（３）の第１の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めするステップであり、前記集束光ビームは、前記焦点モジュール（３００）と関連付けられている焦点面（１２）内に位置決めされた前記第１の光ビームマトリクス検出手段（３０）に向けられる、前記焦点モジュール（３００）を位置決めするステップと、
ｃ．前記第２の光ビーム（４）から平行光ビーム（５）を得るために、前記無限焦点モジュール（４００）を、前記第２の光ビーム（４）の第２の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めするステップであり、前記平行光ビーム（５）は、第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）に向けられる、前記無限焦点モジュール（４００）を位置決めするステップと
を含む、方法。
【請求項２８】
前記焦点モジュール（３００）は、前記焦点面（１２）内で前記光ビームから集束光ビーム（２）を得るための焦点距離ｆ１を有する第１の集束手段（１０）を備えることを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記無限焦点モジュールは、前記第１の集束手段（１０）および第２の集束手段（２０）を備えること、および、前記方法は、以下の追加のステップ、すなわち、
ｄ．前記第１の集束手段（１０）および前記第２の集束手段（２０）を、前記第２の光ビーム（４）から前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）に向かう第２の平行光ビーム（５）を得るために、ｆ１＋ｆ２に等しい光学距離だけ分離されるように位置決めするステップを含むことを特徴とする、請求項２７または２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記無限焦点モジュールは、
焦点距離ｆ２を有する第２の集束手段（２０）、
焦点距離ｆ３を有する第３の集束手段（７０）
を備えること、
および、前記方法は、以下の追加のステップ、すなわち、
ｄ．前記第２の光ビーム（４）から、前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）上の平行光ビーム（５）を得るように、前記第２の集束手段（２０）および前記第３の集束手段（７０）を、該集束手段を分離するｆ２＋ｆ３に等しい光学距離に位置決めするステップを含むことを特徴とする、請求項２６または２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
第１の態様によれば、本発明は、光ビームのドリフトを検出するための光学装置に関する。第２の態様によれば、本発明は、光ビームの自動位置整合のための光学システムに関する。第３の態様によれば、本発明は、第１の態様による光学装置の設計のために光学素子を位置決めする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、光ビームの角度位置および横方向位置を自動的に調整するための光学安定化装置を開示している。光ビームの角度位置および横方向位置は、集束光ビームの測定および無限測定によって検出される。この安定化装置の欠点は、横方向位置シフト、特に角度位置シフトの十分な分解能を得るために、光学素子間に大きい距離を必要とすることである。
【０００３】
従来技術の光ビームドリフト検出装置の問題は、満足のいく感度を提供するために、それらが大きい光学距離を必要とし、その結果、多大な空間要件が生じることである。例えば、角度位置シフトの分解能の増大は、光検出器上で得られるシフトを増大させるために光ビームから検出器を遠ざけることによって得られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
第１の態様によれば、本発明の目的の１つは、光ビームの横方向および／または角度シフトを検出する際に良好な感度を可能にするコンパクトな光学装置を提供することである。
【０００５】
この目的のために、本発明者らは、レーザ加工システムの光ビームのドリフトを検出するための光学装置であって、
上記光ビームから、
第１の光路に沿った第１の光ビーム、および
第２の光路に沿った第２の光ビーム
を得るためのビームスプリッタと、
上記第１の光ビームから集束光ビームを得るための、上記第１の光ビームの第１の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めされた焦点モジュールであり、上記集束光ビームは、上記焦点モジュールと関連付けられている焦点面内に位置決めされた第１の光ビームマトリクス検出手段に向けられる、焦点モジュールと、
上記第２の光ビームから平行光ビームを得るための、第２の光ビームの第２の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めされた無限焦点モジュールであり、上記平行光ビームは、第２の光ビームマトリクス検出手段に向けられる、無限焦点モジュールと
を備える、光学装置を提案する。
【０００６】
好ましくは、本発明は、近接場測定と遠方場測定の両方が行われることを可能にする。レーザビームの近接場は、例えば焦点にある、最小値（ウエスト）を有するビームの幅の周りの領域として理解することができる。遠方場は、最小値（ウエスト）を有するビーム幅から外方のビームプロファイル、すなわち、たとえば有効レイリー長に関して大きい焦点からの距離に関係する。遠方場強度プロファイルは、近接場では波面測定によってしか得られないビーム発散の詳細を明らかにする。遠方場に直接アクセスすることは実際的ではないため、本発明は、第２の集束手段（レンズまたは集束ミラー）を使用して、遠方場の縮小バージョンを明らかにするその焦点面内の強度プロファイルを取得することを提案する。
【０００７】
光ビームのドリフトを検出するための本発明の装置の利点は、所与の平面内のビームの角度シフトを検出し、かつ／または位置のシフトを検出するための高感度を可能にしながら、特にコンパクトであることである。実際、これは、同じ入射レーザビームから２つの異なる場所を「見る」２つの光学マトリクス検出器の位置決めによって可能である。たとえば、入射レーザビームの漏れは集束され、次いで、２つに分離された集束中に、２つの光学マトリクス検出器に向かう。２つの光学マトリクス検出器のうちの１つは焦点に配置され、もう１つはビームをコリメートする第２のレンズを通してレンズを見る。別の例では、入射レーザの漏れが２つに分割され、次いで、第１のビームがマトリクス光検出器に集束され、第２のビームが無限焦点モジュールを通過して別の検出器に至る。無限焦点モジュールは、好ましくは、検出器に投射される第２のビームのサイズの制御を可能にする。光学的には、これは無限測定および局所測定に対応する。したがって、本発明の装置は、非常に小さい領域にわたって２つの光学マトリクスセンサ間に仮想的な大きい距離を作り出すことを可能にし、したがって２つの光学マトリクスセンサへの比較的短い光路で非常に高い測定正確度度を提供する。したがって、光ビームのドリフトを検出するための光学装置は、コンパクトであるとともに、レーザビームの方向または角度シフト、および位置シフトに対して非常に敏感である。
【０００８】
本発明の装置の別の利点は、大きい直径を有するビームの位置整合を検出することができることである。例えば、本発明の装置は、３０ｍｍ、２５ｍｍ、２０ｍｍ、１５ｍｍ．．．のオーダーの直径を有するビームを処理することができる。装置に入射するビームのサイズに基づいて、第２のマトリクスセンサが２ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内の直径のスポットを有するように、無限焦点モジュールの焦点距離比を調整することができる。
【０００９】
従来技術のシステムにまさるシステムの別の利点は、従来技術のシステムが、一般に、自由伝播チャネルを含む、すなわち、無限焦点モジュールがないことである。そのようなシステムは、それを折り返すことによって、すなわち、多くのミラーを使用して、十分に長い自由伝播を保証することによって、本発明の装置と同等にコンパクトにすることができる。多くの場合、従来技術のシステムは、２つの自由伝播チャネル、または一方のチャネル上に収束レンズを備え、他方で自由伝播させるチャネルのいずれかを含む。従来技術のシステムとは、レーザ加工システムのビームサイズが、使用されるマトリクス検出器のサイズによって制限されることを意味する。大きい検出面を有する検出器を使用できるが、はるかに高いコストがかかる。本発明の光学装置は、無限焦点モジュールによって、サイズが小さくなるため、小さい検出器上で大きいビームを見ることができる。したがって、本発明のシステムは、より小型でより安価な検出器の使用を可能にする。
【００１０】
本発明の位置整合装置は、各々がそれぞれ第１のマトリクス光ビーム検出手段および第２のマトリクス光ビーム検出手段を備えた２つの測定チャネル（例えば、チャネル１およびチャネル２）からなる。好ましくは、両方のチャネルは、無限遠において、および、局所的に、ビーム位置の検出を可能にし、例えば、これは、ビーム位置を２つの異なる平面内で測定または位置決定することを意味する。無限遠における、および、局所的な、すなわち、２つの異なる平面内の位置における測定から、所与の平面内のビームの位置およびその方向のビームの位置までさかのぼることができる。例えば、所与の平面におけるビームの位置は、横方向シフトを決定することを可能にし、光ビームの方向は、光ビームの向きのシフトまたは角度シフトを検出することを可能にする。たとえば、そのような装置は、
−遠方場における上記光ビームのドリフトを検出するための集束光学系を規定する焦点距離ｆ１を有する集束手段を備える第１のチャネルと、
−近接場における上記光ビームのドリフトを検出する無限焦点光学系を含む第２のチャネルであって、
上記第２のチャネルに沿ったドリフトを検出するための第２の光ビームマトリクス検出手段、
焦点距離ｆ２を有する第２の集束手段、
焦点距離ｆ３を有する第３の集束手段
を備え、
上記第２の集束手段および第３の集束手段は、上記第２の光ビームマトリクス検出手段上で入射平行光ビームから平行光ビームを得るように、上記第２の集束手段と第３の集束手段との間の光学距離がｆ２＋ｆ３に等しくなるように位置決めされている、第２のチャネルと、
−上記光ビームのドリフトの検出を上記第１の光ビームマトリクス検出手段および第２の光ビームマトリクス検出手段に分離するためのビームスプリッタと
を備える者として説明することができる。
例えば、この実施形態は、単一の集束手段を形成する第１の集束手段および第２の集束手段によって説明することができ、ビーム分離装置は、第１の集束手段の後ろに位置決めされ、したがって第１の集束手段は第３の集束手段に取って代わる。
【００１１】
本発明の装置は、非常に小さい領域上で、すなわち、第１の集束手段と２つの光学検出器との間の比較的短い光路によって、２つの光学マトリクス検出器の間に大きい距離を作ることを可能にし、本発明の装置は無限測定および局所測定を可能にする。本発明の光学装置のこの特殊性は、特に、光学中心までの距離がｆ１＋ｆ２に等しくなるような第１の集束手段に対する第２の集束手段の位置決めによって可能である。これにより、非常に高い測定正確度を提供しながら、コンパクトな光学装置を得ることが可能になる。
【００１２】
例えば、チャネル１は、焦点距離ｆ１を有する、例えば収束レンズなどの第１の集束手段、および、第１の光ビームマトリクス検出手段からなる。第１のマトリクス検出器は、第１の集束手段の焦点面内に位置決めされる。
例えば、チャネル２は、２つの集束手段であって、すなわちチャネル１と共通の第１の集束手段、および第２の集束手段であり、２つの集束手段は、無限焦点光学系を構成する、２つの集束手段と、入射瞳と、第２の光ビームマトリクス検出手段とからなる。第２の光ビームマトリクス検出手段は、例えば第１の収束レンズおよび第２の収束レンズからなる無限焦点アセンブリを介して得られる入射瞳の像面内に配置される。
好ましくは、マトリクス検出器は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサである。
【００１３】
本発明のレーザ加工システムの光ビームは、好ましくは、本発明の光学装置を加工システムのミラーの後ろに位置決めすることによって収集または取得され、加工システムのミラーの残留透過は、次いで平行入射光ビームの形態で第１の集束手段に向けられる光ビームを生成する。例えば、加工システムのミラーは、０．０１％〜１％、好ましくは０．０５％〜０．５％、さらにより好ましくは０．０８％〜０．２％の、光ビームの一部を透過する。
【００１４】
第１の集束手段（第１のレンズ）は、チャネル１および２に共通である。第２の集束手段は、入射瞳が第２の光ビームマトリクス検出手段上に結像されることを可能にする。第１の光ビームマトリクス検出手段は、（理論的に）無限遠に反射される平面内のビームの横方向位置を検出することを可能にする。第２の光ビームマトリクス検出手段は、入射瞳の平面のレベルにおいてビーム位置を検出するために使用される。
【００１５】
好ましくは、２つのチャネルまたは第１の光ビームおよび第２の光ビームは、第１のレンズと第２のレンズとの間に位置決めされる、例えばスプリッタキューブ（通常のもの、非偏光、Ｒ＝５０％、Ｔ＝５０％）などのビームスプリッタによって分離される。例えば、キューブは、Ｓ成分がＲ＝５０％、Ｐ成分がＴ＝５０％、またはその逆の偏光キューブとすることができる。
【００１６】
好ましくは、第１の光ビームおよび第２の光ビームは、上記集束手段によって規定される焦点を保持する。好ましくは、第２の焦点距離ｆ２を規定する第２の集束手段は、第２の集束され分離された光ビームの焦点面を超えて第２の焦点距離に等しい距離に位置決めされる。第２の集束手段は、第２の分離された集束光ビームから第２の分離された平行光ビームを得るために、第２の分離された集束光ビームの焦点の焦点距離ｆ２に等しい距離に位置決めされる。
【００１７】
好ましくは、上記焦点モジュールは、上記焦点面内で上記光ビームから集束光ビームを得るための焦点距離ｆ１を有する第１の集束手段を備える。
【００１８】
好ましくは、レーザ加工システムの上記光ビームは、実質的にコリメートされた光ビームである。
【００１９】
好ましくは、上記焦点面は、その焦点面内で上記集束光ビームを検出するように、上記第１の集束手段の上記焦点距離ｆ１に等しい距離に配置される。
【００２０】
好ましくは、上記焦点モジュールは、上記第１の光ビームの第１の光路に沿って位置決めされ、上記無限焦点モジュールは第２の光ビームの第２の光路に沿って位置決めされ、上記無限焦点モジュールは、
焦点距離ｆ２を有する第２の集束手段、
焦点距離ｆ３を有する第３の集束手段
を備え、
上記第２の集束手段および第３の集束手段は、上記第２の光ビームマトリクス検出手段上で上記第２の光ビームから平行光ビームを得るように、上記第２の集束手段と第３の集束手段との間の光学距離がｆ２＋ｆ３に等しくなるように位置決めされている。
【００２１】
好ましくは、分離手段は、上記集束手段と上記第１の光ビームマトリクス検出手段との間に位置決めされる。
【００２２】
好ましくは、無限焦点モジュールは、
上記焦点距離ｆ１を有する上記第１の集束手段、
焦点距離ｆ２を有する第２の集束手段、
上記第１の集束手段および第２の集束手段は、上記第２の光ビームマトリクス検出手段上で上記第２の光ビームから平行光ビームを得るように、上記第１の集束手段と第２の集束手段との間の光学距離がｆ１＋ｆ２に等しくなるように位置決めされている。
【００２３】
好ましくは、上記ビームスプリッタは、第１の集束手段から１５０ｍｍ〜３５０ｍｍの距離、好ましくは２００ｍｍ〜３２５ｍｍの距離、さらにより好ましくは２５０ｍｍ〜３２０ｍｍの距離、例えば３００ｍｍの距離に配置される。
【００２４】
好ましい実施形態では、第２の光ビームマトリクス検出手段は、第２の集束手段の第２の焦点距離ｆ２とは異なる距離に位置決めされる。
【００２５】
例えば、第２の光ビームマトリクス検出手段は、第２の集束され分離された光ビームの焦点の第２の焦点距離の２倍の異なる距離に位置決めされる。
【００２６】
好ましくは、ビームスプリッタは、第１の光ビームを透過し、第２の光ビームを反射するように構成される。
【００２７】
好ましくは、焦点距離ｆ１は１００ｍｍ〜１０００ｍｍ、好ましくは２００ｍｍ〜８００ｍｍ、さらにより好ましくは３００ｍｍ〜６００ｍｍであり、例えば焦点距離ｆ１は４００ｍｍである。
【００２８】
好ましくは、第１の集束手段は収束レンズである。
【００２９】
好ましくは、第２の集束手段は収束レンズである。
【００３０】
好ましくは、焦点距離ｆ２は１０ｍｍ〜１００ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ〜８０ｍｍ、さらにより好ましくは２５ｍｍ〜５０ｍｍであり、例えば焦点距離ｆ２は３０ｍｍである。
【００３１】
好ましくは、焦点距離ｆ１は１００ｍｍ〜１０００ｍｍ、好ましくは２００ｍｍ〜８００ｍｍ、さらにより好ましくは３００ｍｍ〜６００ｍｍであり、例えば焦点距離ｆ１は４００ｍｍである。
【００３２】
好ましくは、上記第１の集束手段の焦点距離ｆ１および第２の集束手段の焦点距離ｆ２は、１＜ｆ１／ｆ２＜２０、好ましくは、７＜ｆ１／ｆ２＜１６、さらにより好ましくは、９＜ｆ１／ｆ２＜１４、たとえばｆ１／ｆ２＝４０／３となるように、比ｆ１／ｆ２を規定する。
【００３３】
好ましくは、上記第２の集束手段の焦点距離ｆ２および第３の集束手段の焦点距離ｆ３は、１＜ｆ２／ｆ３＜２０、好ましくは、７＜ｆ２／ｆ３＜１６、さらにより好ましくは、９＜ｆ２／ｆ３＜１４、たとえばｆ２／ｆ３＝４０／３となるように、比ｆ２／ｆ３を規定する。
【００３４】
無限焦点モジュールの焦点距離比は、無限焦点モジュールに入射するビームの直径、および、出射する平行ビームの直径を制御するために使用される。好ましくは、無限焦点モジュールの入射および出射ビームは本質的にコリメートされている。したがって、たとえばｆ１／ｆ２またはｆ２／ｆ３などの、無限焦点モジュールに含まれる２つの集束手段の焦点距離比が１０に等しい場合、無限焦点モジュールに直径１０ｍｍで入射する光ビームは、無限焦点モジュールから直径１ｍｍで現れる。したがって、比（たとえば、ｆ１／ｆ２またはｆ２／ｆ３）と、無限焦点モジュールを通過する光ビームの直径の拡大または狭窄との間には直接的な対応関係がある。
【００３５】
本明細書において説明されている比の無限焦点モジュールを使用する利点は、ビーム径の大きいレーザ加工システムからの光ビームを処理できる光ビームのドリフトを検出する装置があることである。本発明の装置の利点は、比較的小さい検出面積を有するマトリクス光ビーム検出器を使用できることである。例えば、平行ビームを検出するための本発明の装置によるマトリクス光ビーム検出器は、４ｍｍ×４ｍｍの正方形による検出を可能にする。これにより、より小さい表面でのシフトの検出が可能になり、本発明の装置で必要になる光路は短い。従来技術の装置は、例えば、より大きい検出表面を有し、より大きい距離を必要とする検出器を使用する。
【００３６】
好ましくは、上記第２の集束手段および第３の集束手段は収束レンズである。
【００３７】
好ましくは、第１のマトリクス光ビーム検出手段は、ビームスプリッタから５０ｍｍ〜５００ｍｍ、好ましくは６５ｍｍ〜４００ｍｍ、さらにより好ましくは７５ｍｍ〜２５０ｍｍ、例えば１００ｍｍの距離に位置決めされる。
【００３８】
好ましくは、ビームスプリッタは、スプリッタキューブまたは半反射ミラーである。
【００３９】
好ましくは、入射瞳は、上記第１の集束手段の上流に位置決めされる。好ましくは、入射瞳は第１の集束手段に対応する。収束レンズの直径が、入射瞳を規定する。好ましくは、本発明の装置に入射する光ビームは、第１の集束手段または第３の集束手段の収束レンズの直径よりも小さい内径を有する。例えば、第２のマトリクス光ビーム検出手段における入射瞳の画像は、第１の集束手段または第３の集束手段の収束レンズの画像に対応する。収束レンズ画像は、収束レンズの主面において撮影される画像である。したがって、入射瞳は、スポットが第２のマトリクス検出器上に結像される平面に対応する。
【００４０】
例えば、入射瞳は、５ｍｍ〜５０ｍｍ、好ましくは８ｍｍ〜３０ｍｍ、より好ましくは１０ｍｍ〜２５ｍｍ、好ましくは１２〜２０ｍｍの直径を有する。
【００４１】
好ましくは、第２の光ビームマトリクス検出手段上の平行光ビームは、レーザ加工システムからの上記光ビームの横方向シフトの測定を本質的に可能にするスポットである。
【００４２】
第２の光ビームマトリクス検出手段上のスポットは、光ビームが第２の集束手段を通過するときに得られる平行ビームの直径に対応する。第２の光ビームマトリクス検出手段上のスポットの直径は、好ましくは、第１の集束手段上のビームの直径とは異なる。好ましくは、スポットの直径は、第２の検出手段の検出マトリクスのサイズよりも小さい。実際、横方向シフトを検出するために、第２のマトリクス検出手段上でスポーツの位置の変化を検出することが可能である必要がある。
【００４３】
好ましくは、焦点モジュールによって第１の光ビームマトリクス検出手段上に集束される第１の光ビームは、レーザ加工システムの上記光ビームの角度シフトの測定を本質的に可能にする点である。
【００４４】
ビーム位置整合が平面内で維持されている場合、最初のマトリクス検出器上の点はある線に沿って移動する。例えば、光ビームの平面における最大変位に対応する線に沿った点のそのような変位は、１００μｍのオーダーである。
【００４５】
第１の光ビームは、焦点モジュールによって焦点面内に集束される。焦点面は、集束レンズに平行に入射する光ビームがレンズに対して異なる入射角において集束する平面として定義することができる。したがって、入射角に関係なく、すべての焦点は焦点面内にある。
【００４６】
好ましくは、上記第２の光ビームマトリクス検出手段上のスポットは、上記第１の光ビームマトリクス検出手段上の上記点よりも大きい面積を有する。
【００４７】
好ましくは、第１の集束手段、ビームスプリッタおよび上記第２の集束手段は、第２の集束手段に向けられたレーザ加工システムの光ビームのために、無限焦点光学系を構成する。
【００４８】
好ましくは、第２の光ビームマトリクス検出手段は、第２の集束手段から、焦点距離ｆ２とは異なる距離にある。
例えば、本発明の装置は、以下のように説明することができる。光ビームのドリフトを検出するための光学装置であって、
−上記光ビームからの平行入射光ビームから集束光ビームを得るための焦点距離ｆ１を有する第１の集束手段であり、上記集束光ビームは、上記焦点距離ｆ１にある焦点を規定する、第１の集束手段と、
−上記集束光ビームを第１の集束光ビームと第２の集束光ビームとに分割するためのビームスプリッタと、
−焦点において上記第１の集束光ビームを検出するように、上記第１の集束手段の上記焦点距離ｆ１に位置決めされている第１の光ビームマトリクス検出手段であり、上記ビームスプリッタは、第１の集束光ビームおよび第２の集束光ビームの経路に沿って上記集束光ビームと上記第１の光ビームマトリクス検出手段との間に配置される、第１の光ビームマトリクス検出手段と、
−上記第２の集束光ビームを検出するための第２の光ビームマトリクス検出手段と
を備え、
上記光学装置は、上記第２の分離された集束光ビームから、上記第２の光ビームマトリクス検出手段上でコリメートされている第２の光ビームを得るために、上記集束光ビームおよび上記第２の集束光ビームの経路に沿って測定される、上記第１の集束手段と第２の集束手段との間の距離がｆ１＋ｆ２に等しくなるように、上記ビームスプリッタと上記第２の光ビームマトリクス検出手段との間に位置決めされている、焦点距離ｆ２を有する第２の集束手段を備えることを特徴とする、光学装置。
【００４９】
第２の態様によれば、本発明は、レーザ加工システムの光ビームの自動位置整合のための光学システムであって、
−上記光ビームの一部を収集するための第２の光ビームスプリッタであり、上記光ビームの上記収集される部分は以下の光学装置に向けられる、第２の光ビームスプリッタと、
−上記収集されたビーム部分からの上記光ビームのドリフトを検出することが可能である、本発明の第１の態様による光学装置と、
−上記第１のマトリクス光ビーム検出器からの第１の情報および上記第２のマトリクス光ビーム検出器からの第２の情報を受信する中央ユニットであり、上記第１の情報および第２の情報は、第１のマトリクス光ビーム検出器および第２のマトリクス光ビーム検出器上の上記第１の光ビームおよび第２の平行光ビームの位置を規定する、中央ユニットと、
−レーザ加工システムの上記光ビームを位置整合するために、上記第１の情報および第２の情報に従って上記中央ユニットによって位置がサーボ制御される２つの電動ミラーと
を備える、光学システムに関する。
【００５０】
本発明は、光ビームのドリフトを検出するための光学装置が非常に高速であるために、光ビームの非常に高速な自動位置整合を可能にし、その高い感度によって、位置整合された光ビームを達成するために、必要とするサーボ制御測定の反復が非常に少ないため、角度位置および／または横方向位置における非常に高速なサーボ制御を可能にする。実際、本発明の第１の態様による装置のコンパクトさを有する従来技術の光学装置は、良好な感度を可能にせず、したがって、位置整合された光ビームを達成するためにサーボ制御測定をさらに繰り返す必要がある。これはまた、本発明の第１の態様によるコンパクトで高感度のドリフト検出装置によって、高速でコンパクトな光ビームの自動位置整合のための光学システムを提供する。本発明の光ビームの自動位置整合のための光学システムは、材料を加工するためのレーザ加工機において使用されることが好ましい。本発明の第１の態様による装置および第２の態様によるシステムの関心は、よりコンパクトでより容易に構築されるレーザ加工機の製造を可能にすることである。
【００５１】
本発明の第１の態様による装置について説明した様々な変形および利点は、必要な変更を加えて、第２の態様による光学システムに適用される。
【００５２】
第３の態様によれば、本発明は、第１の態様による光学装置の設計のために光学素子を位置決めする方法に関する。この目的のために、本発明者らは、レーザ加工システムの光ビームのドリフトを検出するために光学素子を位置決めするための方法であって、
ａ．以下の光学素子、すなわち、
−上記光ビームから、
第１の光路に沿った第１の光ビーム、および
第２の光路に沿った第２の光ビーム
を得るためのビームスプリッタと、
−焦点モジュール、
−無限焦点モジュール、
−第１の光ビームマトリクス検出手段、
−第２の光ビームマトリクス検出手段
を提供するステップと、
ｂ．上記第１の光ビームから集束光ビームを得るために、上記焦点モジュールを、上記第１の光ビームの第１の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めするステップであり、上記集束光ビームは、上記焦点モジュールと関連付けられている焦点面内に位置決めされた上記第１の光ビームマトリクス検出手段に向けられる、上記焦点モジュールを位置決めするステップと、
ｃ．上記第２の光ビームから平行光ビームを得るために、上記無限焦点モジュールを、第２の光ビームの第２の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めするステップであり、上記平行光ビームは、第２の光ビームマトリクス検出手段に向けられる、上記無限焦点モジュールを位置決めするステップと
を含む、方法を提案する。
【００５３】
好ましくは、焦点モジュールは、上記焦点面内で上記光ビームから集束光ビームを得るための焦点距離ｆ１を有する第１の集束手段を備える。
【００５４】
好ましくは、無限焦点モジュールは、上記第１の集束手段および第２の集束手段を備え、上記方法は、以下の追加のステップ、すなわち、
ｄ．上記第１の集束手段および第２の集束手段を、第２の光ビームから上記第２の光ビームマトリクス検出手段に向かう第２の平行光ビームを得るために、ｆ１＋ｆ２に等しい光学距離だけ離れるように位置決めするステップを含む。
【００５５】
好ましくは、上記無限焦点モジュールは、
焦点距離ｆ２を有する第２の集束手段、
焦点距離ｆ３を有する第３の集束手段
を備え、
上記方法は、以下の追加のステップ、すなわち、
ｄ．上記第２の光ビームから、上記第２の光ビームマトリクス検出手段上の平行光ビームを得るように、上記第２の集束手段および第３の集束手段を、当該集束手段を分離するｆ２＋ｆ３に等しい光学距離に位置決めするステップを含む。
【００５６】
本発明の第１の態様による光学装置および第２の態様による光学システムについて説明した様々な変形および利点は、必要な変更を加えて、第３の態様による方法に適用される。
【００５７】
好ましくは、第１の光ビームおよび第２の光ビームは、第１の集束手段によって規定される焦点を保持する。
【００５８】
好ましくは、第２の焦点距離を規定する第２の集束手段は、第２の集束光ビームの焦点を超えて第２の焦点距離に等しい距離に位置決めされる。好ましくは、第２の集束手段は、第２の集束光ビームから第２の平行光ビームを得るために、第２の集束光ビームの焦点の焦点距離ｆ２に等しい距離に位置決めされる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
本発明のこれらの態様および他の態様を、図面の図を参照して、本発明の特定の実施形態の詳細な説明において明らかにする。
【図１ａ】本発明の第１の態様による光学装置の一実施形態を示す図である。
【図１ｂ】本発明の第１の態様による光学装置の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明による光学装置の一実施形態を示す図である。
【図３ａ】本発明による光学装置の実施形態を示す図である。
【図３ｂ】本発明による光学装置の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の第２の態様による光学システムの一実施形態を示す図である。  図面の図は原寸に比例しない。一般に、同様の要素は、図面中の同様の参照によって示される。図内の参照符号の存在は、これらの符号が特許請求の範囲内に示されている場合であっても、限定であると考えることはできない。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
入射光ビーム１は、例えば、レーザ加工システムのミラーによって透過されるレーザビームである。加工システムのミラーによる透過は、例えば、不可避であり、本発明のシステムは、ミラーにより透過され、失われることになる光ビームを使用することを可能にする。実際、ミラーによって反射されずに透過される光強度は、光ビームの位置のシフトまたは角度シフトを検出するのに十分である。たとえば、ミラー上で反射されたパワーが２０  Ｗである加工用レーザビームの場合、このビームは約２０ｍＷのパワーで透過されると合理的に推定することができる。このようにして透過され、上記ミラーによって減衰された光ビームは、次いで、図１ａ、図１ｂ、図２、図３ａまたは図３ｂの光学装置に向けられる。
【００６１】
図１ａは、レーザ加工システムの入射光ビーム１のシフトを検出するための装置の実施形態の一例を示している。入射光ビームは、ビームスプリッタ５０に向けられ、ビームスプリッタは、入射光ビーム１を、ビームスプリッタ５０によって透過される第１の光ビーム３と、ビームスプリッタ５０によって反射される第２の光ビーム４とに分離する。第１の光ビーム３は、焦点モジュール３００を通過し、次いで、第１のマトリクス光ビーム検出器３０に向けられ、そこで、その位置が検出され、第１の情報３１に変換される。焦点モジュール３００から出る第１の光ビーム３は、集束光ビーム２である。次いで、この第１の情報は中央ユニット１１０に向けられる。第２の光ビーム４は、無限焦点モジュール４００を通過し、次いで、第２のマトリクス光ビーム検出器４０に向けられ、そこで、その位置が検出され、第２の情報４１に変換される。無限焦点モジュール４００から出る第２の光ビーム４は、平行光ビーム５である。次いで、この第２の情報４１は中央ユニット１１０に向けられる。
【００６２】
図１ｂは、レーザ加工システムの入射光ビーム１のシフトを検出するための装置の実施形態の一例を示している。入射光ビームは、焦点モジュール３００および無限焦点モジュール４００に向けられる。焦点モジュール３００および無限焦点モジュール４００は、焦点モジュール３００および無限焦点モジュール４００への光ビームの入射に対応する同じ共通部分を有する。例えば、焦点モジュール３００および無限焦点モジュール４００の共通部分は、ビームスプリッタ５０までの共通部分を有し、ビームスプリッタは、入射光ビーム１を、ビームスプリッタ５０によって透過される第１の光ビーム３と、ビームスプリッタ５０によって反射される第２の光ビーム４とに分割する。第１の光ビーム３は、焦点モジュール３００内で継続し、次いで、第１のマトリクス光ビーム検出器３０に向けられ、そこで、その位置が検出され、第１の情報３１に変換される。焦点モジュール３００から出る第１の光ビーム３は、集束光ビーム２であり、集束光ビーム２は次いで、中央ユニット１１０に向けられる。第２の光ビーム４は、無限焦点モジュール４００内で継続し、次いで、第２のマトリクス光ビーム検出器４０に向けられ、そこで、その位置が検出され、第２の情報４１に変換される。無限焦点モジュール４００から出る第２の光ビーム４は、平行光ビーム５である。次いで、この第２の情報４１は中央ユニット１１０に向けられる。例えば、光ビームスプリッタ５０は、焦点モジュール３００および無限焦点モジュール４００の一部である。
【００６３】
図２は、本発明による入射光ビーム１のシフトを検出するための装置の実施形態の詳細な例を示している。この実施形態において、入射ビームは、光ビームスプリッタ５０に向けられ、光ビームスプリッタは、入射光ビーム１を、ビームスプリッタ５０によって透過される第１の光ビーム３と、ビームスプリッタ５０によって反射される第２の光ビーム４とに分離する。第１の光ビーム３は、第１の集束手段１０を備える焦点モジュール３００を通過する。第１の光ビームは、次いで、集束光ビーム２に集束し、次いで、第１のマトリクス光ビーム検出器３０に向けられ、そこで、その位置が検出され、第１の情報３１に変換される。第１の集束手段は、好ましくは、第１のマトリクス光ビーム検出器３０のその焦点距離ｆ１に等しい距離に位置決めされた収束レンズである。したがって、焦点モジュール３００から出る第１の光ビーム３は、集束光ビーム２である。次いで、この第１の情報３１は中央ユニット１１０に向けられる。第２の光ビーム４は、無限焦点モジュール４００を通過し、次いで、第２のマトリクス光ビーム検出器４０に向けられ、そこで、その位置が検出され、第２の情報４１に変換される。無限焦点モジュール４００は、好ましくは、第３の集束手段７０および第２の集束手段２０を備える。第２の集束手段２０および第３の集束手段７０は、それらの２つの焦点距離ｆ２およびｆ３の合計に等しい距離に位置決めされる。したがって、無限焦点モジュール４００から出る第２の光ビーム４は、平行光ビーム５である。次いで、この第２の情報４１は中央ユニット１１０に向けられる。焦点距離比ｆ２／ｆ３は、第２のマトリクス検出器４０上のスポットのサイズを変更することを可能にする。
【００６４】
図３ａは、本発明による入射光ビーム１のシフトを検出するための装置の実施形態の一例を示している。入射光ビーム１は平行光ビームである。平行光ビーム１は、集束光ビーム２を得るために、第１の集束手段１０に向けられる。第１の集束手段１０は、好ましくは収束レンズである。第１の集束手段１０は、焦点距離ｆ１を有する。したがって、集束光ビーム２は、第１の集束手段１０から距離ｆ１に位置する焦点面１２内に集束される。ビームスプリッタ５０を通過する際に集束光ビーム２は２つの光ビームに分離され、第１の光ビーム３は例えば透過され、第２の光ビーム４は例えば入射ビーム１に対して９０°の角度で反射される。ビーム分割手段５０は、例えば、入射光ビーム１の５０％を反射し、入射光ビーム１の５０％を透過するスプリッタキューブである。第１の光ビーム３および第２の光ビーム４の集束は、分割手段５０によって変更されない。第１の光ビーム３および第２の光ビーム４の焦点１２は、焦点距離ｆ１に等しい、分離手段５０によって課される光路に応じた距離に常に位置している。好ましくは、第１の光ビーム３および第２の光ビーム４の光軸もしくは光路、または、第１の光路および第２の光路は、互いに対して９０°の角度を描く。入射瞳６０は、第１の集束手段１０の寸法を表す。好ましくは、入射光ビーム１は、入射瞳６０の直径よりも小さい直径を有する。
【００６５】
第１の光ビームマトリクス検出手段３０は、第１の光ビーム３を検出するように、第１の集束手段１０の焦点面１２内に位置決めされる。例えば、第１の光ビームマトリクス検出手段３０上に集束される第１の光ビーム３は光点である。第１の光ビームマトリクス検出手段３０は、例えば、この光点の位置を決定することを可能にするＣＣＤカメラである。したがって、第１の光ビームマトリクス検出手段３０上の点の位置の関数として、入射光ビーム１の角度シフトを決定することが可能である。
【００６６】
第２の光ビームマトリクス検出手段４０は、第２の光ビーム４の光軸（または光路）内に位置決めされる。第２の集束手段２０は、分離手段５０と第２の光ビームマトリクス検出手段４０との間に位置決めされる。第２の集束手段４０は、焦点距離ｆ２を有する。第２の集束手段４０は、好ましくは、焦点距離ｆ２を有する収束レンズである。第２の集束手段２０は、第２の集束光ビーム４の点または焦点面１２と第２の集束手段４０との間の距離が焦点距離ｆ２に等しくなるように、その光学中心が第２の光ビーム４の光軸と位置整合するように位置決めされる。したがって、第２の集束光ビーム４は、第２の集束手段２０に入った後にコリメートされる。その後、第２の集束手段２０から出る平行光ビーム５は、第２の光ビームマトリクス検出手段４０に向けられた第２の平行光ビーム５に対応する。第２のマトリクス光ビーム検出手段４０は、第２の平行光ビーム５を検出する。好ましくは、第２の光ビームマトリクス検出手段４０は、ＣＣＤカメラである。好ましくは、ＣＣＤカメラ４０は、平行光ビーム５に対応する光スポットを検出することができる。
【００６７】
第２のマトリクス検出器４０と第２の集束手段２０との間の距離は、焦点距離ｆ２とは異なり、例えば、数ミリメートル〜数センチメートルと異なり、結果、第２のマトリクス検出器４０は無限に、第１のマトリクス検出器３０に見えない。第２のマトリクス検出器４０は無限に、第２の集束手段２０の焦点距離に等しい距離に配置されているかのように見える。例えば、第２の集束手段２０は、１０ｍｍ〜２００ｍｍ、好ましくは１５ｍｍ〜１００ｍｍ、さらにより好ましくは２０ｍｍ〜５０ｍｍ、好ましくは３０ｍｍに等しい焦点距離ｆ２を有する。好ましくは、第２の光ビームマトリクス検出手段４０は、第２の集束手段２０から焦点距離ｆ２を除外した距離に位置決めされ、焦点距離ｆ２を中心とする除外距離は５０ｍｍ、好ましくは３０ｍｍ、より好ましくは２０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍである。
【００６８】
図３ｂは、第１の集束手段１０のレベルとしての点によって規定される光ビームの経路を示す本発明の実施形態を示す。したがって、図３ｂは、第１の集束手段１０によって本発明の光学装置１００に入射する光ビームのすべての部分を、第２の光ビームマトリクス検出手段４０によって明確に検出することができることを示している。明確な光ビームを検出する利点は、そのサイズおよび位置を非常に正確に評定することができることである。これにより、たとえば、その位置を評価し、位置シフトを推定することができる。実際、光学マトリクス検出器４０上に形成された画像が明確でない場合、輪郭はぼやけており、スポットの位置およびスポットの寸法を精密に規定することは困難である。第２の光検出器４０が第２の集束手段２０から異なる距離にあることが重要である。なぜなら、それが焦点距離ｆ２にある場合、無限遠までの入射光ビーム１に対応するスポットが観察されるためである。これは、明確なエッジを有するスポットを可能にせず、入射光ビーム１の可能な横方向シフトの適切な測定を可能にしない。図３ｂの場合、第２の光学マトリクス検出器４０は、局所測定、すなわち、例えば収束レンズなどの第１の集束手段１０上のビームの測定を可能にする。したがって、第２の光学マトリクス検出器４０は、レンズ１０上の入射光ビーム１の位置およびサイズを測定することを可能にする。例えば、第２のマトリクス検出器４０は、第２の検出器４０を第１の集束手段１０の平面内に配置することによって行われる測定に対応するスポットの画像を提供する。
【００６９】
図３ａおよび図３ｂに示される本発明の装置は、非常に小さい領域内で、すなわち、比較的短い第１の集束手段１０と２つの光検出器３０、４０との間の光路を用いて、２つの光学マトリクス検出器３０、４０間に大きい距離を作り出すことを可能にし、非常に高い測定正確度を提供しながら、コンパクトな光学装置を得ることが可能になる。
【００７０】
図４は、第１の態様による光ビームシフトを検出するための光学装置１００を備える、本発明の第２の態様による光学システムの実施形態を示す。
【００７１】
例えば、光学システムからの光ビームは、それ自体を上記光学システムのミラーの後ろに位置決めすることによって収集される。次いで、この光ビームは、光ビームドリフト検出装置１００に送られ、結果、情報を中央ユニット１１０に送り返すことができる。第１の情報３１および第２の４１情報として定義することができる情報は、第１のマトリクス光ビーム検出器３０および第２のマトリクス光ビーム検出器４０上の第１の光ビーム３および第２の平行光ビーム５の位置を規定する。これらの第１の情報３１および第２の情報４１の収集により、２つの異なる平面内での光ビームの位置を知ることが可能になり、したがって、横方向ビームシフト、および、ビームの角度または方向のシフトを区別することが可能になる。中央ユニット１１０は、上記第１の情報３１および第２の情報４１を組み合わせることにより、この区別が達成されることを可能にする。光ビームのシフトが検出されると、中央ユニット１１０は、観察されたシフトを補正するための、可動ミラー１２０のアクチュエータに対するコマンドを生成する。例えば、２つの電動ミラー１２０は、第１の情報３１および第２の情報４１に従って中央ユニット１１０によって所定の位置にサーボ制御されて、光ビームが位置整合される。電動ミラーは、ミラーの上流に位置決めされて、光ビームのシフトを観察するために使用される光ビームを収集する。これにより、加工機内の光ビームが、ビームの基準位置と可能な限り位置整合されるようにするために、数回の反復を実行することができる。
【００７２】
自動光ビーム位置整合システムの中央ユニット１１０は、基準位置と測定位置との間の横方向シフトを確立するように、第１の光学マトリクス検出器３０からの第１の情報３１および第２の光学マトリクス検出器４０からの第２の情報４１からの情報を分析する。このような横方向シフトは、例えばピクセル単位で表され、測定位置誤差と呼ばれることもある。２つのマトリクス検出器３０、４０によって観察された横方向シフトを組み合わせることにより、中央ユニット１１０は信号をサーボミラー１２０に送信し、上記信号は、観察されたシフトの補正を可能にする情報を含む。中央ユニット１１０によってマトリクス検出器３０、４０によってピクセル単位で測定されたシフトと容易に比較するために、基準位置をピクセル単位で表すこともできる。したがって、可動ミラー１２０の再位置決めによって引き起こされるシフトの補正を検証するために、可動ミラー１２０によってサーボ制御されるビームは、光ビームの自動位置整合のために光学システムによって再検出される。ビームシフトが残っている場合、システムによって、光ビームシフトの補正のための新たな反復が提供される。本発明の第２の態様によるシステムが光ビームの良好な位置整合を達成するとき、システムは、ビームの位置整合が持続することを保証する。不整合が観察された場合、中央ユニット１１０は、正しい位置整合が復元されるように、信号を可動ミラー１２０に送信する。
【００７３】
本発明は、純粋に例示的であり、限定的であると考えられるべきではない特定の実施形態に関連して説明されてきた。一般に、本発明は、上記で例示および／または説明された例に限定されない。動詞「備える」、「含む」、または任意の他の変形、およびそれらの活用の使用は、言及されたもの以外の要素の存在を決して排除し得ない。要素を導入するための不定冠詞「ａ」または定冠詞「ｔｈｅ」の使用は、これらの要素が複数存在することを排除するものではない。特許請求の範囲内の参照符号はその範囲を限定するものではない。
【００７４】
要約すると、本発明は以下のように説明することもできる。
レーザ加工システムの光ビームのドリフトを検出するための光学装置であって、
−ビームスプリッタであり、
第１の光路に沿った第１の光ビーム、および
第２の光路に沿った第２の光ビーム
を得るためのビームスプリッタと、
−集束光ビームを得るために、第１の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めされた焦点モジュールであり、上記集束光ビームは、上記焦点モジュールと関連付けられている焦点面内に位置決めされた第１のマトリクス光ビーム検出手段に向けられる、焦点モジュールと、
−平行光ビームを得るために、第２の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めされた無限焦点モジュールであり、上記平行光ビームは、第２の光ビームマトリクス検出手段に向けられる、無限焦点モジュールと
を備える、光学装置。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７５】
【特許文献１】米国特許第６０１４２０６号
【図１ａ】
2021518582.tif 000003
【図１ｂ】
2021518582.tif 000004
【図２】
2021518582.tif 000005
【図３ａ】
2021518582.tif 000006
【図３ｂ】
2021518582.tif 000007
【図４】
2021518582.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和2年11月19日(2020.11.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工システムの光ビームのドリフトを検出するための光学装置（１００）であって、
前記光ビームから、
第１の光路に沿った第１の光ビーム（３）、および
第２の光路に沿った第２の光ビーム（４）
を得るためのビームスプリッタ（５０）と、
前記第１の光ビーム（３）から集束光ビームを得るための、前記第１の光ビーム（３）の第１の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めされた焦点モジュール（３００）であり、前記集束光ビームは、前記焦点モジュール（３００）と関連付けられている焦点面（１２）内に位置決めされた第１の光ビームマトリクス検出手段（３０）に向けられる、焦点モジュール（３００）と、
前記第２の光ビーム（４）から平行光ビーム（５）を得るための、前記第２の光ビーム（４）の第２の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めされた無限焦点モジュール（４００）であり、前記平行光ビーム（５）は、第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）に向けられる、無限焦点モジュール（４００）と
を備える、光学装置（１００）。
【請求項２】
前記焦点モジュール（３００）は、前記焦点面（１２）内で前記光ビームから集束光ビーム（２）を得るための焦点距離ｆ１を有する第１の集束手段（１０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の光学装置（１００）。
【請求項３】
レーザ加工システムの前記光ビームは、実質的にコリメートされた光ビームであることを特徴とする、請求項２に記載の光学装置（１００）。
【請求項４】
前記焦点面（１２）は、焦点面（１２）内で前記集束光ビーム（２）を検出するように、前記第１の集束手段（１０）の前記焦点距離ｆ１に等しい距離に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の光学装置（１００）。
【請求項５】
前記焦点モジュール（３００）は、前記第１の光ビーム（３）の第１の光路に沿って位置決めされること、前記無限焦点モジュール（４００）は前記第２の光ビーム（４）の第２の光路に沿って位置決めされること、および、前記無限焦点モジュール（４００）は、
焦点距離ｆ２を有する第２の集束手段（２０）、
焦点距離ｆ３を有する第３の集束手段（７０）
を備え、
前記第２の集束手段（２０）および前記第３の集束手段（３０）は、前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）上で前記第２の光ビーム（４）から平行光ビーム（５）を得るように、前記第２の集束手段（２０）と前記第３の集束手段（７０）との間の光学距離がｆ２＋ｆ３に等しくなるように位置決めされていることを特徴とする、請求項１に記載の光学装置（１００）。
【請求項６】
前記ビームスプリッタ（５０）は、前記第１の集束手段（１０）から１５０ｍｍ〜３５０ｍｍの距離、好ましくは２００ｍｍ〜３２５ｍｍの距離、さらにより好ましくは２５０ｍｍ〜３２０ｍｍの距離、例えば３００ｍｍの距離に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項７】
前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）は、前記第２の集束手段（２０）の第２の焦点距離ｆ２とは異なる距離に位置決めされることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項８】
前記焦点距離ｆ１は１００ｍｍ〜１０００ｍｍ、好ましくは２００ｍｍ〜８００ｍｍ、さらにより好ましくは３００ｍｍ〜６００ｍｍであり、例えば焦点距離ｆ１は４００ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項９】
前記焦点距離ｆ２は１０ｍｍ〜１００ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ〜８０ｍｍ、さらにより好ましくは２５ｍｍ〜５０ｍｍであり、例えば前記焦点距離ｆ２は３０ｍｍであることを特徴とする、請求項５に記載の装置（１００）。
【請求項１０】
前記焦点距離ｆ１は１００ｍｍ〜１０００ｍｍ、好ましくは２００ｍｍ〜８００ｍｍ、さらにより好ましくは３００ｍｍ〜６００ｍｍであり、例えば前記焦点距離ｆ１は４００ｍｍであることを特徴とする、請求項２に記載の装置（１００）。
【請求項１１】
前記第１の集束手段（１０）の焦点距離ｆ１および前記第２の集束手段（２０）の焦点距離ｆ２は、１＜ｆ１／ｆ２＜２０、好ましくは、７＜ｆ１／ｆ２＜１６、さらにより好ましくは、９＜ｆ１／ｆ２＜１４、たとえばｆ１／ｆ２＝４０／３となるように、比ｆ１／ｆ２を規定することを特徴とする、請求項７に記載の装置（１００）。
【請求項１２】
前記第２の集束手段（２０）の焦点距離ｆ２および前記第３の集束手段（７０）の焦点距離ｆ３は、１＜ｆ２／ｆ３＜２０、好ましくは、７＜ｆ２／ｆ３＜１６、さらにより好ましくは、９＜ｆ２／ｆ３＜１４、たとえばｆ２／ｆ３＝４０／３となるように、比ｆ２／ｆ３を規定することを特徴とする、請求項５に記載の装置（１００）。
【請求項１３】
前記第１のマトリクス光ビーム検出手段（３０）は、前記ビームスプリッタ（５０）から５０ｍｍ〜５００ｍｍ、好ましくは６５ｍｍ〜４００ｍｍ、さらにより好ましくは７５ｍｍ〜２５０ｍｍ、例えば１００ｍｍの距離に位置決めされることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項１４】
前記第１の光ビームマトリクス検出手段（４０）上の前記第１の分離された集束光ビーム（３）は、本質的に前記光ビームの角度シフトの測定を可能にする点であることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項１５】
レーザ加工システムの光ビームの自動位置整合のための光学システムであって、
前記光ビームの一部を収集するための第２の光ビームスプリッタであり、前記光ビームの収集される部分は以下の光学装置（１００）に向けられる、第２の光ビームスプリッタと、
前記収集されたビーム部分からの前記光ビームのドリフトを検出することが可能である、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の光学装置（１００）と、
前記第１のマトリクス光ビーム検出器（３０）からの第１の情報（３１）および前記第２のマトリクス光ビーム検出器（４０）からの第２の情報（４１）を受信する中央ユニット（１１０）であり、前記第１の情報（３１）および前記第２の情報（４１）は、前記第１のマトリクス光ビーム検出器（３０）および前記第２のマトリクス光ビーム検出器（４０）上の前記第１の光ビーム（３）および前記第２の平行光ビーム（５）の位置を規定する、中央ユニット（１１０）と、
レーザ加工システムの前記光ビームを位置整合するために、前記第１の情報（３１）および前記第２の情報（４１）に従って前記中央ユニット（１１０）によって位置がサーボ制御される２つの電動ミラー（１２０）と
を備える、光学システム。
【請求項１６】
レーザ加工システムの光ビーム（１）のドリフトを検出するために光学素子を位置決めするための方法であって、
ａ．以下の光学素子、すなわち、
前記光ビームから、
第１の光路に沿った第１の光ビーム（３）、および
第２の光路に沿った第２の光ビーム（４）
を得るためのビームスプリッタ（５０）、
焦点モジュール（３００）、
無限焦点モジュール（４００）、
第１の光ビームマトリクス検出手段（３０）、
第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）
を提供するステップと、
ｂ．前記第１の光ビーム（３）から集束光ビームを得るために、前記焦点モジュール（３００）を、前記第１の光ビーム（３）の第１の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めするステップであり、前記集束光ビームは、前記焦点モジュール（３００）と関連付けられている焦点面（１２）内に位置決めされた前記第１の光ビームマトリクス検出手段（３０）に向けられる、前記焦点モジュール（３００）を位置決めするステップと、
ｃ．前記第２の光ビーム（４）から平行光ビーム（５）を得るために、前記無限焦点モジュール（４００）を、前記第２の光ビーム（４）の第２の光路に少なくとも部分的に沿って位置決めするステップであり、前記平行光ビーム（５）は、第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）に向けられる、前記無限焦点モジュール（４００）を位置決めするステップと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記焦点モジュール（３００）は、前記焦点面（１２）内で前記光ビームから集束光ビーム（２）を得るための焦点距離ｆ１を有する第１の集束手段（１０）を備えることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記無限焦点モジュールは、前記第１の集束手段（１０）および第２の集束手段（２０）を備えること、および、前記方法は、以下の追加のステップ、すなわち、
ｄ．前記第１の集束手段（１０）および前記第２の集束手段（２０）を、前記第２の光ビーム（４）から前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）に向かう第２の平行光ビーム（５）を得るために、ｆ１＋ｆ２に等しい光学距離だけ分離されるように位置決めするステップを含むことを特徴とする、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記無限焦点モジュールは、
焦点距離ｆ２を有する第２の集束手段（２０）、
焦点距離ｆ３を有する第３の集束手段（７０）
を備えること、
および、前記方法は、以下の追加のステップ、すなわち、
ｄ．前記第２の光ビーム（４）から、前記第２の光ビームマトリクス検出手段（４０）上の平行光ビーム（５）を得るように、前記第２の集束手段（２０）および前記第３の集束手段（７０）を、該集束手段を分離するｆ２＋ｆ３に等しい光学距離に位置決めするステップを含むことを特徴とする、請求項１６または１７に記載の方法。
【国際調査報告】
2021518582.tif 000009
2021518582.tif 000010
2021518582.tif 000011