(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ材料加工中にレーザ加工ヘッド（１０）におけるビームガイド光学系を監視するための方法であって、
加工レーザビーム（１２）が透過する複数の光学素子（１６、１８、２６）の汚損の程度と相関する前記ビームガイド光学系の複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の物理的パラメータが、レーザ材料加工中に測定され、
焦点位置が、焦点位置制御のために検出され、
前記ビームガイド光学系の複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の前記物理的パラメータの各測定値が、関連付けられた臨界値に依然として達していない限り、前記検出された焦点位置が補償され、
前記ビームガイド光学系の複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の前記物理的パラメータの少なくとも１の測定値が、前記関連付けられた臨界値に達したとき、誤り信号が出力され、
複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の前記物理的パラメータが、複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の温度であり、
複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の内の少なくとも２つの前記光学素子（１６、１８、２６）の温度が測定されること、および、他の光学素子の温度上昇よりも著しく高い温度上昇による一の光学素子の汚損を検出するために、複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の内の少なくとも２つの前記光学素子（１６、１８、２６）の測定された温度値が互いに比較されること、
を特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記加工レーザビーム（１２）の出力が測定され、そこから決定された出力プロファイルが、汚損を検出するために、複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の各温度プロファイルと比較されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法であって、焦点領域における前記加工レーザビーム（１２）の少なくとも１つのビーム直径を測定するために、および、前記少なくとも１つのビーム直径から前記焦点位置を決定するために、焦点（２０）に向かって収束する前記加工レーザビーム（１２）中に配置された複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の内の前記ビームガイド光学系の最後の光学素子（２６）からの後方反射（３０）が、前記加工レーザビーム（１２）の経路の外に結合されること、
を特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記焦点領域におけるビーム火線（６２）が、少なくとも２つの測定されたビーム直径から決定され、決定されたビーム火線（６２）から前記焦点位置が決定されること、
を特徴とする方法。
【請求項５】
レーザ材料加工中にレーザ加工ヘッド（１０）におけるビームガイド光学系を監視するためのデバイスであって、
前記レーザ材料加工中に前記ビームガイド光学系の加工レーザビーム（１２）が透過する複数の光学素子（１６、１８、２６）の物理的パラメータを測定するための複数のセンサ（４１、４２、４３）であって、前記物理的パラメータが、各前記光学素子の汚損の程度と相関する複数のセンサと、
現在の焦点位置を検出するために焦点領域における前記加工レーザビーム（１２）を測定するための他のセンサ（３６）と、
前記他のセンサ（３６）の出力信号の供給を受けることが可能な評価回路（４８）であって、焦点位置制御のために前記他のセンサ（３６）の出力信号から現在の焦点位置を決定し、前記ビームガイド光学系の複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の内の少なくとも１つの前記光学素子（１６、１８、２６）を移動させるように構成されたアクチュエータのための制御信号を出力するように構成された評価回路と、
前記ビームガイド光学系の複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の前記物理的パラメータの各測定値を関連付けられた臨界値と比較するように、および、前記ビームガイド光学系の複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の前記物理的パラメータの少なくとも１つの測定値が前記関連付けられた臨界値に達したときに誤り信号を出力するように構成された監視回路（５０）とを備え、
複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の前記物理的パラメータを測定するための複数の前記センサが、複数の温度センサ（４１、４２、４３）であり、
前記監視回路（５０）が、他の光学素子の温度上昇よりも著しく高い温度上昇による一の光学素子（１６、１８、２６）の汚損を検出するために、複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の内の少なくとも２つの前記光学素子（１６、１８、２６）の測定された温度値を互いに比較するように構成されること、
を特徴とするデバイス。
【請求項６】
請求項５に記載のデバイスであって、サーモセンサ、熱電対、または放射温度計もしくは熱電対列などの非接触温度センサが、前記複数の温度センサ（４１、４２、４３）として設けられること、
を特徴とするデバイス。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のデバイスであって、
前記加工レーザビーム（１２）の出力を測定するために、出力センサ（６４）が設けられること、および前記監視回路（５０）が、汚損を検出するために、測定された出力から決定された出力プロファイルを前記複数の光学素子（１６、１８、２６）の各温度プロファイルと比較するようにさらに構成されること、
を特徴とするデバイス。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか１項に記載のデバイスであって、前記加工レーザビーム（１２）を測定するための前記他のセンサ（３６）が、空間分解センサ（３６）であること、
を特徴とするデバイス。
【請求項９】
請求項８に記載のデバイスであって、焦点（２０）に向かって収束する前記加工レーザビーム（１２）の中に配置された複数の前記光学素子（１６、１８、２６）の内の前記ビームガイド光学系の最後の光学素子（２６）からの後方反射が前記加工レーザビーム（１２）の経路の外に結合され、前記空間分解センサ（３６）に向けられるように、前記最後の光学素子（２６）が、前記加工レーザビーム（１２）の経路の光軸（２８）に対して傾斜されること、
を特徴とするデバイス。
【請求項１０】
請求項９に記載のデバイスであって、前記加工レーザビーム（１２）の経路の外に結合された１つ以上の後方反射を偏向させ、広げるために、平行平面板が、前記ビームガイド光学系の最後の光学素子（２６）と前記空間分解センサ（３６）との間の偏向素子（６０）として設けられ、前記平行平面板が、前記１つ以上の後方反射を複数の後方反射に分割し、それらを前記空間分解センサ（３６）に向けること、
を特徴とするデバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載のデバイスであって、前記評価回路（４８）が、前記空間分解センサ（３６）の出力信号から前記焦点領域における少なくとも２つのビーム直径を決定し、決定された前記焦点領域における前記ビーム直径からビーム火線（６２）を決定し、決定されたビーム火線（６２）から焦点位置を決定するように構成されること、
を特徴とするデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工ヘッドにおけるビームガイド光学系を監視するための、およびレーザ材料加工における焦点位置を制御するための方法およびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ材料加工における１つの問題は、いわゆる「熱レンズ」である。熱レンズは特に数キロワットの範囲においてレーザ出力によって発生したレーザビームガイドおよび集束のための光学素子の加熱、および光学ガラスの屈折率の温度依存性から生じる。熱レンズは、レーザ材料加工中にビーム伝搬方向に沿って焦点シフトをもたらす。
【０００３】
主として、レーザ材料加工プロセス中には光学素子の加熱をもたらす２つの仕組みがある。１つの原因はレーザ出力の増加であり、もう１つの原因は、光学素子の汚損である。さらに、光学素子が機械的変形を受けることが可能であり、それにより、屈折度の変化がもたらされる。例えば、機械的変形が光学素子のソケットの熱膨張によって引き起こされる場合がある。高品質レーザ加工を確実にするために、それぞれの焦点位置を検出すること、および焦点位置シフトを補償すること、すなわち、迅速で正確な焦点位置制御をもたらすことが必要である。
【０００４】
特許文献１では、レーザビームのビーム軸に垂直の平面に対して傾斜角で配置された少なくとも１つの透過光学素子と、透過光学素子に反射されたレーザ放射を検出するための空間分解検出器とを備える、レーザビームをワークピース上に集束させるためのデバイスを説明している。検出器、例えば、ＣＣＤチップによって取り込まれた画像から、画像評価デバイスが、検出器上の後方反射レーザ放射の大きさまたは直径を決定し、次いで、そこから、焦点位置を焦点位置制御のために決定することができる。
【０００５】
特許文献２は、光学装置における熱レンズの少なくとも部分的な補償の方法に関する。光学装置は、熱レンズが形成される１つ以上の光学素子を含む。レーザビームのビーム経路において、少なくとも１つの光学補償素子を有する光学補償装置が配置され、光学補償素子は、レーザ放射の通過領域において、光学素子のうちの少なくとも１つに対して温度につれて屈折率の逆変化を示す。補償素子の直径は、通過領域におけるその熱時定数が少なくとも１つの光学素子の熱時定数にできる限り近くなるように選択される。熱レンズが形成されたとき、方法およびそこから得られる光学装置により、単純に過渡効果を少なくとも近似的に補償することも可能になる。汚損に起因する熱レンズは補償することができない。
【０００６】
特許文献３では、レーザ材料加工のために高出力レーザ放射のための光学系における焦点位置を安定化させるためのデバイスおよび方法を説明しており、焦点は、レーザビーム誘起の焦点位置変化が発生したとき、可動光学素子および制御装置を用いて反対方向に移動され、したがって、焦点は、全体として所望の位置を保持する。補正に必要な情報は、レーザビームの現在の出力を介して計算することができる。その出力を測定するために、レーザビームのほんの小さな一定の一部が光学センサ上に偏向される平行平面板を、光軸に対してある角度をなして光学系の光学経路に配置することができる。この場合も、汚損に起因する熱レンズの補償は可能でない。
【０００７】
特許文献４は、焦点位置の熱シフトを補正するためのデバイスに関する。デバイスには、レーザビームの現在の焦点位置を決定するためのセンサと、現在の焦点位置をメモリに記憶された所望の焦点位置と比較するための、および現在の焦点位置と所望の焦点位置との比較から補正データを導き出すための計算ユニットと、補正データにより焦点位置を変更するための少なくとも１つの可変光学素子を含む補正ユニットとが設けられる。ここで、センサは、被加工材料の上流のビーム方向の最後の光学素子のうちの１つの表面のうちの１つによって反射されたレーザ放射の後方反射の焦点の場所に配置される。
【０００８】
現況技術では、焦点位置補償のための焦点位置監視を高度の汚損のためにも実施することができるが、汚損が検出されないので、汚損された光学系が完全に破壊されるおそれがある。
【０００９】
特許文献５は、レーザ加工ヘッドにおいて、レーザビームが通過するレーザ加工ヘッドにおけるレンズ装置のビーム出力側に配置された保護ガラスの汚損の程度を測定するための方法に関する。このために、第１の放射検出器装置が、そこから得られる散乱放射線の強度を測定するために、レーザビームの外側に配置され、レーザビームによって透過された保護ガラスの表面を観察し、散乱放射線は、保護ガラスに付着した粒子におけるレーザビームの散乱によって引き起こされる。第２の放射検出器装置が、レーザ出力を検出するためにレーザビームから偏向された部分的ビームの強度を測定する。散乱放射線対レーザ出力の比率から、保護ガラスの観察表面の汚損の程度を導き出すことができる。焦点位置補償はここでは提供されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１１００７１７６（Ａ１）
【特許文献２】独国特許第１０２０１３０２１１５１（Ｂ３）
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２００７０３９８７８（Ａ１）
【特許文献４】独国特許第１０２０１１０５４９４１（Ｂ３）
【特許文献５】独国特許第１０１１３５１８（Ｂ４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記に基づき、本発明の目的は、光学系の耐用年数を最大化しながらレーザ材料加工における焦点位置の実時間制御が可能になる方法およびデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、請求項１に記載の方法および請求項９に記載のデバイスによって実現される。本発明の有利な実施形態およびさらなる進展は、それぞれの従属請求項において説明する。
【００１３】
本発明によれば、レーザ加工ヘッドにおけるビームガイド光学系を監視するために、光学素子の汚損の程度に相関するビームガイド光学系の少なくとも１つの光学素子の物理的パラメータが、レーザ材料加工中に測定され、焦点位置が、焦点位置制御のために取得される。次いで、測定された焦点位置変化が、ビームガイド光学系の光学素子の物理的パラメータの測定値が、関連付けられた臨界値に依然として達していない限り、補償される。しかし、ビームガイド光学系の少なくとも１つの光学素子の物理的パラメータの測定値が、関連付けられた臨界値に達したとき、誤り信号が出力される。このようにして、以下において焦点シフトとも称される焦点位置シフトと、光学素子の汚損の程度との同時検出が可能となり、それにより、一方では、焦点位置の補正による高品質加工が確実になり、他方では、汚損による過度の加熱によるビームガイド光学系への損傷が防止される。
【００１４】
本発明の一実施形態において、ビームガイド光学系の１つ以上の光学素子の被測定物理的パラメータは、その温度であることが意図されている。
【００１５】
本発明の有利な実施形態において、ビームガイド光学系の少なくとも２つの光学素子の温度が測定されるものとし、ビームガイド光学系の個々の光学素子の測定された温度値は、他方の光学素子の温度上昇と比較して顕著である温度上昇を介して光学素子の汚損を検出するために、さらに互いに比較されるものとする。
【００１６】
レーザ出力の大幅な増加およびビームガイド光学系の高度な汚損の両方が結果として焦点位置シフトとなるので、汚損関連焦点シフトを検出するために加工レーザビームの出力が測定され、そこから決定された出力プロファイルが少なくとも１つの光学素子の温度プロファイルと比較されたとき、保守の目的でレーザ加工を任意選択で中断することは有利である。
【００１７】
本発明のさらなる実施形態によれば、少なくとも１つの光学素子の物理的パラメータは、そこから発する散乱光であるものとする。散乱光測定は、単独でまたは温度測定と組み合わせて使用されることが意図される場合がある。２つのパラメータの検出を組み合わせることによって、汚損検出の信頼性を改善することができる。
【００１８】
有利には、汚損を検出するために、加工レーザビームの出力も測定され、出力測定値が少なくとも１つの光学素子の散乱光測定値と比較される。
【００１９】
本発明の別の有利な実施形態において、焦点位置を検出するために、焦点に収束する加工レーザビーム中に配置された光学素子からの後方反射が、焦点の領域における少なくとも１つのビーム直径を測定するために、および少なくとも１つのビーム直径から焦点位置を決定するために、加工レーザビーム経路の外に結合されるものとする。
【００２０】
決定されたビーム火線から焦点位置を決定するために、焦点領域におけるビーム火線が、少なくとも２つの測定されたビーム直径から決定されるとき有利である。これにより、レーザ加工プロセス中に実時間で焦点位置の正確な決定を確実にするために、直接実時間またはインラインビーム火線の測定が可能になる。
【００２１】
さらに、本発明によれば、レーザ材料加工中にレーザ加工ヘッドにおけるビームガイド光学系を監視するためのデバイスが設けられ、前記デバイスは、レーザ材料加工中にビームガイド光学系の少なくとも１つの光学素子の物理的パラメータを測定するための少なくとも１つのセンサであって、前記パラメータが、光学素子の汚損の程度と相関する、センサと、現在の焦点位置を検出するために焦点の領域におけるビーム直径を測定するための空間分解センサとを備える。空間分解センサの出力信号が供給され得る評価回路は、空間分解センサの出力信号から現在の焦点位置を決定し、アクチュエータのための作動信号を出力し、次いでアクチュエータは、焦点位置制御のためにビームガイド光学系の少なくとも１つの光学素子を移動させる。監視回路が、ビームガイド光学系の光学素子のパラメータの測定値を、関連付けられた臨界値と比較し、ビームガイド光学系の光学素子の測定されたパラメータの値が関連付けられた臨界値に達したとき誤り信号を出力する。したがって、汚損に起因する過度の加熱によるビームガイド光学系への損傷を防止することができる。
【００２２】
有利には、少なくとも１つの光学素子の物理値は、その温度である。したがって、ビームガイド光学系の個々の光学素子の温度を測定するための温度センサは、サーモスセンサ、熱電対、または放射温度計もしくは熱電対列などの非接触温度センサとして構成することができるセンサとして設けられる。
【００２３】
熱レンズの異なる原因の確実な区別のために、温度監視回路は、他の光学素子の温度上昇に対して顕著である温度上昇を介して光学素子の汚損を検出するために、ビームガイド光学系の少なくとも２つの光学素子の測定された温度値を互いに比較するようにさらに構成されるものとする。
【００２４】
本発明の別の実施形態において、出力センサが、加工レーザビームの出力を測定するために設けられ、温度監視回路は、汚損を検出するために、およびそれにより作動された熱レンズとレーザ出力の増加による熱レンズを区別するために、測定された出力から決定された出力プロファイルを少なくとも１つの光学素子の温度プロファイルと比較するようにさらに構成される。出力測定により、温度プロファイルの再確認だけでなく、焦点位置の再確認も可能になる。すべての光学系が「クリーン」である場合、焦点位置の所望の値は、レーザ出力の関数として決定することができる。所定のレーザ出力において、所望の温度値からの、および所望の焦点位置からのずれにより、汚損問題が示唆される。
【００２５】
本発明によるデバイスの別の実施形態において、少なくとも１つの光学素子の物理的パラメータを測定するための少なくとも１つのセンサは、散乱光センサであることが意図されている。加工レーザビームの出力を測定するための出力センサを同時に設けたとき、それに応じて適合された監視回路（５０）が、汚損を確実に検出するために、出力測定値を少なくとも１つの光学素子の散乱光測定値と比較することができる。
【００２６】
有利には、加工レーザビームを測定するためのセンサは、空間分解センサである。
【００２７】
本発明の有利な実施形態は、光学素子からの後方反射が加工レーザビーム経路の外に結合され、空間分解センサに向けられるように、焦点に向かって収束する加工レーザビーム中に配置された光学素子、特にビームガイド光学系の最後の光学素子が、加工レーザビーム経路の光軸に対して傾斜され、特に、外に結合された後方反射を偏向させ、広げるために、平行平面板が、ビームガイド光学系の最後の光学素子と空間分解センサとの間の偏向素子として設けられ、前記平行平面板は、１つ以上の後方反射を複数の後方反射に分割し、それらを空間分解センサに向けることを特徴とする。その結果、焦点位置補正に使用可能なビーム測定を構造的にコンパクトに実現することができる。
【００２８】
有利には、評価回路は、決定されたビーム火線から焦点位置を決定するために、空間分解センサの出力信号から、焦点の領域における少なくとも２つのビーム直径を決定するように、および決定されたビーム直径から焦点領域におけるビーム火線を決定するようにさらに構成されるものとする。
【００２９】
本発明は、以下に、図面を参照してより詳細に例示的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による、レーザ材料加工中にビームガイド光学系を監視するための、および焦点位置を制御するためのデバイスを備えるレーザ加工ヘッドの概略的な簡易図を示す。
【図２】温度監視および焦点位置制御のためのセンサを備えるレーザ加工ヘッドのビームガイド光学系の簡易図を示す。
【図３】本発明の別の実施形態による、焦点位置センサを備える、図２によるビームガイド光学系の概略図を示す。
【図４】レーザ焦点の領域におけるレーザビーム火線のプロファイルを示す。
【図５】追加の出力センサを有する、図３によるビームガイド光学系および焦点位置センサの図を示す。
【図６】本発明の別の実施形態による、焦点位置センサを備えるレーザ加工ヘッドにおけるビームガイド光学系の簡易化された概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図面の様々な図において、対応する要素は、同じ参照符号を用いて示す。
【００３２】
図１は、加工レーザビーム１２が誘導されるレーザ加工ヘッド１０を概略的に示す。例えば、加工レーザ光は、光ファイバ１４を介してレーザ加工ヘッド１０に供給される。光ファイバ１４から出てくる加工レーザビーム１２は、第１の光学系１６によってコリメートされ、集束光学系１８によってワークピース２２上のレーザ焦点２０に集束される。通常、レーザ加工ヘッドの内部、特に集束光学系１８を、例えば、跳ね返りまたは燻しによって引き起こされる汚損から保護することが意図された保護ガラス２６が、集束光学系１８とビームノズル２４との間に配置され、保護ガラス２６を通して、収束加工レーザビーム１２がワークピース２２上に集束される。
【００３３】
第１の光学系１６および集束光学系１８は、個々のレンズとして示すが、周知のやり方におけるレンズ群であってもよい。具体的には、第１の光学系１６は、加工レーザビーム１２をコリメートするズームシステムの可動レンズによって形成されてもよい。
【００３４】
焦点位置制御のために加工レーザビーム経路の外に後方反射３０を結合するために、保護ガラス２６は、光軸２８と保護ガラスの屈折面３２および反射面３４との間の角度が９０°と異なるように、ビームガイド光学系の光軸２８に対して傾斜される。図１に概略的に示すように、後方反射３０は、空間分解センサ３６上に向けられる。空間分解センサ３６として、ビーム測定のためにセンサ上に入射するレーザビーム、すなわち、レーザ後方反射の直径を決定することができる任意のセンサを使用することができる。例えば、いわゆる刃先法により動作するセンサを使用することも可能であり、センサ上に入射する光ビームは、最先端試験の場合のように次第に覆われる。しかし、好都合には、カメラが空間分解センサ３６として使用され、例えば、そのセンサ表面は、ＣＣＤセンサによって形成される。
【００３５】
レーザ材料加工中にビームガイド光学系の光学素子１６、１８、２６のうちの少なくとも１つの物理的パラメータであって、温度、または素子によって放射された散乱光などの、少なくとも１つの光学素子の汚損の程度と相関する前記パラメータを測定するために、光学素子１６、１８、２６のそれぞれは、対応するセンサに関連付けられる。
【００３６】
例えば、熱レンズおよび汚損の検出のために光ファイバ１４の繊維端１４’およびビームガイド光学系の個々の光学素子の温度、すなわち、第１の光学系１６、集束光学系１８、および保護ガラス２６の温度を検出するために、これらの素子のそれぞれは、温度センサ４０、４１、４２および４３に関連付けられる。温度センサ４０、４１、４２、４３として、それぞれの光学素子の端部またはソケット（図示せず）と係合したサーモセンサまたは熱電対を使用することができる。しかし、放射温度計または熱電対列などの非接触測定温度センサを使用することも可能である。さらに、温度センサと同等の情報を提供する散乱光センサを使用することができる。散乱光センサの信号が高ければ高いほど、出力または汚損の程度も高い。温度と散乱光の測定の組合せは理想的である。
【００３７】
焦点位置を調整するために、および焦点位置補正のために、ビームガイド光学系の撮像光学素子のうちの少なくとも１つ、すなわち、図示する例において、第１の光学系１６および／または集束光学系１８は、その光軸の方向に、それらが適切なアクチュエータ４６によって移動することができるように、可動に配置される。図２、３および５に両方向の矢印４４で示すように、好ましくは、第１の光学系１６は、焦点位置補正を実施するためにアクチュエータ４６によって移動される。
【００３８】
検出された焦点位置シフトに基づいて焦点位置補正を制御するために、空間分解センサ３６の出力信号が、評価回路４８に供給され、評価回路４８は、空間分解センサ３６の出力信号から現在の焦点位置を決定し、アクチュエータ４６の制御信号を出力し、したがって、例示した例において、第１の光学系１６がそれに応じて移動される。
【００３９】
ビームガイド光学系を監視するための個々の温度センサ４１、４２、４３によって測定された温度値を使用することができるために、前記値は、温度監視回路５０に供給され、温度監視回路５０は、ビームガイド光学系の個々の光学素子の測定された温度値を互いに、および関連付けられた臨界温度値とも比較し、ビームガイド光学系の光学素子の温度値が顕著な温度の上昇を示し、または関連付けられた臨界温度値に達したとき、警告または誤り信号を、例えば、出力５２を介して出力する。誤り信号は、以下により詳細に説明するように、次いで必要となる保守のために、レーザ材料加工を中断させるのに使用することができる。出力５２からの誤り信号は、別の焦点位置制御を停止させるために評価回路の入力５４を介して供給することもできる。散乱光などの、汚損に相関する他の物理的パラメータを、本発明を好ましい実施形態において例示するためにここにおよび以下に説明する温度として対応するやり方で使用することができる。
【００４０】
図２において特によく分かるように、ビーム測定の目的で、レーザ後方反射３０．１が、レーザプロセスの前に、保護ガラス２６の最後の透明光学面３４から、すなわち、相互作用域に対向する表面３４から空間分解センサ３６に向けられる。
【００４１】
ここで、空間分解センサ３６は、後方反射３０．１の焦点２０’がセンサ表面上にあるように、加工レーザビーム１２の光軸の外側に位置決めされる。
【００４２】
集束光学系１８に面する保護ガラス２６の表面３２からの第２の後方反射３０．２が、同様に空間分解センサ３６に向けられるが、しかし、第２の後方反射３０．２の焦点２０”は、図２に破線で示すセンサ表面の背後にある。空間分解センサ３６のセンサ表面上の両方の後方反射３０の入射の区域をさらに互いに分離するために、より大きな厚さを有する保護ガラスなどの平面光学素子を使用することができる。
【００４３】
したがって、焦点位置制御が、空間分解センサ３６、すなわち、例えば、カメラを使用して、いわゆる焦点シフト、すなわち、加工レーザビーム経路の光軸２８に沿った焦点のシフトを補償するために、レーザ材料加工中に使用され、カメラの出力信号、すなわち、カメラの画像データは、焦点の領域における後方反射のビーム直径を決定するために、およびそこからの焦点位置補正のためにアクチュエータ４６の制御信号を得るために、評価回路によって使用される。
【００４４】
同時に、ビームガイド光学系の個々の光学素子の温度値が、レーザ材料加工中に温度センサ４１、４２、４３を用いて決定され、したがって、測定された温度値は、決定された焦点位置と比較することができる。レーザ出力がレーザ材料加工中に増加したとき、すべての温度センサ４１、４２、４３は、関連付けられた光学素子、すなわち、第１の光学系１６、集束レンズ１８、および保護ガラス２６の温度の上昇を測定する。これらの温度値の互いの比較、および／または、発生中のレーザの出力変化により予測されるそれぞれの光学素子を特徴付ける温度値との比較により、個々の光学素子の温度の上昇がレーザ出力の増加によるだけなのか、または汚損にもよるのかを判定することができる。したがって、空間分解センサ３６（例えば、カメラ）および評価回路４８を用いて決定された焦点シフトは、汚損が何もないかまたはほとんどない限り、第１の光学系１６（または別の光学系）の対応するシフトによって補償される。
【００４５】
保護ガラス２６などの光学素子の汚損がある場合、顕著な温度上昇が、温度センサ４３によって保護ガラス２６に対して測定される。他の温度値および／または発生中のレーザ出力の増加に対して保護ガラス２６に関連付けられた特徴的な温度値との比較により、保護ガラス２６の温度上昇が、加工レーザビーム１２における出力の増加によるだけではなく、汚損によっても引き起こされることを認めることができる。次いで、温度監視回路５０は、後で適切な時間に保守活動を実施するために操作者または自動機械制御によって認識される警報を出すことができる。空間分解センサ３６によって測定された焦点シフトは、レーザ材料加工が中断されないので、対応する光学系、すなわち、例示した例における第１の光学系１６をシフトさせることによって補償される。
【００４６】
汚損されたとして識別された光学素子の温度が、関連付けられた臨界温度に達したとき、ビームガイド光学系における「障害」が、他の温度値との比較によって検出される。この場合、測定された焦点シフトは補償されないが、「保守が必要である」との指示などの警報が出される。同時に、レーザ加工は、汚損された光学素子の破壊を防止するためにオフにされる。
【００４７】
図３に示すように、ビームガイド光学系の最後の光学素子からの２つの後方反射３０．１、３０．２は、理想的には、レーザプロセスの前に、別の透明な光学素子、すなわち、偏向素子６０とともに保護ガラス２６によって偏向される。偏向素子６０として、平行平面板を設けることができる。しかし、空間分解センサ３６上への、すなわち、そのセンサ表面上への個々の部分的後方反射の入射の点または区域をさらに分離するために、楔板を偏向素子６０として、保護ガラス２６として、または別の偏向素子として使用することも可能である。対応する後方反射の光損失を回避するために、偏向素子６０の後面を反射するようにすることも可能である。２つの入射する後方反射３０．１および３０．２の強度がそれぞれの部分的後方反射の間で均一に配分されるように、偏向素子６０の前面にコーティングを設けることも考えられる。楔板が保護ガラス２６として使用された場合、保護ガラス２６は、必ずしも傾斜したやり方で設置されるとは限らない。
【００４８】
集束光学系１８の最後の表面から空間分解センサ３６のセンサ表面への光の光学経路が後方反射のそれぞれに対して異なるので、すなわち、焦点位置が決まる公称焦点距離よりも部分的に短くおよび部分的に長いので、このようにして発生した複数の後方反射を使用して、焦点の領域におけるビーム直径をいくつかの場所において測定することができる。図３に示すように、偏向素子６０における複数の反射を介して保護ガラス２６からの２つの後方反射３０から生じる４つの後方反射が、場所１、ｋ−２、ｋ−１、およびｋにおいて発生する。空間分解センサ３６のセンサ表面のこれらの領域における空間分解センサ３６によって決定されたビーム直径を、図４に概略的に示す。したがって、領域１およびｋ−２において、ビーム直径が焦点２０の正面の場所において検出されるが、領域ｋ−１およびｋにおいて、ビーム直径が焦点２０の背後の場所において検出されることが分かる。次いで、加工レーザビーム１２の実際の焦点位置をビーム火線６２から決定するために、公称焦点２０の領域におけるビーム伝搬方向に沿って複数のビーム直径を測定することによって、ビーム火線６２を近似的に決定することが可能である。
【００４９】
偏向素子６０から発する後方反射の数をさらに増加させるために、偏向素子６０は、複数の積層平行平面板を有することができる。ここで、積層平行平面板の個々の表面は、レーザ加工ビームの外に結合された後方反射３０．１、３０．２の強度が複数の部分的後方反射の間で均等に配分されるように、コーティングすることができる。
【００５０】
図５を参照して示すように、偏向素子６０の適切な設計を使用するとき、すなわち、透明な偏向素子６０を使用するとき、偏向素子６０を通過する２つの後方反射３０の一部分は、加工レーザビーム１２の出力を測定するためのセンサ、すなわち、出力センサ６４に供給することができる。次いで、時間プロファイルがレーザ材料加工におけるレーザ出力の増加、レーザ出力の減少、または一定のレーザ出力を示す、出力測定のために出力センサ６４によって供給される出力信号は、温度上昇がレーザ出力の増加に明確に起因すると考えるために、およびビームガイド光学系の個々の光学素子の汚損を確実に検出することができるために、ビームガイド光学系の個々の光学素子の測定された温度値を比較するとき、使用することができる。具体的には、加工レーザビーム１２の出力プロファイルと光学素子の温度プロファイルとの相関は、汚損が何もないことを示すが、加工レーザビーム１２の出力プロファイルと相関していない光学素子の温度プロファイルは、場合により深刻な汚損を示す。すべての光学系が「クリーン」である場合に、焦点位置の所望の値がレーザ出力の関数として決定することができ、次いでそれは、所定のレーザ出力における測定された実際の焦点位置と比較することができるので、出力測定は、温度プロファイルを再確認することを可能にするだけでなく、焦点位置を再確認することも可能にする。したがって、所定のレーザ出力では、所望の温度値からの、および所望の焦点位置からのずれにより、汚損問題が示唆される。
【００５１】
図６は、光ファイバ１４を介して供給される加工レーザビームをコリメートするための第１の光学系１６に加えて、集束光学系１８と、保護ガラス２６と、集束光学系１８のすぐ背後に配置され、光軸２８に対して垂直に位置合わせされた追加の保護ガラス２７とを備える、レーザ加工ヘッドのビームガイド光学系を示す。追加の保護ガラス２７は、最後の保護ガラス２６からの２つの後方反射を４つの後方反射に分割する偏向素子としての役割を果たし、次いで、それは、ミラー６６によって空間分解センサ３６上に向けられる。次いで、空間分解センサ３６のセンサ表面の大きさにより、後方反射の全部または一部だけを焦点の領域におけるビーム測定に使用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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