(57)【要約】  発明は、レーザ作業システムのための装置１００、６００に関し、装置のビーム経路に配置された少なくとも１つの光学素子１１０、６１０と、検出器素子の行列を有する１つの温度検出器アセンブリ１０５、６２０とを備え、上記温度検出器アセンブリが光学素子１１０、６１０の２次元温度分布を測定するように設計される。
2020536740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工システムのための装置（１００、６００）であって、
前記装置のビーム経路に配置された光学素子（１１０、６１０）と、
前記光学素子（１１０、６１０）の２次元温度分布を測定するように構成された検出器素子の行列を有する温度検出器アレンジメント（１１５、６２０）と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置（１００、６００）であって、前記温度検出器アレンジメント（１１５、６２０）が、少なくとも１つのサーモパイルを備えることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置（１００）であって、
前記光学素子（１１０）に熱エネルギーを供給するために前記光学素子（１１０）の上に配置された少なくとも１つの加熱装置（１２０）
をさらに備えることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置（１００）であって、前記少なくとも１つの加熱装置（１２０）が、端部領域に前記熱エネルギーを供給するために前記光学素子（１１０）の前記端部領域の上に配置されることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の装置（１００）であって、前記少なくとも１つの加熱装置が、複数の加熱素子（１２２）を含み、前記複数の加熱素子（１２２）が、いくつかのセグメントから構成される加熱リングを特に形成することを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項３または４に記載の装置（１００）であって、前記少なくとも１つの加熱装置が、単一の加熱リング（４００）を備えることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項３から６のいずれか１項に記載の装置（５００）であって、前記少なくとも１つの加熱装置（５２０）が、
台座（５２４）と、
前記台座（５２４）の上に設置された複数の熱源（５２２）と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項３から７のいずれか１項に記載の装置（５００）であって、前記熱源（５２２）を前記光学素子（５１０）に熱的に結合させるための熱結合素子（５３０）をさらに備えることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の装置（５００）であって、前記熱源（５２２）が電気抵抗器であることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項３から９のいずれか１項に記載の装置（５００）であって、前記光学素子（５１０）のためのホルダ（５４０）をさらに備え、前記ホルダ（５４０）が前記少なくとも１つの加熱装置（５２０）と前記光学素子（５１０）との間に配置され、そして前記光学素子（５１０）と前記少なくとも１つの加熱装置（５２０）との間に熱的な接触を与えるように構成されることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項３から１０のいずれか１項に記載の装置（１００）であって、前記光学素子（１１０）が所定の温度分布を有するように前記少なくとも１つの加熱装置（１２０）を制御するように構成されたコントローラ（１３０）をさらに備えることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置（１００）であって、前記コントローラ（１３０）が、熱エネルギーを供給することによって前記光学素子（１１０）の焦点を調節するように構成されることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置（１００）であって、光学軸に沿って前記光学素子（６１０）の位置を調節するように構成された駆動装置（６３０）と、前記測定した温度分布に基づいて前記光学素子（６１０）の前記位置を調節することにより前記光学素子（６１０）の焦点を調節するために前記駆動装置（６３０）を制御するためのコントローラ（６４０）とをさらに備えることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置（１００、６００）であって、前記光学素子が、レンズ、レンズシステム、集束レンズ、コリメーティングレンズ、発散レンズ、ビーム成形光学系、保護ガラスおよびビームスプリッタのうちの少なくとも１つを備えることを特徴とする装置。
【請求項１５】
レーザビームを提供するためのレーザ源と、
請求項１から１４のいずれか１項に記載の前記装置であって、前記光学素子がレーザ加工システム（９００）のビーム経路に配置される、前記装置と
を備えることを特徴とするレーザ加工システム（９００）。
【請求項１６】
レーザ加工システムの光学素子（１１０、６１０）の焦点位置を調節する方法であって、
検出器素子の行列を用いて前記光学素子（１１０、６１０）の２次元温度分布を測定するステップ
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記焦点位置を調節するために前記光学素子（１１０）の端部領域を選択的に加熱するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載の方法であって、
選択加熱するステップにより前記光学素子（１１０）に対して実質的に一様な温度分布を与えるステップ
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１６から１８のいずれか１項に記載の方法であって、前記測定した温度分布に基づいて光学軸に沿って前記光学素子（６１０）の位置を調節するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ加工システムのための装置、これを用いたレーザ加工システム、特にレーザ切断またはレーザ溶接用のレーザ加工ヘッドなどのレーザビームによる材料の加工のためのシステム、および光学素子の焦点位置を調節する方法に関する。特に、本開示は、熱レンズ効果の補償に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接またはレーザ切断などのレーザビームによる材料の加工では、レーザ光源、例えば、レーザ光ファイバの端部から出てくるレーザビームは、導光光学系および集束光学系により加工しようとするワークピース上に焦点を合わせられる。コリメータ光学系および集束光学系を有するレーザ加工ヘッドが通常使用され、レーザ光が光ファイバ、やはりレーザ源とも呼ばれる、を介して供給される。レーザにより材料を加工するための装置では、例えば、レーザ加工ヘッドでは、レーザ光は、レンズなどの様々な光学素子を通過する。
【０００３】
レーザ照射のための、レンズおよびレンズシステムなどの光学素子では、レーザエネルギーの吸収に起因する局所加熱が生じることがある。この吸収が温度勾配をもたらし、これがレンズの屈折率ｎ（Ｔ）を局所的に変化させる。レンズの異なる屈折率は、結果としてレーザ焦点のシフトにつながる。例えば、レンズ材料に応じて、負または正の焦点シフトが生じることがある。この焦点シフトが、切断プロセスにおけるように、レーザ照射の際の加工品質の低下をもたらす。
【０００４】
従来の照射では、レンズの中心部から熱を散逸させるために、レンズを冷却することがある。しかしながら、このことはまた、焦点をシフトさせる温度勾配も作り出す。特許文献１は、焦点オフセットを補償するためにレンズシステム内での異なるレンズ材料の使用を開示している。しかしながら、このような消極的な補償は、すべての応用に対して好適ではない。
【０００５】
特許文献２から、回折格子によって、レンズを介して導かれる光パターンを発生させることが、さらに知られている。この光パターンは、ＣＣＤカメラによって記録され、パターン内のシフトを登録する。これらのシフトは、光学技術を使用して焦点を正しく合わせるために使用される。
【０００６】
他の従来の手法は、温度測定値を使用する。例えば、特許文献３では、レンズ温度を、レンズの端部の熱電対を用いて測定する。言い換えると、光学素子の端部全体にわたって平均した温度上昇が検出される。
【０００７】
特許文献４は、レンズ上の温度を決定するために「単一のサーモパイル」（熱電対）およびレンズの端部にさらなる熱電対を使用する。言い換えると、温度は、表面上の点および端部上の点のところで検知される、すなわち、１次元測定である。マイクロコントローラは、測定データを評価し、そしてモータによりレンズを移動させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第８２７４７４３号明細書
【特許文献２】米国特許第５９９１００４号明細書
【特許文献３】特開２０００−０９４１７３号公報
【特許文献４】特開平１−１２２６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
レーザ加工システムのための装置、光学素子の焦点位置を調節するための方法、およびレーザ加工システム、特に、高精度で光学素子の熱的に誘起された焦点オフセットの補償を可能にするレーザ加工ヘッドまたはレーザ切断もしくはレーザ溶接のためのシステムなどの、レーザビームによって材料を加工するためのシステムを提供することが、本開示の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、独立請求項の主題により達成される。発明の有利な実施形態が、従属請求項に特定されている。
【００１１】
本開示の実施形態によれば、レーザ加工システムのための装置が提供される。上記装置は、装置のビーム経路に配置された光学素子と、光学素子の焦点位置を調節するために光学素子の２次元温度分布を測定するように構成された検出器素子の行列を有する温度検出器アレンジメントとを備える。光学素子は、レーザビームの焦点を合わせるようにおよび／またはコリメートするように構成されることがある。
【００１２】
好ましくは、温度検出器アレンジメントは、光学素子の温度の空間的に分解された測定のために構成される。
【００１３】
好ましくは、温度検出器アレンジメントが、少なくとも１つのサーモパイルを備える。
【００１４】
好ましくは、検出器素子の行列は、少なくとも２×２行列である。特に、１６個のピクセルを有する４×４行列が使用されることがある。
【００１５】
好ましくは、上記装置は、光学素子に熱エネルギーを供給するために光学素子の上に配置された少なくとも１つの加熱装置をさらに備える。
【００１６】
好ましくは、上記装置は、少なくとも１つの加熱装置を断熱するように構成された断熱部を備える。
【００１７】
好ましくは、少なくとも１つの加熱装置が、端部領域に熱エネルギーを供給するために光学素子の端部領域の上に配置される。
【００１８】
好ましくは、光学素子は、熱伝導性コーティングを有する。
【００１９】
好ましくは、少なくとも１つの加熱装置が、複数の加熱素子を含み、特に複数の加熱素子が、いくつかのセグメントから構成される加熱リングを形成する。
【００２０】
好ましくは、少なくとも１つの加熱装置が、単一の加熱リングを備える。
【００２１】
好ましくは、少なくとも１つの加熱装置が、台座と、台座の上に設置された複数の熱源とを備える。
【００２２】
好ましくは、上記装置は、熱源を光学素子に熱的に結合させるための熱結合素子をさらに備える。
【００２３】
好ましくは、熱源が電気抵抗器である。
【００２４】
好ましくは、上記装置は、光学素子のためのホルダをさらに備え、ホルダが少なくとも１つの加熱装置と光学素子との間に配置され、そして光学素子と少なくとも１つの加熱装置との間に熱的な接触を与えるように構成される。
【００２５】
好ましくは、上記装置は、光学素子が所定の温度分布を有するように少なくとも１つの加熱装置を制御するように構成されたコントローラをさらに備える。
【００２６】
好ましくは、所定の温度分布が、本質的に一様な温度分布である。
【００２７】
好ましくは、コントローラが、熱エネルギーを供給することによって光学素子の焦点を調節するように構成される。
【００２８】
好ましくは、上記装置は、光学素子の位置を調節するように構成された駆動装置を備える。
【００２９】
好ましくは、上記装置は、測定した温度分布に基づいて光学素子の位置を調節するために駆動装置を制御するためのコントローラをさらに備える。
【００３０】
好ましくは、コントローラは、光学素子の焦点を調節するため、特に光学素子の焦点を実質的に一定に維持するために駆動装置を制御する。
【００３１】
好ましくは、光学素子が、レンズ、レンズシステム、集束レンズ、コリメーティングレンズ、発散レンズ、ビーム成形レンズ、保護ガラス、ビームスプリッタ、等のうちの少なくとも１つである。
【００３２】
好ましくは、光学素子は、シリコンおよび／またはガラスからなるまたは含有する。
【００３３】
本開示のさらなる実施形態によれば、レーザ加工システムのための装置が提供される。上記装置は、装置のビーム経路に配置された光学素子と、光学素子に熱エネルギーを供給するために光学素子の上に配置された少なくとも１つの加熱装置とを備える。光学素子は、レーザビームの焦点を合わせるようにおよび／またはコリメートするように構成されることがある。
【００３４】
本開示のさらなる実施形態によれば、レーザ加工システムのための装置が提供される。上記装置は、装置のビーム経路に配置された光学素子と、光学素子の２次元温度分布を測定するように構成された検出器素子の行列を有する温度検出器アレンジメントと、光学素子の位置を調節するように構成された駆動装置とを備える。光学素子は、レーザビームの焦点を合わせるようにおよび／またはコリメートするように構成されることがある。
【００３５】
本開示のさらなる実施形態によれば、レーザビームにより材料を加工するためのシステムなどのレーザ加工システムまたは特にレーザ切断のためもしくはレーザ溶接のためのレーザ加工ヘッドが提供される。レーザ加工システムまたはレーザ加工ヘッドは、レーザビームを提供するためのレーザ源と、本明細書において説明する実施形態によるレーザ加工システムのための装置とを備え、光学素子がレーザ加工システムまたはレーザ加工ヘッドのビーム経路に配置される。レーザ加工システムまたはレーザ加工ヘッドは、レーザビームをコリメートするように構成されたコリメータ光学系と、ワークピースの上にレーザビームの焦点を合わせるように構成された集束光学系とを備えることができる。
【００３６】
他の実施形態によれば、光学素子の焦点位置を調節するための方法が提供される。上記方法は、検出器素子の行列を用いて光学素子の２次元温度分布を測定するステップを含む。
【００３７】
好ましくは、温度分布が、光学素子の表面に関して空間的に分解された方式で測定される。
【００３８】
好ましくは、上記方法は、焦点位置を調節するために光学素子を選択的に加熱するステップを含む。
【００３９】
好ましくは、光学素子の端部領域が選択的に加熱される。
【００４０】
好ましくは、上記方法は、選択的に加熱するステップにより光学素子に対して実質的に一様な温度分布を与えるステップを含む。
【００４１】
好ましくは、上記方法は、測定した温度分布に基づいて光学素子の位置を調節するステップを含む。
【００４２】
他の実施形態によれば、光学素子の焦点位置を調節するための方法が提供される。上記方法は、焦点位置を調節するために光学素子を選択的に加熱するステップを含む。
【００４３】
さらなる実施形態によれば、光学素子の焦点位置を調節するための方法が提供される。上記方法は、検出器素子の行列を用いて光学素子の２次元温度分布を測定するステップと、測定した温度分布に基づいて光学素子の位置を調節するステップとを含む。
【００４４】
開示の好ましく、任意選択の実施形態および特別な態様は、従属請求項、図面および本明細書から明らかである。
【００４５】
発明によれば、焦点レンズなどの光学素子の焦点位置が調節される。この目的で、光学素子の２次元温度分布が、測定されそして焦点位置を調節するために使用される。例えば、サーモパイル行列が、光学素子の表面上の温度分布の２次元「マップ」を作成するために使用されることがあり、このマップから温度勾配が決定されることがある。このような空間的に分解された測定は、焦点位置が高い精度で調節されることを可能にする。ある態様によれば、光学素子は、測定した温度に基づいて焦点位置を調節するために積極的に加熱される。例えば、光学素子が本質的に一様な温度分布を有するように、光学素子が加熱されることがある。もう１つの態様によれば、光学素子の位置が、焦点位置を調節するために測定した温度分布に基づいて調節される。
【００４６】
開示の例示的な実施形態が、図に示されそして下記により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本開示の実施形態によるレーザ加工システムのための装置の模式図である。
【図２】本開示の実施形態による複数の加熱素子をともなう光学素子の模式的平面図である。
【図３Ａ】本開示の実施形態による図２の光学素子の温度分布を示す図である。
【図３Ｂ】本開示の実施形態による図２の光学素子の温度分布を示す図である。
【図４】本開示の実施形態による加熱リングをともなう光学素子の模式的平面図である。
【図５】本開示のさらなる実施形態によるレーザ加工システムのための装置の模式図である。
【図６】本開示の他の実施形態によるレーザ加工システムのための装置の模式図である。
【図７】温度勾配に依存する例示的な焦点シフトを示す図である。
【図８】回帰直線をともなう温度勾配に依存する例示的な焦点シフトを示す図である。
【図９】ピクセル行列およびこれを用いて記録した温度分布を示す図である。
【図１０】１次元測定と２次元測定との間の温度決定の分解能および精度の比較を示す図である。
【図１１】本開示のさらなる実施形態によるレーザ加工システムのための装置の模式図である。
【図１２】本開示の実施形態によるレーザ加工システムの模式的説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
別な言明がない限り、同じ参照番号が本明細書の以降では同じ要素および等価な要素に対して使用される。
【００４９】
図１は、本開示の実施形態による、レーザ加工システムのための装置１００を示し、そして特に、レーザビームにより材料を加工するため、例えばレーザ切断またはレーザ溶接のためのシステムのための装置１００を示す。装置１００は、焦点オフセット（「焦点シフト」とも呼ばれる）をモニタでき、温度を調整することにより焦点オフセットを補償できる。レーザビームを吸収することによって、光学素子１１０は、レーザ通過の場所で、すなわち、一般に中心において主に暖まる。
【００５０】
焦点オフセットが、光学素子内および／または上の局所的な温度上昇により発生し、光学素子の端部に対して異なる屈折率をもたらす（Δｎ）。このことは、例えば、光学素子の材料の低い熱伝導率によって引き起こされることがある。屈折率を下記の式により表すことができる：
【数１】
2020536740.tif 000003
【００５１】
いくつかの従来のシステムにおけるケースのように、レンズの端部を介して熱を消散させることの代わりに、本開示のいくつかの実施形態によれば、熱が、例えば、光学素子の端部へと導入され、そして光学素子が熱的に調整される。その結果、光学素子の内側領域と外側領域との間の温度の平衡状態を、特に、焦点位置を調節するために設定することができる。他の実施形態では、焦点位置を調節するために、光学素子の位置を、例えば、ｚ軸に沿って調節することができる。
【００５２】
図１に示したように、装置１００は、例えば、ワークピース１０上へとレーザビーム２の焦点を合わせるように構成された少なくとも１つの光学素子１１０、および光学素子の２次元温度分布を測定するように構成された検出器素子の行列を有する温度検出器アレンジメント１１５を備える。温度検出器アレンジメント１１５を、光学素子１１０の温度分布の空間的に分解された測定のために構成することができる。温度分布は、絶対温度分布であっても相対温度分布であってもよい。絶対温度分布は、絶対温度の測定に基づく、ところが相対温度分布は、例えば、光学素子１１０の端部温度に対する温度差を示す。温度分布を、第１の表面または第１の表面とは反対の第２の表面上の温度分布などの光学素子１１０の表面上の温度分布とすることができる。
【００５３】
特に、光学素子１１０は、第１の表面、第２の表面、および少なくとも１つの側面を有することができる。第２の表面はワークピース１０に面してもよいおよび／または第１の表面を第２の表面の反対に配置してもよい。少なくとも１つの側面は、第１の表面および第２の表面の端部同士を接続することができる。少なくとも１つの側面は、円柱形状であってもよい。
【００５４】
温度検出器アレンジメントは、典型的には、サーモパイルまたはサーモパイルアレイ（サーモパイルアレイ）を備える。温度検出器アレンジメントを、光学素子の温度をモニタするために使用することができる。サーモパイルアレイを用いて、標準の温度測定では認識できない光学素子の点における個別の小さな汚染物／欠陥でさえ検出することが可能である。温度検出器アレンジメントを、図９を参照してより詳細に説明する。
【００５５】
いくつかの実施形態では、装置１００は、光学素子１１０に熱エネルギーを供給するために光学素子１１０の上に配置された少なくとも１つの加熱装置１２０を備える。光学素子１１０の焦点位置を、選択加熱および／または局所加熱により調節することができる。特に、例えば、光学素子１１０の端部領域の選択加熱が、実質的に一様な温度分布を実現できる。
【００５６】
光学素子１１０を、集束レンズなどのレンズとすることができる。溶接用光学系の場合には、球面レンズまたは非球面レンズが、しばしば使用される。発明によれば、焦点オフセットを、レンズの局所加熱により補償することができる。例えば、レンズが積極的に冷却された場合に生じるはずの温度勾配を回避することができる。
【００５７】
レーザ加工システムは、光学軸１を規定することができ、レーザビーム２が光学軸との関係で伝播する。例えば、レーザビーム２は、光学軸１に実質的に平行であっても傾いていてもよい。レーザ加工システムまたは、溶接ヘッドなどのその部品は、実施形態にしたがって加工方向２０に沿って移動可能であってもよい。加工方向２０を、切断方向および／またはワークピース１０に対するレーザ加工システムの移動の方向とすることができる。特に、加工方向２０を、水平方向とすることができる。加工方向２０をまた、「フィード方向」とも呼ぶことができる。
【００５８】
ここで説明する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、少なくとも１つの加熱装置１２０を、第１の表面、第２の表面および少なくとも１つの側面のうちの少なくとも１つのところにまたは上に配置することができる。第１の表面および第２の表面は、凸面であっても凹面であってもよい。いくつかの実施形態では、第１の表面および第２の表面は、両方とも同じ形状、例えば、凸面または凹面を有することができる。他の実施形態では、第１の表面および第２の表面は、違っていてもよい。例えば、一方の表面が凸面であってもよく、他方の表面が凹面であってもよい。
【００５９】
典型的には、少なくとも１つの加熱装置１２０が、端部領域に熱エネルギーを供給するために光学素子１１０の端部領域のところにまたは上に配置される。図１の例では、少なくとも１つの加熱装置１２０が、光学素子１１０の端部または外側端部であってもよい少なくとも１つの側面の上に配置される。
【００６０】
いくつかの実施形態では、光学素子１１０は、熱伝導性コーティングを有する。熱伝導性コーティングを、例えば、石英ガラスまたは光学系の低い熱伝導率を向上させるために使用することができる。例えば、熱伝導性コーティングを、サファイアから構成することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの加熱装置１２０が配置される表面を、少なくとも部分的に、好ましくは完全にコーティングすることができる。典型的には、少なくとも１つの側面（例えば、レンズ端部）に、熱伝導性コーティングを設けることができる。しかしながら、本開示は、これに限定されない。例えば少なくとも１つの加熱装置が第１の表面および／または第２の表面に配置されるときに（図２参照）、第１の表面および／または第２の表面の端部領域を、やはりコーティングすることもできる。
【００６１】
例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ７９８０（登録商標）（石英ガラス）は、
【数２】
2020536740.tif 000004
の熱伝導率を有する。加熱素子の下の端部領域が、例えば、サファイア（
【数３】
2020536740.tif 000005
）でコーティングされる場合、光学素子への熱供給における顕著な改善が実現されることがある。このことが、より一様な温度プロファイルを実現すること、そして焦点オフセットを減少させることを可能にする。
【００６２】
ここで説明する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、装置１００は、光学素子１１０が所定の温度分布を有するように少なくとも１つの加熱装置１２０を制御するように構成されたコントローラ１３０を備える。所定の温度分布を、実質的に一様な温度分布とすることができる。コントローラ１３０は典型的には、熱エネルギーを供給することによって光学素子１１０の焦点を調節するように構成される。特に、熱エネルギーを局所的に供給することにより、熱的に誘起された焦点オフセットを補償することができる。
【００６３】
典型的な実施形態では、少なくとも１つの加熱装置１２０によって、例えば、光学素子１１０の中心において測定した温度まで端部領域を具体的に調整することができる。少なくとも１つの加熱装置１２０は、複数の加熱素子を含むことができる。多数の加熱素子により、非対称な温度分布のケースにおいてさえ、光学素子１１０のほぼ対称的な／一様な加熱を確実にすることができる。例えば、少なくとも１つの加熱装置１２０により実現可能な温度は、ほぼ３０から６０℃である。例えば、６０００Ｗのレーザ出力を用いると、レンズは、中心で４０℃の最大値まで温度上昇する。
【００６４】
図２は、本開示の実施形態による光学素子１１０の模式的上面図を示している。図３Ａおよび図３Ｂは、図２の光学素子の温度分布を示している。
【００６５】
ここで説明する他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、少なくとも１つの加熱装置は、複数の加熱素子１２２を備える。加熱素子１２２を、光学素子１１０の側面の上に配置することができる。加えてまたは代わりに、加熱素子１２２を、図２の例に示したように、光学素子１１０の第１の表面および／または第２の表面に配置することができる。加熱素子１２２を、第１の表面および／または第２の表面の端部領域に配置することができ、その結果、レーザビームが通過する光学素子１１０の中心１０１は、何もないまたは遮られない。
【００６６】
いくつかの実施形態では、加熱素子１２２は、いくつかのセグメント、すなわち、個別の加熱素子から構成される加熱リングを形成できる。図４は、連続する加熱リング４００を有する光学素子の代替実施形態の模式的平面図を示している。
【００６７】
コントローラを、加熱素子１２２を個別におよび／または選択的に制御するように構成することができる。例えば、加熱リングに印加する電圧により、調整を実行することができる。マイクロコントローラであってもよいコントローラは、１つまたは複数の加熱素子の温度上昇および調整を引き受けることができる。温度検出器アレンジメントによって記録された光学素子１１０またはレンズの、例えば、レンズの中心の温度に基づいて、コントローラは、光学素子１１０またはレンズを加熱素子によって実質的に等しい温度にすることができ、このように温度を一様な温度分布に近づけることができる。このことが、焦点オフセットを補償することを可能にする。特に、光学素子の一様な屈折率を確実にするために、光学素子を完全に一様な温度に加熱することができる。
【００６８】
ここで説明する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、装置は、少なくとも１つの加熱装置を断熱するように構成された断熱部をさらに備える。断熱部を用いて、光学素子を、放熱に対して保護することができる。断熱部は、個々の加熱素子が周囲の筐体へとおよび／または空気へと多大なエネルギーを放射することを防止できるが、代わりに光学素子を明確に加熱する。このことが、エネルギー効率の点でレーザ加工システムを最適化することを可能にする。
【００６９】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの加熱装置は、台座および台座の上に配置された複数の熱源を備える。台座は、基板またはボードであってもよい。典型的には、熱源を、低い抵抗値の抵抗器などの電気的な抵抗器とすることができる。例えば、熱源として働く低い抵抗値の抵抗器を、ボードの上に設置することができる。装置、および特に少なくとも１つの加熱装置はまた、熱源を光学素子に熱的に結合させるための熱結合素子（例えば、熱パッド）も備えることができる。典型的には、熱結合素子は、好ましくは高い熱伝導率を有するゴム状の材料を含む（またはである）。
【００７０】
図３Ａおよび図３Ｂを参照して、個別のセグメントから構成される加熱リングの半分だけが明確化の理由で示されている。図３Ａは、レンズの中心１０１が吸収により温度Ｔ１に加熱され、焦点オフセットを結果としてもたらす温度分布を示している。加熱素子１２２は、焦点オフセットを補償するために選択的に駆動される。例えば、光学素子の端部領域を、温度Ｔ２に加熱することができる。Ｔ１＝Ｔ２のときに、一様な温度に達する。熱レンズをこのように熱的に調整することができる。
【００７１】
図３Ｂは、例えば、正確に中心を通過しないレーザまたは汚染に起因する非対称な温度分布を示している。このケースでは、図３Ａに示したように、レンズを一様な温度に調整するために、加熱素子１２２を別々に加熱することができ、その結果、例えば、レンズの中心と端部との間の温度差が、ほぼゼロ（Ｔ１−Ｔ２＝ΔＴ＝０）である。
【００７２】
図５は、本開示のさらなる実施形態によるレーザ加工システムのための装置５００の模式図を示している。
【００７３】
この例では、ボード５２４の上にマウントされた中程度の抵抗値の抵抗器５２２は、熱源としてまたは加熱装置５２０として働く。熱調整の効率を高めるために、ボード５２４をまた、筐体に向かう外向きの断熱のためにも使用することができる。言い換えると、ボード５２４は、少なくとも１つの加熱装置５２０を断熱するように構成された断熱部として働く。熱は、矢印５０１により示されたように、焦点オフセットを熱的に補償するためにレンズ５１０の端部から供給される。
【００７４】
実施形態によれば、装置５００、および特に少なくとも１つの加熱装置５２０は、熱源を光学素子５１０に熱的に結合するための熱結合素子５３０（例えば、熱パッド）を備える。典型的には、熱結合素子５３０は、好ましくは高い熱伝導率を有する、ゴム状の材料を含む（またはである）。
【００７５】
本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、装置５００は、光学素子５１０用のホルダ５４０を備え、ホルダは、少なくとも１つの加熱装置５２０と光学素子５１０との間に配置されそして光学素子５１０と少なくとも１つの加熱装置５２０との間の熱的な接触を与えるように構成される。この目的で、ホルダは、光学素子５１０を機械的に直接接触させることができる。
【００７６】
レンズなどの光学素子５１０を、ホルダ（そのレンズソケット）を介して熱的に接触させそして調整することができる。これを、例えば、個別に制御された低い抵抗値の抵抗器により実現することができる。これらの抵抗器を、加工ヘッド内に収容することができ、そして金属レンズソケットを介してレンズ端部を熱的に調整することができる。抵抗器が上に配置されるボード材料はまた、断熱部としても働くことができる。レンズの個々のセグメントの加熱を制御することができ、非対称なレーザビーム分布のケースでさえも熱的な調整を確実にする。
【００７７】
図６は、本開示の他の実施形態によるレーザ加工システムのための装置６００の模式図を示している。
【００７８】
既に説明したように、焦点オフセットは、屈折率差（Δｎ）をもたらすレンズ内および上の局所的な温度上昇によりそして基づいて発生する。この温度勾配は、レンズ材料に応じて焦点位置を変える。本開示によれば、光学素子の温度勾配を記録するために、光学素子の温度が、空間的に分解された方式で（例えば、ｘ−ｙ平面内でまたはｘ−ｙ平面内へのレンズ表面の投影で）測定される。モータなどの駆動装置は、例えば、光学軸に沿って、例えば、ｚ方向の焦点シフトに応じて光学素子を再調節する。マイクロコントローラなどのコントローラは、モータの温度上昇および調節を引き受けることができる。
【００７９】
図６を参照して、レーザ加工システムのための装置６００は、レーザビームの焦点を合わせるように構成された光学素子６１０、検出器素子の行列を用いて光学素子６１０の２次元温度分布を測定するように構成された温度検出器アレンジメント６２０、および任意選択で、例えばｚ軸に沿って光学素子６１０の位置を調節するように構成された駆動装置６３０を備える。コントローラ６４０は、温度を評価しそして駆動装置６３０を調整するように構成されてもよい。温度分布が、例えば、第１の表面または第２の表面などの光学素子６１０の全表面に関して空間的に分解された方式で測定される。特に、ｘ−ｙ平面内の温度分布を測定することができる。光学素子６１０の湾曲した表面のケースでは、温度分布は、ｘ−ｙ平面への湾曲した表面の投影に対応することがある。
【００８０】
コントローラ６４０は、測定した温度分布に基づいて光学素子６１０の位置を調節するために駆動装置６３０を制御することができる。例えば、光学素子６１０の位置を、光学軸に平行であってもよいｚ軸に沿って調節することができる。光学素子６１０の焦点を、光学素子６１０の位置を変えることによって調節することができる。特に、コントローラ６４０は、光学素子６１０の焦点を実質的に一定に保つように駆動装置６３０を制御することができる。
【００８１】
図６では、「＋」および「−」は、それぞれ正および負の焦点シフトを示している。温度変化により誘起された例示的な焦点オフセットが、図７に温度勾配の関数として示されている。光学素子の材料および具体的な特性に依存して、発明による構造は、焦点オフセットの精密で有効な補償を可能にする。さらにその上、実施形態による温度検出器アレンジメント６２０は、光学素子６１０上の（急峻な）個々の温度上昇を検出することができ、そして早期警告システムとして、光学素子６１０の劣化を予測することができる。
【００８２】
典型的な実施形態によれば、温度勾配ΔＴと焦点シフトΔｆとの間の直線性を決定することができ、そして引き続いて補償することができる。この目的で、サーモパイルアレンジメント（サーモパイルアレイ）を、光学素子６１０の温度勾配ΔＴをモニタする温度検出器アレンジメント６２０として使用することができ、この温度勾配ΔＴは２次元温度分布から決定される。駆動装置６３０を、コントローラ６４０により制御することができ、コントローラ６４０が、レーザ応用システムにおける焦点オフセットの精密な補償を確実にするため、Δｆ〜０になるように焦点シフトΔｆを再調節する。
【００８３】
図８は、温度勾配に依存する例示的な焦点シフトを回帰直線とともに示している。特性データを、特定の光学システムの事前の基準測定により記録することができる。図８は、きれいなレンズを用いた基準測定の例に関して、レンズまたはレンズシステムのｄＴ−ｄｚ焦点シフトを対応する回帰直線とともに示している。このようにして、レーザ加工ヘッドなどのレーザ加工システムおよびその光学システムにとって特有の傾斜を決定することができる。ソフトウェアを使用して、回帰直線から決定した傾斜を、例えば、コントローラ６４０内のデータベースに記憶することができる。これに基づいて、焦点オフセットを補償するために、モータによる適切な調節を、例えば、レンズのまたは光学素子１１０のｚ軸シフトの形態で各々のそれぞれ温度勾配に対して実行することができる。
【００８４】
図９（ａ）は、本開示の実施形態による温度検出器アレンジメントを示している。温度検出器アレンジメントは、検出器素子（ピクセル）の行列を含む。図９（ｂ）は、局所的な温度上昇を検出するための３２ｘ３２サーモパイルアレンジメントによる画像を示している。
【００８５】
本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、温度検出器アレンジメントは、サーモパイルアレンジメント（サーモパイルアレイ）である。サーモパイルアレンジメントは、光学素子の温度勾配を記録するために、空間的に分解された方式で光学素子の温度を測定できる。
【００８６】
例示的なサーモパイルアレンジメントは、検出器素子の少なくとも２×２行列を有することができる。図９（ａ）は、１０２４ピクセルの全解像度および９０°×９０°のアパーチャ角を有する３２×３２行列を示し、図９（ｂ）に示したような、ほぼ３５０ピクセルの例示的な光学素子の解像度を提供する。あるいは、例えば、６０°×６０°の開口角で６４ピクセルの解像度をともなう８×８行列を有するサーモパイルアレンジメントを使用することができる。小さな寸法のこのようなサーモパイルアレンジメントを、最小のスペースに容易に統合することができる。最大の可能なフレームレートを、例えば、６０Ｈｚとすることができる。
【００８７】
ここで説明する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、光学素子はシリコン製である。Ｓｉレンズを、レーザビームの後方反射をフィルタするために使用することができる。このことは、光学素子の表面だけを記録することができることを意味する。言い換えると、全第１の表面または第２の表面などの、光学素子の表面上の温度分布を、決定することができる。
【００８８】
本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、温度検出器アレンジメントを、絶対温度分布または相対温度分布を測定するように構成することができる。絶対温度分布は、絶対温度の測定に基づく、ところが相対温度分布は、温度差を示す。
【００８９】
発明によれば、光学素子の温度分布が、少なくとも２つの空間次元で、すなわち２次元的に測定される。実施形態によれば、「２次元」という用語を、例えば、レンズの中央の、２つ以上の空間的に離れた温度測定点（２つ以上のピクセル）が検出されることを意味するように理解することができる。例えば、温度検出器アレンジメントは、検出器素子の少なくとも２×２行列を有することができる。空間的に分解された２次元測定は、図１０を参照して下記により詳細に説明されるように、例えば、レンズの中心の単一の温度測定点（単一のピクセル）だけが記録される１次元測定とは異なる。
【００９０】
図１０は、１次元測定（単一のピクセル）と本発明による２次元測定（２つ以上のピクセル）との間の温度決定の分解能および精度の比較を示している。
【００９１】
図１０は、レンズ７１０上の最高温点７０１および低温点７０２を模式的に示している。最高温点７０１を、ほぼ３８℃とすることができ、低温点７０２をほぼ２５℃とすることができる。発明による温度検出器アレンジメントを使用する空間的に分解された測定は、レンズ７１０を完全にモニタすること（参照番号「７０３」）により最高温度のグリッドを精密に検出することができ、そしてそこから真の温度勾配を求めることができる。発明による温度検出器アレンジメントの空間的に分解された温度測定は、任意選択的にレンズ７１０上の損傷または塵埃を検出することを可能にすることができる。
【００９２】
対照的に、１次元測定は、すべての値、例えば、参照番号「７０４」により示されているようなレンズ７１０の中心部の平均を検出する。しかしながら、非対称な温度プロファイルは、広く変わることがあり、その結果、真の温度勾配を決定できない。
【００９３】
特に、特許文献４に記載されているような１次元測定では、レンズの端部のところの熱電対およびレンズの中心をモニタするサーモパイルを使用することができる。このモニタリングでは、レンズ上の塵埃により生じる何らかの吸収効果を検出できない。レンズ全体の平均温度上昇だけを検出することができるに過ぎない。このことは、平均温度が、大きなパワーのためであるか、レーザビームの非対称分布のためであるか、またはレンズ表面の欠陥もしくは汚染のためであるかどうかを正確に伝えることが不可能であることを意味する。本開示のサーモパイルアレンジメントは、例えば、技術的なアルゴリズムを有する適切なソフトウェアを使用して、レンズ全体の２Ｄ分解能によりこれらの間を容易に区別することができる。
【００９４】
１次元測定はまた、１Ｄサーモパイルの距離および開口角に起因して、固定であり変更できない距離のところにそして正確にレンズの中心の角度に設置されている視野（ＦｏＶ）を有するという不利な点がある。言い換えると、異なるレーザ加工ヘッドでのそれぞれのモニタリングに関して、センサは、異なる距離および角度のところに精巧に構成されなければならない。この１Ｄサーモパイルは、レンズの固定された中心を記録し、そしてそれからの温度Ｔ１を平均する。モニタリング直径が大きくなるのであれば、より低い温度が同時に記録され、レンズの中心の温度がさらに一層歪められる。
【００９５】
本開示のサーモパイルアレンジメントは、他方では、空間的に分解された画像によりレンズ全体を記録することができ、そして非対称温度プロファイルのケースでさえレンズの中心のそれぞれの最も高い温度の平均を記録することができる。この利点は、サーモパイルアレンジメントを、カスタマイズされた方式のすべてのレーザ加工ヘッドを用いるすべてのレンズサイズ、ビーム直径およびビーム品質に対して使用できることを意味する。
【００９６】
図１１は、本開示のさらなる実施形態によるレーザ加工システムのための装置８００の模式図を示している。
【００９７】
装置８００は、開口角８１２を有するサーモパイルアレンジメント８１０を含み、レンズまたは光学素子１１０の温度勾配（ΔＴ）の画像８２０を記録する。画像８２０は、ｘ−ｙ方向に広がる画像であり、レンズ全体が記録されることを可能にする。多数のピクセルのために、温度Ｔ１を、レーザビームの直径に拘わらすレンズの中心で平均することができる。サーモパイルアレンジメント８１０は、レンズ上の最高温点を無作為に決定することができ、このように精密な温度プロファイルを形成する。サーモパイルアレンジメント８１０はまた、レンズ端部のより精密な温度Ｔ２を決定するために、参照値としてレンズ端部の低温スポットを平均できる。コントローラ８３０は、勾配を評価し、焦点位置Ｆを再調節するためにモータによりレンズの位置を調節する。特に、モータ８４０は、ｚ移動軸に沿ってレンズを移動できる。参照番号８５０は、レーザビームの焦線を示している。
【００９８】
実施形態によれば、基準測定において記録した傾斜ｍ（例えば、図８参照）を、任意の光学システムについてコントローラ８３０に記憶することができる。焦点シフトΔｆ＝ｚ＿ｓｈｉｆｔをそれぞれのΔＴについてビーム診断測定装置による基準測定において記録することができ、次いで傾斜を決定することができる。
【００９９】
サーモパイルアレンジメントは、温度勾配ΔＴをその空間的に分解された温度測定を介して評価することができる。例えば、サーモパイルアレンジメントは、レンズの中心から端部までの最高温度の平均を取る。
ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２
【０１００】
ｚシフトを、次式、
ｚ＿ｓｈｉｆｔ＝（ΔＴ＋Ｃ）／ｍ
のように表現することができる。
【０１０１】
Ｃは、任意選択のオフセット因子であり、レンズ材料および測定結果に応じて手動で加えることができる。発明による装置の利点は、記憶した傾斜ｍが集束レンズの焦点オフセットを含むだけでなく、全体の光学系システムの焦点オフセットについての情報を含むので、サーモパイルアレンジメントが補償のため十分であることである。
【０１０２】
図１２は、レーザ加工ヘッドなどの、本開示の実施形態によるレーザ加工システム９００の模式的説明図を示している。
【０１０３】
レーザ加工システムまたはレーザ加工ヘッド９００は、光ファイバ、等などのレーザビームを供給するためのレーザ源（図示せず）、レーザビーム２をコリメートするように構成されたコリメータ光学系９１０、ワークピース１０の上にレーザビーム２の焦点を合わせるように構成された集束光学系９２０、および本明細書において説明した実施形態によるレーザ加工システムのための装置を備え、光学素子が集束光学系９２０の集束レンズである。温度検出器アレンジメントを、検出器素子の行列を有するサーモパイルアレンジメント９３０とすることができる。
【０１０４】
レーザ加工システム９００は、レーザビーム２（やはり「加工ビーム」または「加工レーザビーム」とも呼ばれる）を発生するためのレーザ装置を備える。レーザ加工システム９００または溶接ヘッドなどのその部品は、実施形態にしたがって加工方向２０に沿って移動可能であってもよい。加工方向２０は、ワークピース１０に対する切断方向および／または溶接ヘッドなどのレーザ加工システム９００の移動の方向であってもよい。特に、加工方向２０は、水平方向であってもよい。加工方向２０はまた、「フィード方向」と呼ばれることもある。
【０１０５】
加工ヘッドの筐体内に対応する角度でサーモパイルアレンジメントを据え付けることにより、レンズの圧縮された画像または視野のある種の楕円画像が発生される。この効果は、レンズの湾曲によりさらに増幅される。この圧縮された画像がサーモパイルアレンジメントの角度および距離に依存するので、センサの幾何学的に改善した配置により圧縮された画像を改善することができる。サーモパイルアレンジメントの解像度を非常に高くできるので、この効果は、測定精度にほとんど影響を与えず、無視されてもよい。画像のこの圧縮のさらなる改善を、サーモパイルアレンジメントのより小さな視野（ＦｏＶ、開口角）を用いて実現することができる。
【０１０６】
本発明によれば、焦点レンズなどの光学素子の焦点位置が調節される。この目的で、光学素子の２次元温度分布が、測定されそして焦点位置を調節するために使用される。例えば、サーモパイル行列を、光学素子の表面上の温度分布の２次元「マップ」を作成するために使用することができ、このマップから温度勾配を決定することができる。このような空間的に分解された測定は、焦点位置が高い精度で調節されることを可能にする。１つの態様によれば、光学素子は、測定した温度に基づいて焦点位置を調節するために積極的に加熱される。例えば、光学素子が実質的に一様な温度分布を有するように、光学素子を加熱することができる。もう１つの態様によれば、光学素子の位置が、焦点位置を調節するために測定した温度分布に基づいて調節される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９（ａ）】
2020536740.tif 000015
【図９（ｂ）】
2020536740.tif 000016
【図１０】
2020536740.tif 000017
【図１１】
2020536740.tif 000018
【図１２】
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【国際調査報告】
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2020536740.tif 000021
2020536740.tif 000022
2020536740.tif 000023
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