CN116900470A - 激光加工设备 - Google Patents

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CN116900470A CN202310400337.0A CN202310400337A CN116900470A CN 116900470 A CN116900470 A CN 116900470A CN 202310400337 A CN202310400337 A CN 202310400337A CN 116900470 A CN116900470 A CN 116900470A
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阿纳斯·莫阿莱姆
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Abstract

本公开提供了一种激光加工设备(100，200)，其用于利用由所提供的激光辐射(104)的至少一部分形成的加工光束(130)来加工工件(140)，该激光加工设备(100，200)包括：用于分析辐射的分析装置，其中该辐射基于激光辐射(104)；以及控制装置，其被配置为基于对辐射的分析来调整加工光束(130)的至少一个参数。

Description

激光加工设备
技术领域
本公开涉及激光加工设备领域。
背景技术
DE 10 2007 056 254 A1涉及一种用于使用多个至少近似平行的激光束来加工工件的设备，其中该设备配备有至少一个聚焦光学***，用于将每个激光束聚焦到共同的聚焦平面中。
发明内容
采用激光加工制造的优化产品，对激光加工的精度和质量要求很高，特别是在结构尺寸小、相邻激光加工结构间距小的情况下。
鉴于上述情况，需要一种允许改进激光加工的技术。
独立权利要求满足了这一需要。在从属权利要求中指定了一些有利的实施例。
根据本文公开的主题的第一方面，提供了一种激光加工设备。
所述第一方面的实施例提供了一种激光加工设备，用于利用由所提供的激光辐射的至少一部分形成的加工光束来加工工件，该激光加工设备包括：至少一个分析设备，用于分析基于激光辐射的辐射；控制装置，其被配置为基于对辐射的分析来调整加工光束的至少一个参数。
根据本文公开的主题的第二方面，提供了一种方法。
所述第二方面的实施例提供了一种用于使用由所提供的激光辐射的至少一部分形成的加工光束来加工工件的方法，该方法包括：分析基于激光辐射的辐射；基于对辐射的分析来调整加工光束的至少一个参数。
根据本文公开的主题的第三方面，提供了一种激光设备。
根据第三方面的一个实施例，提供了一种激光设备，该激光设备包括根据第一方面的至少两个激光加工设备，其中对于所述至少两个激光加工设备中的每个激光加工设备，其加工光束的参数可以独立于所述至少两个激光加工设备中的另一激光加工设备的加工光束而调整。
示例性实施例的描述
在下文中，参考例如用激光束加工工件的方法和激光加工设备来描述本文公开的主题的示例性实施例。应该强调的是，不同方面、实施例和示例的特征的任意组合当然是可能的。具体地，一些实施例是参照方法进行描述的，而其他实施例是参照装置进行描述的。还有其他实施例参照用于与激光加工设备的另外的元件相互作用的控制装置进行描述。然而，本领域技术人员将从前面和后面的描述、权利要求和附图中理解，除非另有说明，否则可以组合各个方面、实施例和示例的特征，并且这些特征的组合被认为被本申请所公开。例如，即使方法相关的特征也可以与设备相关的特征组合，反之亦然。
尽管本文指出了现有技术的某些缺点，但要求保护的主题不应限于解决现有技术的一些或所有指出的缺点的实施例。此外，虽然本文公开的主题的某些优点在本公开中被提及或暗示，但要求保护的主题不旨在限于包括那些优点中的一些或全部的实施例。
根据第一方面的激光加工设备被设置用于利用加工光束加工工件，其中加工光束由所提供的激光辐射的至少一部分形成。在这个意义上，加工光束是由所提供的激光辐射的从激光加工设备发射的部分。根据一个实施例，该激光加工设备包括分析设备，该分析设备被配置为分析基于(提供的)激光辐射的辐射(即该辐射基于激光辐射)。根据另一实施例，激光加工设备包括控制装置，该控制装置被配置为基于对辐射的分析来调整加工光束的至少一个参数。
根据第二方面的方法被配置为用加工光束来加工工件，其中加工光束由所提供的激光辐射的至少一部分形成。根据一个实施例，该方法包括分析基于激光辐射的辐射。此外，根据一个实施例，该方法包括基于对辐射的分析调整加工光束的至少一个参数。
根据第三方面的实施例，一种激光设备包括根据第一方面的至少两个激光加工设备。根据另一实施例，对于至少两个激光加工设备中的每个激光加工设备，可以独立于至少两个激光加工设备中的其他激光加工设备的加工光束来调整其加工光束的参数。例如，至少两个激光加工设备中的每一个都可以包括其自己的控制器。根据另一实施例，至少两个激光加工设备的控制器可以至少部分地由公共控制器形成。
在本公开的意义上，加工光束由所提供的激光辐射的至少一部分形成，该激光辐射沿光束路径从激光源(激光辐射由其提供)传播通过激光加工设备到达工件并终止于工件。激光辐射，特别是在激光加工设备内，可能会沿着光束路径发生变化。例如，向工件传播的激光辐射的强度可以调节(例如，通过解耦所提供的激光辐射的部分)，可以改变激光辐射的偏振或可以解耦激光辐射的部分以分析激光辐射的解耦部分。在这个意义上，所提供的激光辐射的解耦部分可以形成根据本文公开的主题的实施例的辐射，即基于所提供的激光辐射的辐射。然而，根据本文公开的主题的实施例的辐射不限于所提供的激光辐射的解耦部分，而是通常可以包括基于所提供的激光辐射的任何辐射。因此，由分析设备分析的辐射也可以是由加工光束产生的辐射(即，由所提供的激光辐射的保留在光束路径的部分产生)。
根据一个实施例，分析设备被配置成在向工件传输加工光束期间(并且因此在用加工光束加工工件期间)连续地分析辐射。根据另一个实施例，对辐射的分析发生在离散的(例如，预定的)时间点。
在此公开的主题的至少一些方面和实施例是基于如下构思：激光加工的精度和质量，特别是当使用多个加工光束进行加工时，可以通过单独控制各个光束的焦点位置来改善。本文所公开的主题的至少一些方面和实施例还具有在激光加工设备的低复杂度的情况下对大量单独光束的良好可扩展性的优点。
根据一个实施例，工件具有层并且加工光束被配置成沿着加工光束在工件上扫描所沿的轨道去除该层。例如，工件可以是太阳能电池板。
根据一个实施例，加工光束的至少一个参数(可由控制装置调整)包括以下参数中的至少一者：加工光束的功率；加工光束沿加工光束的光束路径的焦点位置；加工光束的光束路径与工件的交点位置。如本文所使用的，为了便于区分，术语“光束路径”(beam path)与加工光束相关联，而术语“辐射路径”(ray path)与激光辐射相关联。然而，应当理解，这两个术语并不限制激光辐射和加工光束，并且加工光束的光束路径是激光辐射的光束路径的部分。
特别地，通过调整(例如控制)加工光束的焦点位置使得加工光束的焦点在工件上(聚焦在工件上)，可以在结构化过程中避免结构尺寸和/或结构质量的偏差。例如，根据一个实施例，可以避免或至少减少结构尺寸和/或结构质量的偏差。
根据一个实施例，结构是激光加工轨道，例如沿激光加工轨道去除工件表层的激光加工轨道。根据一个实施例，结构尺寸为激光加工轨道的轨道宽度。根据另一实施例，结构质量是激光加工轨道的轨道质量。根据一个实施例，避免或至少减少了相对于单个轨道的轨道宽度和/或轨道质量的偏差。根据另一个实施例，避免或至少减少了多个轨道之间的轨道宽度和/或轨道质量的偏差。
根据一个实施例，加工光束和/或用于调节加工光束的激光加工设备的光学元件(例如聚焦性透镜，在本文中也称为聚焦透镜)用于产生激光点，其允许分析加工光束的焦点。可以理解的是，根据一个实施例可以设置另外的光学元件。例如，可以提供由多个透镜组成的透镜***以便聚焦加工光束。在这种情况下，上述用于调节加工光束的光学元件可以表示加工光束通过其离开激光加工设备的光学元件(即，激光辐射的光束路径中的最后一个光学元件)。最后一个光学元件(用于调节加工光束或聚焦透镜的光学元件)也可以被设置用以将来自激光加工设备外部的辐射或光成像到激光加工设备内的激光辐射的光束路径中。
根据一个实施例，激光加工设备包括布置在激光辐射的光束路径中的光学元件，其中该辐射包括第一辐射，该第一辐射是激光辐射的经光学元件传输的部分。
根据一个实施例，分析辐射因此包括分析激光辐射的经光学元件传输的部分。与术语“辐射”一起使用的数字词(例如“第一”辐射、“第二”辐射等)仅旨在简化对所讨论辐射的引用。例如，术语“第一辐射”与“激光辐射的经光学元件传输的部分”同义。在这个意义上，提及“第二辐射”并不需要存在“第一辐射”。例如，根据一个实施例，分析设备被配置为分析本文描述的第一辐射、第二辐射、第三辐射和第四辐射中的至少一个。相应地，根据一个实施例，辐射包括至少第一辐射、第二辐射、第三辐射和第四辐射中的至少一个。
根据进一步的实施例，分析设备被配置为基于第一辐射确定发射到工件上的加工光束的功率。例如，分析设备包括具有相应配置的功率计。换句话说，根据一个实施例，分析设备包括功率计，其被配置为基于第一辐射确定发射到工件上的加工光束的功率，例如通过测量第一辐射的强度并基于校准确定加工光束的功率。例如，功率计包括被配置成测量到达传感器的第一辐射的功率或能量的传感器。也就是说，根据一个实施例，例如测量到达传感器的光通量的功率，或者(在特定时间段内累积)到达传感器的光通量的能量。传感器例如可以是光电探测器，例如其产生电流作为测量信号。例如，根据一个实施例，分析由传感器产生的电子或由传感器产生的电流。
根据一个实施例，分析设备被设计成通过分析辐射借助于三角测量来确定工件的位置。例如，分析设备包括具有相应配置的定位装置。
总的来说，根据一个实施例，分析设备确定的工件的位置是关于激光加工设备的相对位置。例如，根据一个实施例，工件的位置为工件距激光加工设备的距离。根据一个实施例，工件的位置是相对于加工光束的焦点位置的位置。
根据一个实施例，激光加工设备包括所谓的激光头，加工光束从该激光头发射。根据一个实施例，在X-Y-Z坐标系中，工件和激光头在X方向和Y方向能够相对移动，分析设备确定的工件位置为工件的Z位置，即工件在Z方向上的位置，例如工件相对于激光头在Z方向上的位置。
可以根据本文公开的一个或多个实施例和/或以其他方式使用三角测量确定工件的位置。
根据一个实施例，辐射(分析设备对其进行分析)包括第二辐射，其是加工光束的被工件反射的部分。换句话说，根据一个实施例，分析辐射包括分析加工光束的被工件反射的部分。例如，分析设备被设计成通过分析设备分析加工光束在工件上的漫反射，借助于三角测量来确定工件的位置。
根据一个实施例，分析设备被设计成通过分析辐射借助像散来确定工件的位置。例如，分析设备包括具有相应配置的定位装置。例如，根据一个实施例，加工光束的光路被设计成当加工光束聚焦在工件上时，工件上的激光点是圆形激光点，并且如果工件在加工光束的焦点之外，则激光点在工件上的形状工件会偏离圆形。
根据一个实施例，(由分析设备分析的)辐射包括第三辐射，其是加工光束的从工件反射的部分，其被反射回到加工光束的光束路径中。根据一个实施例，聚焦透镜将第三辐射成像到激光辐射的光束路径中。
根据一个实施例，分析设备包括像散透镜和位置敏感探测器。根据另一实施例，位置敏感探测器和像散透镜被配置成使得第三辐射通过像散透镜入射到位置敏感探测器上并且位置敏感探测器提供位置信号。根据一个实施例，位置信号允许加工光束聚焦在工件上。例如，根据一个实施例，激光加工设备包括聚焦装置，其中控制装置被设计成基于位置信号控制聚焦装置，从而将加工光束聚焦到工件上。
本文公开的主题的实施例由此提供了对加工光束的焦点的自动控制以将加工光束聚焦在工件上。根据一个实施例，对于多个加工光束的情况，加工光束的焦点对于多个加工光束中的每一个来说独立于其他加工光束进行自动调节。以此方式，可以减少加工光束在工件上产生的激光加工轨道的结构尺寸和/或结构质量的偏差。
根据一个实施例，像散透镜布置在位置敏感探测器和(第一)偏振器之间。根据一个实施例，加工光束首先穿过偏振器，其中偏振器将来自工件的第三辐射沿相反方向引导到位置敏感探测器上。根据一个实施例，偏振器是偏振分束器。
根据一个实施例，位置敏感探测器是四象限二极管。根据另一实施例，四象限二极管被布置为使得工件上未失真的激光点在四象限二极管的中心成像。由此，(在正确聚焦的情况下出现的)未失真的激光点在所有四个象限中提供相同的信号。如果工件不在加工光束的焦点上，则激光点发生失真，并且通过适当计算四个象限的信号可以确定一个误差信号，用于焦点跟踪。
根据一个实施例，辐射包括第四辐射，其由加工光束与工件的相互作用产生。此外，根据一个实施例，分析设备被设计成分析第四辐射。根据一个实施例，第四辐射是二次辐射，例如由高强度加工光束和/或通过加工从工件去除材料产生的材料云的电离产生的二次辐射光束。根据一个实施例，分析设备被设计成通过分析第四辐射，例如借助于三角测量，确定第四辐射的起始点的位置(例如物质云的位置)。
根据一个实施例，激光加工设备包括延迟板(这里也称为第一延迟板)和(第二)偏振器，它们被布置在激光辐射的光束路径中，第一延迟板围绕旋转轴可旋转地被安装，其中随着第一延迟板的旋转导致加工光束的偏振方向旋转，因此由激光辐射的偏振器耦合输出的部分的功率可以是可变的。以此方式，可以改变所提供的激光辐射的保留在光束路径中的部分并且因此可以改变加工光束的功率。根据一个实施例，第一偏振器和第二偏振器由单个相同的偏振器形成。换句话说，第二偏振器是第一偏振器。在这种情况下，可以省略用于区分的数字(第一、第二)。
根据一个实施例，第一延迟板是λ半波片，与垂直于其偏振的光相比，其将平行于组件特定轴偏振的光延迟半个波长(λ)。这样，偏振器设备可以从线性偏振光旋转可选择的角度。
根据另一实施例，激光加工设备包括功率计，特别是被配置(例如设计和布置)以确定发射到工件上的加工光束的功率的功率计。根据一个实施例，功率计被配置成测量激光辐射的经光学元件传输的部分的功率并且从中确定加工光束的功率(例如使用校准数据)。根据一个实施例，功率计根据本文公开的一个或多个实施例被配置，例如作为光电探测器。
根据一个实施例，所确定的加工光束的功率用于调节第一延迟板绕旋转轴的旋转。以这种方式，可以将加工光束的功率调节到期望的目标值(例如可调整的目标值)。
根据一个实施例，加工光束的光束路径中具有光学元件，该光学元件适于相对于加工光束来旋转从工件反射回加工光束的光束路径中的部分加工光束(即第三辐射)的偏振，从而提高从偏振器耦合输出的第三部分相对于偏振器耦合输出的加工光束的比例。根据一个实施例，光学元件是(第二)延迟板，例如λ四分之一波延迟板，与垂直于其偏振的光相比，其将平行于组件特定轴偏振的光延迟四分之一波长(π/2)。例如，λ四分之一波长延迟板可以产生圆偏振加工光束。在某些情况下，圆偏振加工光束可以在激光加工中提供更好的结果(特别是加工金属时)。
根据一个实施例，第二延迟板在激光辐射的传播方向上布置在偏振器之后。根据另一实施例，第一延迟板在激光辐射的传播方向上布置在偏振器之前。
根据一个实施例，激光加工设备包括传感器，利用该传感器可以扫描存在于工件表面上的结构。例如，传感器可以是图像传感器，利用所述图像传感器可以记录存在于工件表面上的结构。根据一个实施例，传感器允许分析工件上存在的结构(例如确定当前结构的位置)，以及允许根据工件上存在的结构用加工光束对工件进行结构化。根据一个实施例，聚焦透镜将结构的图像成像到无限远(即，聚焦透镜产生平行光线)，然后图像由透镜阵列成像到传感器上。例如，可以提供一种相机，其具有传感器芯片形式的传感器并且具有照相机镜头形式的透镜装置。
例如，现有的结构是直线轨道或点状轨道，沿着该轨道已经去除工件的一层。例如，直线轨道可以是工件的层沿线被连续去除的结构(从而在工件中形成连续的沟槽)。例如，点状轨道可包括工件中沿直线间隔开的多个凹部。
根据第一方面的实施例，激光加工设备被设置为提供本文公开的一个或多个实施例的功能和/或提供本文公开的一个或多个实施例所需的功能，特别是第一方面、第二方面和/或第三方面的实施例。
根据第二方面的实施例，该方法被布置成提供本文公开的一个或多个实施例的功能和/或提供本文公开的一个或多个实施例，特别是本发明的实施例所需要的功能，特别是第一方面、第二方面和/或第三方面的实施例。
根据第三方面的实施例，激光装置被配置成提供本文公开的实施例中的一个或多个的功能和/或提供本文公开的一个或多个实施例所需要的功能，特别是第一方面、第二方面和/或第三方面的实施例。
可以有利地组合本文公开的主题的实施例。特别值得注意的是加工工件和分析加工光束的聚焦的组合，特别是使用三角测量的聚焦分析。此外，还应强调与功率调整/功率控制的结合。以此方式，可以实现改进的激光加工设备，例如关于有效结构、减小的尺寸等。特别地，至少一个元件(例如激光加工设备的一个元件，例如偏振器)可以是用于实现两个或多个实施例(例如，用于实现功率调整/功率控制以及将辐射耦合到探测器)。
从当前优选实施例的以下示例性描述得出本公开的其他优点和特征，然而，要求保护的发明不限于此。本文中的各个附图仅被视为示意性的，并未按比例绘制。
附图说明
图1示意性地示出了根据本文公开的主题的实施例的激光加工设备。
图2至4显示了从线II-II观察时图1中的探测器。
图5示出了根据本文公开的主题的实施例的另一个定位装置。
图6示出了根据本文公开的主题的实施例的激光加工设备。
图7示出根据本文公开的主题的实施例的激光设备的侧视图。
具体实施方式
要注意的是，在不同的图中，相似或相同的元件或部件被配备有相同的附图标记，或者附图标记仅在第一位数字或后缀字母上不同。与另一图中的相应特征或组件相同或至少功能等同的此类特征或组件仅在其首次出现在以下文本中时才被详细描述，并且在这些特征和组件(或相应的附图标记)的后续出现时不再重复描述。
图1示意性地示出了根据本文公开的主题的实施例的激光加工设备100。根据一个实施例，激光加工设备100包括光束入口102，所提供的激光辐射104可以经由光束入口102耦合到激光加工设备100中。根据一个实施例，光束入口102由反射镜103形成，例如如图1所示。
根据一个实施例，激光加工设备100包括λ半波片形式的第一延迟板106，其将激光辐射104的偏振从第一偏振108改变为第二偏振110。根据一个实施例，第二偏振110(或从第一偏振108到第二偏振110的变化)可以通过在横向于激光辐射104的平面中旋转第一延迟板106来调节，例如在垂直于激光辐射104的平面中激光辐射104，例如图1中的112所示。根据进一步的实施例，激光加工设备100包括用于旋转第一延迟板106的致动器111(例如电机)。根据一个实施例，第一延迟板106的旋转可以通过在延迟板106的外周处的齿轮(图1中未示出)来进行，其可以绕旋转轴(例如，在第一延迟板106的位置处平行于激光辐射104的光轴延伸的旋转轴)通过与外齿啮合的驱动轮107来驱动。根据进一步的实施例，致动器111被配置为驱动驱动轮107，例如以109表示。根据一个实施例，第一延迟板106(或驱动轮107)是能够双向(即前向和反向)驱动的，例如由致动器111驱动。
根据另一个实施例，在激光辐射104的光束方向114上在第一延迟板106之后布置有偏振器116，其将激光辐射104的部分118从激光辐射104的光束路径120耦合输出，从而减少留在光束路径120中的激光辐射122的功率。耦合输出部分118可以例如被提供给吸收器119，例如如图2所示。在偏振器之后，剩余的激光辐射具有第三偏振113，例如如图1所示。
根据一个实施例，激光加工设备100的分析设备包括功率计128，其被配置为确定由激光加工设备100发射的加工光束130的功率。例如，根据一个实施例，激光加工设备100包括光学元件131，该光学元件131将激光辐射104的另一部分132从光束路径120耦合输出并将其馈送到功率计128，例如如图1所示。根据一个实施例，光学元件131由反射镜形成，例如如图1所示。在校准功率计128之后，形成加工光束130的激光辐射104的由光学元件131转发并的部分134的功率可以根据激光辐射104的耦合输出的另一部分132来确定。根据一个实施例，相应的校准数据存储在激光加工设备100的控制装置135中。根据一个实施例，聚焦透镜136在光束方向114上布置在光学元件131之后并且聚焦激光辐射104的前向部分134以便以这种方式产生加工光束130。加工光束130相应地由所提供的激光辐射104的部分形成。
根据一个实施例，聚焦透镜136在光束方向114上形成激光加工设备100的最后一个光学元件。换句话说，根据一个实施例，加工光束130由激光加工设备100的最后一个光学元件，例如聚焦透镜136发射。加工光束130的光束路径137因此形成激光辐射104的光束路径120的部分。加工光束130用于加工工件140。
聚焦透镜136将加工光束130聚焦到焦点138，焦点138也称为聚焦点。如果焦点138位于工件140上，则有利于高质量的激光加工。根据一个实施例，可以沿着加工光束130或沿着光束路径137调整焦点的位置，例如通过聚焦透镜136。根据一个实施例，可以通过致动器139调整聚焦透镜136的位置，从而沿光束路径137调整焦点138的位置。致动器139例如可以是驱动耦合到聚焦透镜136的马达，例如如图1中的147所示。换句话说，根据一个实施例，聚焦透镜136是电驱动透镜。根据一个实施例，工件是太阳能电池板并且加工光束用于沿着焦点通过工件140的轨道去除太阳能电池板的一层(例如，导电层)。
根据一个实施例，激光加工设备100包括分析设备。根据另一实施例，分析设备包括用于确定工件140相对于激光加工设备100的相对位置的定位装置144。根据一个实施例，确定工件140相对于激光加工设备100的相对位置包括(由以下组成)：确定焦点138是否在工件140上。为此，根据一个实施例，定位装置144被配置为通过分析基于激光辐射104的辐射(本文也称为第三辐射)来确定工件140相对于焦点138的相对位置。根据一个实施例，确定工件140相对于焦点138的相对位置等同于确定焦点138相对于工件140的相对位置，反之亦然。根据一个实施例，(第三)辐射是加工光束130的部分142，其从工件140反射回加工光束130的光束路径137中(因此加工光束130的部分142从工件140反射回光束路径120)。
根据一个实施例，定位装置144被设计成通过分析第三辐射142借助于像散来确定工件140的位置。例如，根据一个实施例，定位装置144可以包括像散透镜146。根据一个实施例，像散透镜146是柱形透镜。此外，根据一个实施例，定位装置144包括另一透镜148，如果焦点138位于工件140上，则其将加工光束130的反射部分142聚焦到像散透镜146的主平面上。探测器150被布置成与像散透镜146相对(在像散透镜146的背对另一透镜148的一侧上)。根据一个实施例，探测器150检测从像散透镜146射出的反射部分142(即第三辐射)，并随即提供位置信号151。根据一个实施例，探测器150是四象限二极管。
与焦点138在工件140上的正确聚焦的加工光束130相比，在不正确聚焦的情况下(例如，如果焦点设置在工件140前面一定距离处)，则加工光束130照射在工件140上的面积更大。工件140的这种较大的照射面积导致反射部分142发生变化，例如导致反射回光束路径120的部分142的在空间发生变化的强度分布。根据一个实施例，定位装置144被配置为使得如果加工光束130没有正确聚焦，则反射部分142受到像散透镜146的像散失真。换句话说，定位装置144被配置成使得不正确聚焦的加工光束130(即焦点138不在工件140上)导致探测器150上的反射部分142的强度分布与正确聚焦的不同。例如，根据一个实施例，在加工光束130不正确聚焦的情况下，另一透镜148不会将反射部分142聚焦到像散透镜146的主平面(或主平面之一)中，这导致像散失真。
激光加工设备100通常设计成使得从偏振器116耦合输出的部分118与剩余的激光辐射122相比尽可能小。以这种方式，激光加工设备可以高效率地操作，因为提供的大部分激光辐射104用于加工工件。
根据一个实施例，分析设备包括至少一个光学元件，其可增加反射部分142在探测器150上的效率。例如，根据一个实施例，第二延迟板124布置在光束路径120中。根据一个实施例，第二延迟板在光束方向114上布置在偏振器116之后，例如如图1所示。根据一个实施例，第二延迟板124是λ四分之一波片，其将剩余激光辐射122的线性偏振改变为圆偏振，如图1中的126处所示。因此，加工光束130的反射部分142在到达偏振器116之前也穿过第二延迟板124。通过两次穿过第二延迟板124(一次作为激光辐射104在光束方向114上，一次作为反射部分142与光束方向114相反)，在到达偏振器116之前反射部分142的偏振与其余激光相反辐射122(在工件140的传播方向上)旋转了90度。以这种方式，反射部分142的大部分通过偏振器116从光束路径120耦合输出并且被偏转到另一透镜148上。第二延迟板124因此增加了在探测器150上反射部分142的效率。以这种方式，可以实现定位装置144的可靠操作。
根据一个实施例，激光加工设备100的信号传输或信号接收部件与控制装置135进行信号传输耦合，如图1中的141所示。
例如，根据一个实施例，功率计128与控制装置135进行信号传输耦合，用于将测量信号129传输到控制装置135。根据一个实施例，测量信号129指示第一辐射132的所测量的功率。在这种情况下，控制装置135可以被配置为基于校准数据来由测量信号129来确定加工光束130的功率。根据另一实施例，加工光束130的功率可由功率计128确定。在这种情况下，测量信号129可以指示加工光束130的功率。根据一个实施例，控制装置135被配置为基于加工光束130的所确定的功率(以及根据进一步的实施例，基于功率额定值)，例如借助于致动器111调整第一延迟板106(其被配置为旋转第二延迟板)。例如，根据一个实施例，控制装置135为此与致动器111信号传输耦合。以这种方式可以实现加工光束130的高效和紧凑的功率调节。
根据一个实施例，定位装置144与控制装置135信号传输耦合，例如用于将位置信号151传输到控制装置135。根据另一实施例，控制装置135与致动器139进行信号传输耦合以沿着光束路径137调整焦点138的位置。以这种方式，可以实现高效且紧凑的焦点控制。
根据一个实施例，控制装置135包括处理器设备143和用于存储至少一个计算机程序的存储器装置145，该计算机程序被配置为当在处理器设备143上执行时，控制根据本文所公开主题的一个或多个实施例的方法，从而提供如在本文中所公开主题的一个或多个实施例中所描述的激光加工设备100的功能。
图2至图4示出了从线II-II观察时图1中的探测器150。
根据一个实施例，加工光束130的反射部分142在探测器150上形成辐射点152，例如如图2所示。因此，辐射点152对应于加工光束130的反射部分142在探测器150上的强度分布。根据一个实施例，探测器150包括多个探测器段154，例如如图2所示。根据一个实施例，每个探测器段154产生探测器信号，其指示加工光束130的反射部分142到达探测器段154上的强度。例如，根据一个实施例，探测器150包括四个探测器段154并且例如由四象限二极管形成，例如如图2所示。在图2中，四个探测器段154沿顺时针方向连续编号为1至4。
根据一个实施例，定位装置144被配置为使得当焦点138位于工件140的前面时，辐射点152基本上延伸到探测器150的第二象限2和第四象限4，例如如图2所示。例如，这可以通过围绕反射部分142的光轴适当地旋转像散透镜146来实现。
根据进一步的实施例，定位装置144被配置为使得当加工光束130被正确聚焦时辐射点152基本上相等地延伸到所有四个象限1、2、3、4中，例如如图3所示。
根据进一步的实施例，定位装置144被配置为使得当焦点138位于工件中或工件后面时，辐射点152基本上延伸到探测器150的第一象限1和第三象限3中，例如如图4所示。
根据一个实施例，位置信号151可以如下计算。
根据一个实施例，四个探测器段1、2、3、4中的每一个产生输出信号Pi(其中i标识相关的探测器段，i＝1、2、3、4)。根据一个实施例，输出信号Pi取决于反射部分142的检测强度，即输出信号Pi取决于落在探测器段i上的反射部分142的比例。
根据一个实施例，位置信号P则由下式给出
P＝(P1+P3)–(P2+P4)
因此，如果焦点138在工件上(在根据其中当焦点正确时P1＝P2＝P3＝P4的实施例中)，P＝0。
然后,归一化位置信号Pn得出
Pn＝P/(P1+P2+P3+P4)
探测器段154(i＝1、2、3、4)的输出信号Pi的总和还允许在校准之后确定加工光束130的功率。
图5示出了根据本文公开的主题的实施例的另一定位装置244。
根据一个实施例，定位装置244被配置为通过分析基于加工光束130的辐射(在此也称为第二辐射)借助于三角测量确定工件140的位置。例如，根据一个实施例，第二辐射是加工光束130的被工件反射的部分156(其中反射部分156没有被反射回到光束路径120中)。根据一个实施例，反射部分156由探测器158检测，探测器158布置在距加工光束的辐射路径137一定距离处，例如如图5所示。
根据一个实施例，探测器158是提供位置信号251的位置敏感探测器，其中位置信号251取决于反射辐射156的入射位置160。
根据一个实施例，定位装置244包括测量透镜162，其将加工光束的反射部分156成像到探测器158上，例如如图5所示。
根据一个实施例，当焦点138在工件140上(工件的第一位置166)时，入射位置160在第一位置164。根据另一个实施例，当焦点138在工件140的前面时(工件140的第二位置170)，入射位置160在第二位置168。根据另一个实施例，当焦点138在工件140中或后面(工件140的第三位置174)时，入射位置160在第三位置172。可以理解的是，图5中的工件140仅位于所示的三个位置166、170、174之一。为此，工件在第一位置166用实线表示，而在第二位置170和第三位置174用虚线表示。这同样适用于加工光束的反射部分156的表示。在观察图5时假设焦点138的位置对于所示的所有三个位置166、170、174是不变的。
根据一个实施例，探测器158被配置成使得加工光束130的反射部分156以入射角176入射到探测器158上，其中入射角小于90度，例如如图5所示。根据一个实施例，入射角在20度和60度之间的范围内。以此方式，即使工件140的位置在平行于加工光束130的方向178(例如Z方向)上有轻微变化，也实现了入射位置160的足够大的变化。因此，以这种方式实现工件140在平行于加工光束130的方向上的定位的高分辨率。
图6示出了根据本文公开的主题的实施例的激光加工设备200。
根据一个实施例，加工光束130或其光束路径137在交点194处与工件140相交。根据一个实施例，激光加工设备200包括光源180，其被配置为以光181照射工件140(特别是在交点194和邻近交点194处)与光181相交，其中光181的波长不同于加工光束130的波长。根据一个实施例，激光加工设备200的光学元件182至少部分地对光181来说是透明的，用于从激光辐射104的光束路径120耦合输出光181，例如如图6所示。根据一个实施例，激光加工设备200还包括图像传感器184，用于记录从光路120耦合输出的光181。根据一个实施例，图像传感器184产生对应于耦合输出的光181的图像数据。以这种方式，可以利用图像传感器184在交点194附近对工件140成像，该交点对应于工件的耦合输出的光181成像到图像传感器上的部分。因此，可以在激光加工期间用图像传感器184对工件进行光学扫描。例如，激光加工设备200可以被配置为使用图像传感器184扫描工件140上的现有标记，并且基于工件上扫描的现有标记来将加工光束130和工件140，特别是在横向与加工光束130的平面140中，相对于彼此定位。根据一个实施例，基于在工件140上存在的标记对工件140和加工光束130的这种定位通过至少一个传送装置(图6中未显示)来执行。
根据一个实施例，由分析设备分析的辐射包括第四辐射183，其由加工光束130与工件的相互作用产生。根据一个实施例，分析设备包括探测器133，其被配置为分析第四辐射183。根据一个实施例，定义激光辐射104的光束路径120的光学元件(例如，光学元件131，如图6所示)被配置成从光束路径120耦合输出第四辐射183的至少一部分。这样，当第四辐射183被布置在光束路径120外部时，也可以使探测器可访问第四辐射183，例如如图6所示。
如上所述，根据一个实施例，根据本文所公开的主题的分析设备被配置成分析一下至少一种：
-第一辐射132；
-第二辐射156；
-第三辐射142；
-第四辐射183。
因此，根据一个实施例，本文公开的主题含义内的一种分析设备包括以下至少一种：
-功率计128，
-定位装置144，
-定位装置244，
-探测器133。
图7示出了根据本文公开的主题的实施例的激光装置185的侧视图。
根据一个实施例，根据一个实施例，激光设备185包括至少两个激光加工设备100、200，如参考图1至图6所描述的。根据一个实施例，至少两个激光加工设备100、200被集成到单个激光头189中。本文公开的目的的实施例所实现的是，可以将多个激光加工设备100、200集成到单个激光头189中，并且由此，对于每个激光加工设备，可以独立于激光设备185的其他激光加工设备的加工光束来调整其加工光束的参数。这特别是通过使用基于形成加工光束的激光辐射的辐射而实现的。
根据一个实施例，激光设备185包括第一传输装置，例如传送带186，工件140可利用其在第一传输方向187上移动。根据一个实施例，激光设备185包括第二传输装置188，激光头189可借助于第二传输装置横向于第一传输方向187(例如垂直于第一传输方向187)移动。根据一个实施例，第二传送装置188包括导轨190和用于使激光头189相对于导轨190移动的致动器191。根据一个实施例，致动器191由线性马达形成。
根据一个实施例，至少两个激光加工设备的控制装置由单个公共控制装置形成。
应当注意，如本文所描述的光学元件不限于如在一些实施例中所描述的专用实体。相反，本文公开的主题可以以多种方式实现，同时仍然提供所公开的特定功能。
应注意，本文公开的每个实体(例如，元件、组件、单元或设备)不限于如在一些实施例中描述的专用实体。相反，可以在设备层面或在过程步骤层面以各种方式提供本文描述的主题，同时仍然提供所指示的功能。此外，应当注意，根据实施例，可以为本文公开的每个功能提供单独的实体。根据其他实施例，实体可以被配置为提供如本文所述的两个或更多个功能。根据其他实施例，两个或更多个实体可被配置为共同提供如本文所述的功能。例如，分析设备可以包括两个或更多个分析单元，每个分析单元提供分析设备的部分功能。
根据一个实施例，控制装置包含处理器装置，该处理器装置包括至少一个处理器，用于执行至少一个程序元素，该程序元素可以对应于相应的软件模块。
当然，参考激光辐射的光学布置或光学几何的定义也可以参考激光辐射的辐射路径类似地定义，反之亦然。在这方面，本文对激光辐射的任何引用类似地公开了对激光辐射的辐射路径的引用，反之亦然。
需要指出的是，本文所描述的实施例仅代表本发明可能实施例的有限选择。因此，可以将不同实施例的特征以合适的方式相互组合，使得不同实施例的大量组合对于本领域技术人员来说可以认为是通过本文明确公开的实施例一起公开的。例如，图6所示的图像传感器184也可以包含在图1所示的激光加工设备100中。此外，偏振器116也可以包含在图6的激光加工设备200中，例如在光学元件182和光学元件131之间。
还应注意，诸如“一个”或“一种”之类的术语不排除复数形式。诸如“包含”或“包括”之类的术语不排除其他特征或处理步骤。因此，根据一个实施例，术语“包括”或“包含”是指“包括，特别是”。根据另一个实施例，术语“包含”或“包含”代表“由……组成”。根据一个实施例，术语“被设置为”包括但不限于“被配置为”等含义。
还应注意，权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。此外，应当注意，说明书中的任何附图标记以及说明书对附图的引用不应被解释为限制说明书的范围。相反，附图仅说明示例性实施例。
本文公开的主题的多个实施例的特定组合，实施例的任何其他组合同样可能并预期与本申请一起公开。
综上所述：
提供了一种激光加工设备，用于利用由所提供的激光辐射的至少一部分形成的加工光束加工工件，该激光加工设备包括：用于分析辐射的分析设备，该辐射基于激光辐射；以及控制器，其被配置为基于对辐射的分析来调整加工光束的至少一个参数。

Claims (11)

1.一种激光加工设备(100，200)，用于利用加工光束(130)来加工工件(140)，所述加工光束由所提供的激光辐射(104)的至少一部分形成，所述激光加工设备(100，200)包括：
分析装置(128，144，244，133)，用于分析基于所述激光辐射(104)的辐射(132，156，142，183)；
控制装置，被配置为基于对所述辐射的分析来调整所述加工光束(130)的至少一个参数。
2.根据权利要求1所述的激光加工设备(100，200)，其中所述加工光束(130)的至少一个参数包括以下参数中的至少一个：
所述加工光束(130)的功率；
所述加工光束(130)沿着所述加工光束(130)的光束路径(137)的焦点位置；
所述加工光束(130)的光束路径(137)与所述工件(140)交点的位置。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的激光加工设备(100，200)，进一步包括：
光学元件，所述光学元件布置在所述激光辐射(104)的光束路径中；
其中所述辐射包括第一辐射(132)，所述第一辐射是所述激光辐射(104)的经光学元件传输的部分；
特别是，其中所述分析装置进一步包括功率计(128)，所述功率计被配置为基于所述第一辐射(132)确定发射到所述工件(140)上的加工光束(130)的功率，例如通过测量第一辐射的强度以及基于校准确定所述加工光束(130)的功率。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的激光加工设备(100，200)，
其中所述分析装置被设计成通过分析辐射借助于三角测量来确定所述工件(140)的位置；
特别是，其中所述辐射包括第二辐射，所述第二辐射是所述加工光束(130)的由所述工件(140)反射的部分(156)。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的激光加工设备(100，200)，
其中所述分析装置被设计成通过分析所述辐射借助于像散来确定所述工件(140)的位置；
特别是，其中所述辐射包括第三辐射，所述第三辐射是所述加工光束(130)的由所述工件(140)反射的反射部分(142)，所述反射部分被反射回所述加工光束(130)的光束路径(137)；
所述分析装置包括像散透镜(146)和位置敏感探测器(150)；
所述位置敏感探测器(150)和像散透镜(146)被配置为使得所述第三辐射通过像散透镜(146)入射到所述位置敏感探测器(150)上并且所述位置敏感探测器(150)响应于所述第三辐射而提供位置信号(151)。
6.根据权利要求5所述的激光加工设备(100，200)，其中，所述像散透镜(146)布置在所述位置敏感探测器(150)和所述偏振器(116)之间，其中所述加工光束(130)首先通过所述偏振器(116)，并且在相反的方向上，偏振器(116)将来自所述工件(140)的第三辐射偏转到所述位置敏感探测器(150)上。
7.根据权利要求1或2中任一项所述的激光加工设备(100，200)，其中所述辐射包括第四辐射(183)，所述第四辐射由所述加工光束(130)与所述工件(140)的相互作用产生；以及
所述分析装置，被设计用于分析所述第四辐射(183)。
8.根据权利要求1或2中任一项所述的激光加工设备(100，200)，进一步包括布置在所述激光辐射(104)的光束路径中的延迟板(106)和偏振器(116)；
其中所述延迟板(106)被安装为能够绕旋转轴旋转，所述延迟板绕所述旋转轴的旋转引起所述加工光束(130)的偏振方向的旋转，从而使得所述加工光束(130)的由所述偏振器(116)耦合输出的部分的功率能够改变。
9.根据权利要求1或2中任一项所述的激光加工设备(100，200)，进一步包括图像传感器(184)，利用所述图像传感器能够记录由所述工件(140)反射的光(181)以生成所述工件(140)表面的图像数据。
10.一种激光设备(185)，包括：
根据权利要求1至9中任一项所述的至少两个激光加工设备(100，200)；
其中，对于所述至少两个激光加工设备(100，200)中的每个激光加工设备，其加工光束(130)的参数可独立于所述至少两个激光加工设备(100，200)的其他激光加工设备的加工光束(130)进行调整。
11.一种利用加工光束(130)加工工件(140)的方法，所述加工光束由所提供的激光辐射(104)的至少一部分形成，所述方法包括：
分析基于激光辐射(104)的辐射(132，156，142，183)；
基于对所述辐射(132，156，142，183)的分析调整加工光束(130)的至少一个参数。
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