DE102019004337A1

DE102019004337A1 - System zur Fokuslagen-Kontrolle

Info

Publication number: DE102019004337A1
Application number: DE102019004337.5A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kramer; Otto Märten; Stefan Wolf; Johannes Roßnagel; Roman Niedrig
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2020-12-24
Anticipated expiration: 2039-06-22
Also published as: JP7273999B2; CN114025906B; US20220341778A1; WO2020253898A1; DE102019004337B4; JP2022538036A; WO2020253898A8; CN114025906A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung eines Lichtstrahl-Zustandes, insbesondere zur Bestimmung der Fokuslage eines Lichtstrahls. Die Strahlanalysevorrichtung umfasst eine Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10) mit wenigstens einer ersten Selektionsvorrichtung (11) zur Bildung eines ersten Teilstrahls (41) aus einem ersten Teil-Aperturbereich des ersten Messstrahls (40), und eine Abbildungseinrichtung (16) zur Abbildung des ersten Teilstrahls (41) zur Erzeugung eines ersten Strahlflecks (45) auf eine Detektoreinheit (20) mit einem ortsauflösenden Detektor (21). Ferner umfasst die Strahlanalysevorrichtung eine Auswertungseinheit (25) zur Verarbeitung der Signale der Detektoreinheit (20), zur Bestimmung einer lateralen Position (a1) des ersten Strahlflecks (45), und zur Bestimmung von zeitlichen Änderungen der lateralen Position (a1, a1') des ersten Strahlflecks (45, 45').Die Erfindung betrifft auch ein Optisches System zur Fokuslagen-Kontrolle mit einer Laseroptik und mit einer Strahlanalysevorrichtung.Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Strahlanalyseverfahren sowie Verfahren zur Fokuslagen-Kontrolle einer Laseroptik und zur Fokuslagen-Nachführung einer Laseroptik.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein System zur Fokuslagen-Kontrolle für einen Lichtstrahl bereit, insbesondere ein System zur Fokuslagen-Kontrolle für einen Laserstrahl in Anwendungen zur Lasermaterialbearbeitung.
Die Erfindung betrifft einen Fokuslagensensor. Die Erfindung betrifft auch eine Laser-Optik mit einem Fokuslagensensor zur Überwachung der Fokuslage der Laser-Optik in Echtzeit, also während der Anwendung des Laserstrahls, sowie eine Laser-Optik mit einem Fokuslagensensor zur Steuerung und/oder Regelung der Fokuslage der Laser-Optik.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage eines Lichtstrahls, sowie ein Verfahren zur Überwachung der Fokuslage einer Laser-Optik in Echtzeit, und ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Fokuslage einer Laser-Optik.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine zentrale Aufgabenstellung bei der Lasermaterialbearbeitung ist die Einstellung der axialen Fokuslage des Laserstrahls relativ zum zu bearbeitenden Material oder Werkstück. Bei einer optimalen Prozessführung liegt der Fokus des Laserstrahls nicht zwangsweise direkt auf der Oberfläche des Werkstücks. Vielmehr hängt die optimale Positionierung des Laserstrahl-Fokus zum Werkstück von mehreren Faktoren ab. Der Fokus kann beispielsweise, insbesondere bei der Bearbeitung von Werkstücken mit hoher Materialstärke, innerhalb des Werkstücks liegen, also unterhalb der WerkstückOberfläche. Oftmals ist das Bearbeitungsergebnis empfindlich von der genauen Fokuslage des Laserstrahls abhängig, weshalb es wünschenswert bzw. notwendig ist, dass sich die Positionierung des Laserstrahl-Fokus zum Werkstück nicht während der Bearbeitung ändert.
Bei modernen Laserbearbeitungsanlagen kommen Laser mit einer hohen Brillanz und einer hohen Leistung, oftmals im Bereich von mehreren Kilowatt, zum Einsatz. Aufgrund der Materialeigenschaften in den optischen Elementen von Laserbearbeitungsoptiken führt die hohe Laserleistung zu einer Erwärmung der optischen Elemente. Dadurch wird ein radialer Temperaturgradient in den optischen Elementen erzeugt, der aufgrund der Temperaturabhängigkeit von Materialparametern wie z.B. der Brechzahl in eine Änderung der Brechkraft der optischen Elemente resultiert. Dieser Effekt wird thermischer Fokus-Shift genannt. Dieser thermische Fokus-Shift kann zwar durch geeignete Materialwahl für die optischen Elemente minimiert werden, beispielsweise durch die Verwendung von hochreinen, absorptionsarmen Quarzglas-Sorten, ist aber dennoch praktisch immer vorhanden. Der Effekt wird verstärkt durch die bei der Lasermaterialbearbeitung entstehenden gasförmigen Reaktionsprodukte, die sich auf der Laseroptik oder dem Schutzglas der Laseroptik niederschlagen können und zu einer erhöhten Absorption führen. Somit tragen oftmals besonders die Schutzgläser zu einer unerwünschten, zeitlichen Änderung der Fokuslage der Laseroptik bei.
Zur Lösung dieses Problems sind im Stand der Technik bereits verschiedene Vorrichtungen beschrieben worden, welche eine Bestimmung der tatsächlichen Fokuslage einer Optik zum Ziel haben und damit auch eine Nachführung der Fokuslage ermöglichen sollen.
So wird beispielsweise in der DE 10 2011 054 941 B3 eine Vorrichtung zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage eines über optische Elemente geführten Laserstrahls gezeigt. Dabei wird ein Rückreflex einer der Flächen eines der letzten optischen Elemente vor dem zu bearbeitenden Material verwendet, und am Ort des Fokus des Rückreflexes ist ein Sensor angeordnet. Als Sensor selbst kann gemäß der Lehre der Veröffentlichung jeder Fokussensor verwendet werden, der die Lage des Fokus ausreichend genau bestimmt. Als Beispiel verweist die Veröffentlichung auf einen Fokussensor, wie er in der DE 198 23 951 A1 offenbart ist. Die letztgenannte Veröffentlichung lehrt einen Fokussensor, bei dem ein Eingangsstrahl in einen Referenzstrahl und in einen Probenstrahl aufgeteilt wird, der Referenzstrahl mit einem hochfrequenten Zittersignal moduliert wird, Probenstrahl und Referenzstrahl zur Erzeugung eines Interferenzmusters rekombiniert werden, und das Interferenzmuster mit einer Detektionseinrichtung wiedergegeben wird. Ein Schaltkreis erzeugt aus den Signalen der Detektionseinrichtung ein Fokusänderungskorrektursignal.
Der zitierte Fokussensor ist somit eine hochkomplexe optische Vorrichtung mit bewegten Komponenten und ist darauf angewiesen, dass das die abgezweigten Strahlen eine ausreichende Kohärenz aufweisen.
Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich daraus, dass bei der aus der DE 10 2011 054 941 B3 bekannten Verwendung eines Rückreflex von einer Fläche eines optischen Elements der Laseroptik, insbesondere von einer Fläche eines Schutzglases, üblicherweise nicht sichergestellt werden kann, dass nur der gewünschte Rückreflex einer der Flächen isoliert zur Auswertung herangezogen werden kann. Tatsächlich wird von allen Flächen der optischen Elemente der Laseroptik jeweils ein Rückreflex erzeugt, so dass insgesamt mehrere axial überlagerte Rückreflexe vorliegen. Wird nun der Fokussensor auf einen der multiplen Rückreflexe eingerichtet, um dessen Fokuslagenänderung zu erfassen, so treten die übrigen der multiplen Rückreflexe als Störsignale auf, welche die Genauigkeit verringern oder sogar die sichere Erkennung der Fokuslage verhindern können.
Eine zur DE 10 2011 054 941 B3 vergleichbare Anordnung ist in der DE 10 2007 053 632 A1 offenbart. Hier wird die Verwendung eines an einer optischen Fläche koaxial rückreflektierten Teilstrahls gelehrt, der über einen Strahlteiler vom Hauptstrahl separiert wird und damit zur Strahlanalyse zur Verfügung steht. Als Sensor für eine Strahlanalyse ist u.a. ein Hartmann-Shack-Sensor angegeben. Mit einem Hartmann-Shack-Sensor wird Form und Krümmung der Wellenfront eines Strahls bestimmt. Aus den Informationen über die Wellenfront-Krümmung kann auch auf die Fokuslage zurückgerechnet werden.
Die Verwendung eines Hartmann-Shack-Sensors als Fokussensor ist jedoch ebenfalls mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Hartmann-Shack-Sensor, auch Wellenfrontsensor genannt, besteht im Wesentlichen aus einem Linsenarray und einem ortsauflösenden Detektor, der im Abstand der Brennweite der Einzellinsen des Linsenarrays angeordnet ist. Auf dem Detektor des Wellenfrontsensors entsteht daher bei Beleuchtung mit einem Lichtstrahl eine Vielzahl von einzelnen Fokuspunkten in einer regelmäßigen Anordnung, die der Geometrie des Linsenarrays entspricht. Die seitliche Lage der einzelnen Fokuspunkte ist abhängig von der lokalen Neigung der Wellenfront des Lichtstrahls an den jeweils zugehörigen Sub-Aperturen, die durch die Einzellinsen des Linsenarrays gebildet werden. Somit kann aus der Gesamtheit der Lage der Fokuspunkte die Geometrie der Wellenfront rekonstruiert werden, die der Lichtstrahl vor dem Linsenarray aufweist. Insbesondere kann dadurch auch die globale Krümmung der Wellenfront bestimmt werden und damit auf die Fokuslage des Lichtstrahls zurückgerechnet werden.
Dabei ergibt sich als eine der möglichen Schwierigkeiten ein Eindeutigkeits-Problem. Wenn die Wellenfront stark verzerrt ist, also lokal große Neigungen aufweist, dann kann die seitliche Position des Fokuspunktes, der zur entsprechenden Sub-Apertur gehört, so weit seitlich verschoben werden, dass der Fokuspunkt bereits in die Zelle des benachbarten Fokuspunktes rutscht. Dann kann der Wellenfrontsensor nicht mehr zuordnen, welcher Fokuspunkt zu welcher Sub-Apertur gehört. Bei einem Wellenfrontsensor muß daher gefordert werden, dass der zu messende Strahl nur kleine Abweichungen von einer ebenen Wellenfront aufweist, und/oder dass die Winkel der Schwerpunkt-Achsen der Teilstrahlen zur Optischen Achse kleiner sind als der halbe Öffnungswinkel der Teilstrahlen, die von den Einzellinsen des Linsenarrays fokussiert werden. Um dies zu erreichen, sind üblicherweise die Brennweiten der Einzellinsen des Linsenarrays klein, beispielsweise im Vergleich zum Durchmesser des Lichtstrahls, und entsprechend ist der Abstand zwischen Linsenarray und Detektor gering. Das bedeutet aber gleichzeitig, dass die Sensitivität der seitlichen Lage der Fokuspunkte auf dem Detektor gegenüber Änderungen der axialen (Objekt- oder Zwischen-) Fokuslage des Lichtstrahls relativ gering ist.
Eine weitere Schwierigkeit der bekannten Wellenfrontsensoren ist, dass eine Auswertung der Fokuspunkt-Positionen der Sub-Aperturen nicht mehr sinnvoll möglich ist, wenn der zu vermessende Lichtstrahl eigentlich aus einer Überlagerung von mehreren Lichtstrahlen oder multiplen Laserstrahl-Rückreflexen mit voneinander abweichenden Fokuslagen besteht. Dies ist jedoch gerade die bereits aufgezeigte, typische Situation, die bei der Erzeugung von Messstrahlen oder Probenstrahlen durch Rückreflexion an Flächen der Elemente von Laseroptiken auftritt. Die bekannten Wellenfrontsensoren würden aufgrund der dann auftretenden multiplen Vielzahl von Fokuspunkten auf dem Detektor, die nicht zugeordnet werden können, keine zuverlässigen Ergebnisse liefern.
Die in der DE 10 2015 001 421 B4 offenbarte Vorrichtung umgeht dieses Problem, indem zur Erzeugung eines zur Strahlanalyse verwendeten Rückreflexes ein zusätzliches Element in den fokussierten Strahl der Laseroptik eingebracht wird, wobei die Krümmung der teilreflektierenden Fläche des zusätzlichen Elements an die mittlere Krümmung der Wellenfront des fokussierten Strahls angepasst ist. Dadurch wird einerseits der Strahl genau in sich selbst zurückreflektiert, so dass die Fokuspositionen von anderen, unerwünschten Rückreflexen axial soweit entfernt sind, dass diese nicht mehr stören, und andererseits kann der Teilreflexionsgrad des zusätzlich eingebrachten Elements höher gewählt werden, um den Stör-Abstand zu den übrigen Reflexen zu verringern. Dadurch, dass dazu ein zusätzliches Element in den Strahlengang eingebracht wird, ist dieses Verfahren jedoch nicht für eine Fokuslagen-Bestimmung und -Korrektur in Echtzeit während der Laserbearbeitung geeignet.
Die DE 10 2013 227 031 A1 zeigt eine weitere Vorrichtung zum Korrigieren einer Brennweitenverschiebung, bei der ein vom Schutzglas reflektierter Anteil des Lichtstrahls in einen Messstrahlengang auf einen Sensor zur Strahlanalyse abgelenkt wird. Der vom Schutzglas reflektierte Anteil wird im Messstrahlengang durch eine Blende geführt, wodurch Störstrahlen ausgeblendet werden, die von anderen Teilen der Vorrichtung reflektiert werden. Um die gewünschte Störstrahl-Ausblendung zu erreichen, ist eine Schrägstellung des Schutzglases und/oder die Verwendung von Keilplatten zur Umlenkung des reflektierten Strahls vorgesehen. Als Sensor lehrt die Veröffentlichung die Verwendung einer CCD-Kamera oder einer CMOS-Kamera. Damit soll eine Vermessung gemäß DIN ISO 11146 erreicht werden, und die Bestimmung der tatsächlich vorliegenden Brennweite soll mittels ABCD-Matrixrechnung erfolgen.
Die DE 10 2011 007 176 A1 lehrt ebenfalls die Verwendung eines Rückreflexes vom Schutzglas und die Erfassung der rückreflektierten Strahlung mit einem Detektor zur Bestimmung der Fokusposition. Das Schutzglas ist hierbei unter einem so großen Kippwinkel angeordnet, dass die rückreflektierte Strahlung direkt zur Seite umgelenkt wird und keine weitere Strahlteilung erforderlich ist. Zum Ausblenden der von einer der Seiten des Schutzglases rückreflektierten Strahlung ist eine Blende vorgesehen. Die Bestimmung der Fokusposition des Laserstrahls erfolgt durch Auswertung der Größe bzw. des Durchmessers der Laserstrahlung auf dem Detektor.
Die Verwendung von schräggestellten Schutzgläsern ist im Allgemeinen nachteilig, da hierdurch ein Astigmatismus im fokussierten Laserstrahl erzeugt werden kann. Zudem wird der Arbeitsabstand verringert, und die üblicherweise zum Austausch des Schutzglases vorgesehenen Konstruktionen, wie beispielsweise Schubladen oder Schraubfassungen, werden aufwändiger. Die Verwendung von Keilplatten zur Strahlteilung oder Strahlablenkung erfordert ebenfalls aufwändigere Konstruktionen.
Die im Stand der Technik zum Einsatz kommenden Fokussensoren sind also sehr komplex, beispielsweise bei auf interferometrischer Basis arbeitenden Vorrichtungen, oder es werden Strahlvermessungen in Anlehnung an die DIN ISO 11146 durchgeführt, was zur Bestimmung einer Fokuslage sehr aufwändig ist, wenn eine hohe Genauigkeit erreicht werden soll, weil dazu die Strahlkaustik in vielen Ebenen erfasst werden muss, oder es werden Wellenfrontsensoren verwendet, was nur in einem eingeschränkten Empfindlichkeitsbereich möglich ist und bei multiplen Rückreflexen zu Problemen bei der Auswertung führt. Multiple Rückreflexe führen offenbar bei allen bekannten Fokussensoren zu Funktionseinschränkungen und/oder zu verringerter Genauigkeit, weshalb üblicherweise versucht wird, diese Reflexe mit mehr oder minder wirksamen und komplexen Maßnahmen einzuschränken oder auszuschalten. Weitere Probleme können bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen entstehen, wenn die Strahlqualität des für einen Laserbearbeitungsprozess genutzten Laserstrahls nicht konstant ist, sondern zeitlich schwankt. Dann können Änderungen im Strahldurchmesser des vom Fokussensor erfassten Rückreflexes auftreten, die fälschlicherweise als Änderung der Fokuslage interpretiert werden können.
Es existiert somit ein Bedarf für einen einfachen, robusten und hochempfindlichen Fokuslagensensor, welcher in der Lage ist, Messstrahlen auch bei Existenz störender multipler Rückreflexe auszuwerten, und der unempfindlich ist gegenüber Änderungen der Strahlqualität des zugrundeliegenden Strahls. Es existiert auch ein Bedarf für verbesserte Systeme zur Fokuslagen-Kontrolle und zur Nachführung des Laserstrahlfokus bei Laseroptiken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, ein System zur Fokuslagen-Kontrolle mit einem verbesserten Fokuslagensensor zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung eines Zustandes eines Strahls aus Licht vorgeschlagen, die eine Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung, die zum Empfang eines ersten Messstrahls eingerichtet ist, und die wenigstens eine erste Selektionsvorrichtung zur Bildung eines ersten Teilstrahls aus einem ersten Teil-Aperturbereich des ersten Messstrahls beinhaltet, und die weiterhin eine Abbildungseinrichtung mit wenigstens einem abbildenden optischen Element beinhaltet. Die Strahlanalysevorrichtung enthält weiterhin eine Detektoreinheit mit wenigstens einem zumindest eindimensional ortsauflösenden lichtempfindlichen Detektor, die in einem Abstand zur Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung angeordnet ist, und eine Auswertungseinheit zur Verarbeitung von Signalen der Detektoreinheit. Die erste Selektionsvorrichtung ist bezüglich einer für die Einstrahlung des ersten Messstrahls vorgesehenen optischen Achse außermittig angeordnet. Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, den ersten Teilstrahl zur Erzeugung eines ersten Strahlflecks auf die Detektoreinheit abzubilden. Die Detektoreinheit ist zur Erfassung einer Intensitätsverteilung des ersten Strahlflecks eingerichtet ist. Die Auswertungseinheit ist zur Bestimmung einer lateralen Position des ersten Strahlflecks eingerichtet. Die Auswertungseinheit ist weiterhin zur Bestimmung von zeitlichen Änderungen der lateralen Position des ersten Strahlflecks eingerichtet.
Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der eine Änderung einer axialen Fokus-Position oder Zwischenfokus-Position des Messstrahls korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position des ersten Strahlflecks auf der Detektoreinheit.
Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der ein radialer Abstand des Mittelpunktes des durch die erste Selektionsvorrichtung definierten ersten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse mindestens so groß ist wie eine Breite des ersten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
Es ist weiterhin eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Auswertungseinheit eingerichtet ist zur Bestimmung der lateralen Position des ersten Strahlflecks mittels Berechnung des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung des Strahlflecks, und/oder mittels Bestimmung eines Randes oder einer Umfangskontur des Strahlflecks, und/oder mittels Bestimmung einer geometrischen Mitte des Strahlflecks, und/oder mittels Anpassung einer Soll-Intensitätsverteilung an die erfasste Intensitätsverteilung des Strahlflecks.
Bei einer weiteren möglichen Vorrichtung ist die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung zum Empfang des ersten Messstrahls und wenigstens eines zweiten Messstrahls eingerichtet, wobei die Messstrahlen auf der gleichen optischen Achse überlagert sind.
Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Auswertungseinheit eingerichtet ist zur Identifizierung wenigstens zweier Strahlflecke in einer von der Detektoreinheit erfassten Intensitätsverteilung, und zur Bestimmung der lateralen Positionen der wenigstens zwei identifizierten Strahlflecke.
Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung weiterhin wenigstens eine zweite Selektionsvorrichtung zur Bildung eines zweiten Teilstrahls aus einem zweiten Teil-Aperturbereich des ersten Messstrahls beinhaltet, und bei der die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, den zweiten Teilstrahl zur Erzeugung eines zweiten Strahlflecks auf die Detektoreinheit abzubilden.
Es ist weiterhin eine Vorrichtung vorgesehen, bei der ein radialer Abstand des Mittelpunktes des durch die zweite Selektionsvorrichtung definierten zweiten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse mindestens so groß ist wie eine Breite des zweiten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
Bei einer weiteren möglichen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der durch die erste Selektionsvorrichtung ausgewählte erste Teil-Aperturbereich und der durch die zweite Selektionsvorrichtung ausgewählte zweite Teil-Aperturbereich nicht aneinandergrenzen, und dass ein Abstand vom Mittelpunkt des ersten Teil-Aperturbereichs zum Mittelpunkt des zweiten Teil-Aperturbereichs mindestens so groß ist wie die Summe der Breiten des ersten und des zweiten Teil-Apertur-Bereichs.
Es ist ferner auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der vor der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung ein teilreflektierender Strahlteiler angeordnet ist zur Erzeugung des Messstrahls mittels Auskopplung eines definierten Strahlanteils aus einem auf den Strahlteiler gerichteten Lichtstrahl oder Laserstrahl.
Es ist auch ein Optisches System vorgesehen, welches eine Laseroptik für einen Laserstrahl und eine Strahlanalysevorrichtung wie zuvor beschrieben beinhaltet. Die Laseroptik enthält einen teilreflektierenden Strahlteiler zur Auskopplung des Messstrahls aus dem Laserstrahl hin zu der Strahlanalysevorrichtung. Die Strahlanalysevorrichtung ist zum Empfang des über den Strahlteiler ausgekoppelten Messstrahls eingerichtet.
Es ist weiterhin ein Optisches System vorgesehen, welches eine Laseroptik für einen Laserstrahl und eine Strahlanalysevorrichtung wie zuvor beschrieben beinhaltet, wobei die Laseroptik wenigstens folgende Elemente beinhaltet: eine Grenzfläche eines optischen Elements der Laseroptik zur Erzeugung eines teilreflektierten Strahls aus dem Laserstrahl, und einen teilreflektierenden Strahlteiler zur Auskopplung des Messstrahls aus dem teilreflektierten Strahl hin zu der Strahlanalysevorrichtung. Die Strahlanalysevorrichtung ist zum Empfang des über den Strahlteiler ausgekoppelten Messstrahls eingerichtet.
Es ist ein Optisches System vorgesehen, welches eine Laseroptik für einen Laserstrahl und eine Strahlanalysevorrichtung wie zuvor beschrieben beinhaltet, wobei die Laseroptik wenigstens folgende Elemente beinhaltet: eine Grenzfläche eines optischen Elements der Laseroptik zur Erzeugung eines teilreflektierten Strahls aus dem Laserstrahl, wenigstens eine weitere Grenzfläche eines optischen Elements der Laseroptik zur Erzeugung wenigstens eines weiteren teilreflektierten Strahls aus dem Laserstrahl, und einen teilreflektierenden Strahlteiler zur Auskopplung des ersten Messstrahls aus dem teilreflektierten Strahl und zur Auskopplung wenigstens eines zweiten Messstrahls aus dem wenigstens einen weiteren teilreflektierten Strahl hin zu der Strahlanalysevorrichtung. Die Strahlanalysevorrichtung ist zum Empfang des über den Strahlteiler ausgekoppelten Messstrahls eingerichtet.
Es ist auch ein Optisches System vorgesehen, bei dem die Grenzfläche zur Erzeugung des teilreflektierten Strahls die als letztes vom Laserstrahl transmittierte Grenzfläche ist, bevor der Laserstrahl aus der Laseroptik austritt.
Es ist ein Optisches System vorgesehen, bei dem die Laseroptik eingerichtet ist zur Erzeugung eines Laserstrahl-Fokus, und bei dem eine Änderung einer axialen Position des Laserstrahl-Fokus korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position des ersten Strahlflecks.
Es ist auch ein Optisches System vorgesehen, bei dem die Laseroptik mit einer Führungsmaschine verbunden ist, die zum Einstellen einer axialen Position eines Laserstrahl-Fokus der Laseroptik eingerichtet ist, und bei dem eine Steuerung der Führungsmaschine mit der Auswertungseinheit gekoppelt ist zum Empfang von Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks auf der Detektoreinheit ermittelt sind.
Es ist schließlich ein Optisches System vorgesehen, bei dem die Laseroptik eine axial bewegbare Linse oder Linsengruppe enthält, deren Position mittels einer Translationseinrichtung einstellbar ist, und wobei die Translationseinrichtung eingerichtet ist zur Steuerung der Position der Linse oder der Linsengruppe in Abhängigkeit eines von der Auswertungseinheit bereitgestellten Wertes, der aus der Position des zumindest einen Strahlflecks auf der Detektoreinheit bestimmt ist.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird auch ein Strahlanalyseverfahren zur Bestimmung eines Zustandes eines Strahls aus Licht vorgeschlagen, das die folgenden Schritte beinhaltet: Es wird ein erster Teilstrahl aus einem ersten Messstrahl gebildet durch Auswählen eines ersten Teil-Aperturbereichs aus dem Messstrahl, wobei der erste Teil-Aperturbereich außermittig bezüglich einer optischen Achse des Messstrahls angeordnet ist. Der erste Teilstrahl wird abgebildet auf eine Detektoreinheit zur Erzeugung eines ersten Strahlflecks auf der Detektoreinheit, wobei die Detektoreinheit wenigstens einen zumindest eindimensional ortsauflösenden lichtempfindlichen Detektor beinhaltet. Eine Intensitätsverteilung wird mittels der Detektoreinheit registriert, wobei die Intensitätsverteilung Strahlintensitätswerte des ersten Strahlflecks enthält. Eine laterale Position des ersten Strahlflecks wird aus der registrierten Intensitätsverteilung bestimmt. Zeitliche Änderungen der lateralen Position des ersten Strahlflecks werden bestimmt. Die laterale Position des ersten Strahlflecks oder ein Änderungswert der lateralen Position oder ein Wert, welcher aus der lateralen Position oder aus der Änderung der lateralen Position ermittelt ist, wird bereitgestellt.
Es ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine Änderung einer axialen Fokus-Position oder Zwischenfokus-Position des ersten Messstrahls korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position des ersten Strahlflecks auf der Detektoreinheit.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem ein radialer Abstand des Mittelpunktes des ersten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse mindestens so groß ist wie eine Breite des ersten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem das Bestimmen der lateralen Position des ersten Strahlflecks mindestens einen der nachfolgend aufgeführten Schritte beinhaltet: Berechnen des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung des Strahlflecks, Bestimmen eines Randes oder einer Umfangskontur des Strahlflecks, Bestimmen einer geometrischen Mitte des Strahlflecks, Anpassen einer Soll-Intensitätsverteilung an die erfasste Intensitätsverteilung des Strahlflecks.
Es ist auch ein Verfahren mit den folgenden weiteren Verfahrensschritten vorgesehen: Bilden eines weiteren ersten Teilstrahls aus einem zweiten Messstrahl durch Auswählen des ersten Teil-Aperturbereichs aus dem zweiten Messstrahl, wobei der erste Messstrahl und der zweite Messstrahl auf der gleichen optischen Achse überlagert sind, und Abbilden des weiteren ersten Teilstrahls des zweiten Messstrahls auf die Detektoreinheit zur Erzeugung eines weiteren ersten Strahlflecks auf der Detektoreinheit.
Es ist ein Verfahren mit den folgenden weiteren Verfahrensschritten vorgesehen: Identifizieren wenigstens zweier Strahlflecke in der von der Detektoreinheit registrierten Intensitätsverteilung, und Bestimmen von lateralen Positionen der wenigstens zwei identifizierten Strahlflecke.
Es ist weiterhin ein Verfahren mit den folgenden weiteren Verfahrensschritten vorgesehen: Bilden eines zweiten Teilstrahls aus dem ersten Messstrahl durch Auswählen eines zweiten Teil-Aperturbereichs aus dem Messstrahl, Abbilden des zweiten Teilstrahls auf die Detektoreinheit zur Erzeugung eines zweiten Strahlflecks auf der Detektoreinheit.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem ein radialer Abstand des Mittelpunktes des zweiten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse mindestens so groß ist wie eine Breite des zweiten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
In einem weiteren vorgesehenen Verfahren grenzen der erste Teil-Aperturbereich und der zweite Teil-Aperturbereich nicht aneinander. Dabei ist ein Abstand vom Mittelpunkt des ersten Teil-Aperturbereichs zum Mittelpunkt des zweiten Teil-Aperturbereichs mindestens so groß wie die Summe der Breiten des ersten und des zweiten Teil-Apertur-Bereichs.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem der erste Messstrahl mittels Auskopplung eines definierten Strahlanteils aus einem Lichtstrahl oder Laserstrahl erzeugt wird.
Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem der erste Messstrahl gebildet wird durch Auskoppeln eines definierten Strahlanteils aus einem in einer Laseroptik geführten Laserstrahl mittels eines teilreflektierenden Strahlteilers, der in der Laseroptik angeordnet ist.
Es ist ein Verfahren mit den folgenden zusätzlichen Verfahrensschritten vorgesehen: Erzeugung eines teilreflektierten Strahls aus einem in einer Laseroptik geführten Laserstrahl durch Teilreflexion an einer Grenzfläche eines optischen Elements der Laseroptik, Propagieren des teilreflektierten Strahls entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls, und Erzeugen des ersten Messstrahls durch Auskoppeln eines definierten Strahlanteils aus dem teilreflektierten Strahl mittels eines teilreflektierenden Strahlteilers, der in der Laseroptik angeordnet ist.
Es ist auch ein Verfahren mit den folgenden zusätzlichen Verfahrensschritten vorgesehen: Erzeugung wenigstens eines weiteren teilreflektierten Strahls aus dem in der Laseroptik geführten Laserstrahl durch Teilreflexion an wenigstens einer weiteren Grenzfläche eines optischen Elements der Laseroptik, Propagieren des weiteren teilreflektierten Strahls entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls, und Erzeugen eines zweiten Messstrahls durch Auskoppeln eines definierten Strahlanteils aus dem weiteren teilreflektierten Strahl mittels des teilreflektierenden Strahlteilers.
Es ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Grenzfläche zur Erzeugung des teilreflektierten Strahls die als letztes vom Laserstrahl transmittierte Grenzfläche ist, bevor der Laserstrahl aus der Laseroptik austritt.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem mittels der Laseroptik ein Laserstrahl-Fokus erzeugt wird, und bei dem eine Änderung einer axialen Position des Laserstrahl-Fokus korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position des ersten Strahlflecks.
Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine axiale Position eines Laserstrahl-Fokus der Laseroptik relativ zu einem Werkstück mittels einer mit der Laseroptik verbundenen Führungsmaschine eingestellt wird, und wobei Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks auf der Detektoreinheit ermittelt sind, an eine Steuerung der Führungsmaschine übermittelt werden.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine axiale Position eines Laserstrahl-Fokus eingestellt wird mittels einer in der Laseroptik angeordneten axial bewegbaren Linse oder Linsengruppe, deren Position mittels einer Translationseinrichtung eingestellt wird, und wobei Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks auf der Detektoreinheit bestimmt sind, an die Translationseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Position der Linse oder der Linsengruppe übermittelt werden.
Es ist schließlich auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Position des Laserstrahl-Fokus relativ zu einem Werkstück während einer Lasermaterialbearbeitung in einer definierten Lage gehalten wird.
Figurenliste
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen und Beispiele beschränkt zu sein. Vielmehr sind auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen in verschiedenen Figuren dargestellte Merkmale kombiniert sein können. Es zeigt:

1: Eine schematische Darstellung einer ersten, grundlegenden Ausführungsform des Fokuslagensensors.
2: Eine schematische Darstellung der ersten, grundlegenden Ausführungsform des Fokuslagensensors wie in 1 mit zusätzlicher Darstellung einer Änderung der Messstrahl-Fokuslage.
3: Eine schematische Darstellung einer zweiten, grundlegenden Ausführungsform des Fokuslagensensors.
4: Eine schematische Darstellung einer dritten, grundlegenden Ausführungsform des Fokuslagensensors.
5: Eine schematische Darstellung der Strahlfleck-Position und einer Änderung der Strahlfleck-Position auf der Detektoreinheit für Ausführungsformen des Fokuslagensensors gemäß den 1 bis 4.
6: Eine schematische Darstellung einer Detektoreinheit mit einem Zeilendetektor.
7: Eine schematische Darstellung einer Detektoreinheit mit einem zweidimensional ortsauflösenden Detektor.
8: Eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Fokuslagensensors mit zwei Selektionsvorrichtungen und mit zwei Detektoren in der Detektoreinheit.
9: Eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des Fokuslagensensors mit zwei Selektionsvorrichtungen und mit zwei Detektoren.
10: Eine schematische Darstellung der Strahlfleck-Position und einer Änderung der Strahlfleck-Position auf einer Detektoreinheit mit zwei Detektoren, für Ausführungsformen des Fokuslagensensors wie in den 8 und 9.
11: Eine schematische Darstellung der Strahlfleck-Position und einer Änderung der Strahlfleck-Position für Ausführungsformen des Fokuslagensensors mit zwei Selektionsvorrichtungen, auf einer Detektoreinheit mit nur einem Detektor, gemäß Ausführungsformen des Fokuslagensensors die in den nachfolgenden Figuren dargestellt sind.
12: Eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des Fokuslagensensors mit zwei Selektionsvorrichtungen, mit einer Strahlseparatoreinrichtung und mit einem Detektor.
13: Eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform des Fokuslagensensors.
14: Eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform des Fokuslagensensors.
15: Eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform des Fokuslagensensors.
16: Eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform des Fokuslagensensors.
17: Eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform des Fokuslagensensors mit einer optischen Verkürzung des Abstandes von der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung zur Detektoreinheit.
18: Eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform des Fokuslagensensors.
19: Eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform des Fokuslagensensors.
20: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Fokuslagensensors ähnlich der in 15 gezeigten neunten Ausführungsform. Im hier gezeigten Beispiel empfängt der Fokuslagensensor zwei überlagerte Messstrahlen mit unterschiedlichen Zwischenfokus-Positionen.
21: Eine schematische Darstellung der Strahlfleck-Positionen auf der Detektoreinheit mit mehreren Strahlflecken, die von zwei überlagerten Messstrahlen erzeugt werden, gemäß einer Ausführungsform wie in 20 dargestellt.
22: Eine schematische Darstellung in zwei Schnitten einer Ausführungsform eines Fokuslagensensors ähnlich der in 20 gezeigten Ausführungsform, bei der der Fokuslagensensor zwei überlagerte Messstrahlen mit unterschiedlichen Zwischenfokus-Positionen empfängt. Zur verbesserten Auswertung sind in diesem Beispiel zusätzliche Selektionsvorrichtungen in einer zusätzlichen lateralen Richtung angeordnet.
23: Eine schematische Darstellung der Strahlfleck-Positionen auf der Detektoreinheit mit mehreren Strahlflecken, die von zwei überlagerten Messstrahlen erzeugt werden, für einen Fokuslagensensor wie in 22 dargestellt.
24: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Fokuslagensensors ähnlich der in 15 gezeigten neunten Ausführungsform. Im hier gezeigten Beispiel empfängt der Fokuslagensensor zwei überlagerte Messstrahlen mit sehr unterschiedlichen Zwischenfokus-Positionen.
25: Eine schematische Darstellung in zwei Schnitten einer Ausführungsform eines Fokuslagensensors ähnlich der in 24 gezeigten Ausführungsform, bei der der Fokuslagensensor zwei überlagerte Messstrahlen mit sehr unterschiedlichen Zwischenfokus-Positionen empfängt. Zur verbesserten Auswertung sind zusätzliche Selektionsvorrichtungen in einer zusätzlichen lateralen Richtung angeordnet, ähnlich wie in der Ausführungsform nach 22. Die Strahlseparatoreinrichtung umfasst in diesem Beispiel Teilapertur-Linsen in den beiden lateralen Koordinaten-Richtungen mit deutlich unterschiedlicher Brennweite.
26: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor, bei dem der Fokuslagensensor einen teilreflektierten Strahl auswertet, der insbesondere vom Kollimationsteil der Laseroptik beeinflusst wird.
27: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor, bei dem der Fokuslagensensor einen teilreflektierten Strahl auswertet, der von der gesamten Laseroptik beeinflusst wird.
28: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und mit einem Fokuslagensensor wie in 1 oder 2 mit nur einer Selektionsvorrichtung. Zusätzlich ist eine durch einen thermischen Fokus-Shift geänderte Fokuslage des Laserstrahls der Laseroptik dargestellt und die dadurch geänderten Strahlen im Fokuslagensensor.
29: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor wie in 15 mit zwei Selektionsvorrichtungen, und mit einer zusätzlichen Darstellung einer durch thermischen Fokus-Shift geänderten Fokuslage des Laserstrahls und der dadurch geänderten Strahlen im Fokuslagensensor.
30: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor wie in 29. Die Laseroptik hat in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine beweglich gelagerte und ansteuerbare Linsengruppe, mittels der die Fokuslage des Laserstrahls eingestellt und nachgeführt werden kann.
31: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und mit zwei Fokuslagensensoren. Ein Fokuslagensensor empfängt einen Messstrahl, der von der äußeren Grenzfläche des Schutzglases teilreflektiert wird, ein anderer Fokuslagensensor empfängt einen Messstrahl, der vor der Fokussierung der Laseroptik ausgekoppelt wird.
32: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor. Der Fokuslagensensor empfängt in diesem Ausführungsbeispiel zwei überlagerte Messstrahlen, wobei ein Messstrahl von der äußeren Grenzfläche des Schutzglases teilreflektiert wird und der andere Messstrahl vor der Fokussierung der Laseroptik ausgekoppelt wird.
33: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor. Der Fokuslagensensor empfängt in diesem Ausführungsbeispiel ähnlich wie im Beispiel von 32 zwei überlagerte Messstrahlen, wobei ein Messstrahl von der äußeren Grenzfläche des Schutzglases teilreflektiert wird und der andere Messstrahl vor der Fokussierung der Laseroptik ausgekoppelt wird. Die Überlagerung der Messstrahlen ist hier so ausgeführt, dass die Zwischenfokusse der Messstrahlen nahe beieinander liegen.
34: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor. In der Abbildung sind weitere Teilreflexionen von Grenzflächen mehrerer Elemente der Laseroptik dargestellt, die typischerweise in der Laseroptik vorhanden sind. Der Fokuslagensensor empfängt daher eine Mehrzahl von überlagerten Messstrahlen, die von den verschiedenen Grenzflächen der optischen Elemente der Laseroptik teil reflektiert werden.
35: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor. Der Fokuslagensensor empfängt in diesem Ausführungsbeispiel zwei überlagerte Messstrahlen, die insbesondere von einer Grenzfläche des Schutzglases und von einer Grenzfläche der Fokussierlinse der Laseroptik erzeugt werden werden. Bei der Auswertung der Strahlfleck-Positionen im Fokuslagensensor kann so der Einfluss des Schutzglases auf die Fokuslagen-Änderung separiert werden.
36: Eine schematische Darstellung eines Optik-Systems mit einer Laseroptik und einem Fokuslagensensor ähnlich wie das Beispiel von 35. Der Fokuslagensensor empfängt in diesem Ausführungsbeispiel zwei überlagerte Messstrahlen, die insbesondere von der äußeren und von der inneren Grenzfläche des Schutzglases erzeugt werden werden. Bei der Auswertung der Strahlfleck-Positionen im Fokuslagensensor kann so ebenfalls der Einfluss des Schutzglases auf die Fokuslagen-Änderung separiert werden.
37: Eine Darstellung einer mit einem Optikrechenprogramm simulierten Intensitätsverteilung auf dem Detektor des Fokuslagensensors für ein Optik-System nach 34, wobei nur die Strahlflecke genutzt werden, die von der ersten Selektionsvorrichtung erzeugt werden.
38: Eine Darstellung eines Schnitts durch die simulierte Intensitätsverteilung von 37.
39: Eine Darstellung zweier simulierter Intensitätsverteilungen für zwei Zustände der Laseroptik, wobei im zweiten Zustand ein thermischer Fokus-Shift im Schutzglas simuliert wurde.
40: Eine Darstellung zweier simulierter Intensitätsverteilungen für zwei Zustände der Laseroptik, wobei im zweiten Zustand ein thermischer Fokus-Shift in allen Elementen der Laseroptik simuliert wurde.
41: Eine Darstellung einer mit einem Optikrechenprogramm simulierten Intensitätsverteilung auf dem Detektor des Fokuslagensensors für ein Optik-System nach 34, wobei Strahlflecke von der ersten und von der zweiten Selektionsvorrichtung erzeugt werden.
42: Eine Darstellung von Schnitten durch die simulierte Intensitätsverteilung von 41 für zwei Zustände der Laseroptik, wobei im zweiten Zustand ein thermischer Fokus-Shift im Schutzglas simuliert wurde. Durch Bestimmung der Abstände von Strahlfleck-Paaren, die jeweils vom gleichen Messstrahl erzeugt werden, kann die Auswertung verbessert werden.
43: Eine Darstellung zur Erläuterung der Bestimmung der lateralen Positionen der Strahlflecke. Im gezeigten Beispiel wird zur Bestimmung der Strahlfleck-Positionen an jeden Strahlfleck eine Soll-Intentensitätsverteilung an die registrierte Intensitätsverteilung angepasst.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG ANHAND DER FIGUREN
In 1 ist eine erste, grundlegende Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Die Figur zeigt einen Fokuslagensensor. Der Fokuslagensensor beinhaltet eine Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 mit einer ersten Selektionsvorrichtung 11 und mit einer Abbildungseinrichtung 16, eine Detektoreinheit 20 mit einem zumindest eindimensional ortsauflösenden lichtempfindlichen ersten Detektor 21, wie beispielsweise einen Zeilendetektor oder einen Kamera-Chip, und eine Auswertungseinheit 25, die mit der Detektoreinheit 20 verbunden ist. Die Auswertungseinheit 25 registriert die Signale von der Detektoreinheit 20 und wertet sie aus. Die Detektoreinheit 20 ist hinter der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 mit einem Abstand z_os zur Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 angeordnet. Es ist vorgesehen, einen Messstrahl 40 entlang der Optischen Achse 39 in Richtung auf die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 einzustrahlen. Der Messstrahl 40 kann beispielsweise einen Zwischenfokus 80 auf der Optischen Achse 39 aufweisen; der Messstrahl 40 kann aber auch kollimiert oder divergent oder konvergent sein. Durch die erste Selektionsvorrichtung 11 der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 wird aus dem Messstrahl 40 ein erster Teilstrahl 41 ausgeschnitten. Mittels einem abbildenden optischen Element 17, welches Bestandteil der Abbildungseinrichtung 16 ist, beispielsweise einer optischen Linse, wird der erste Teilstrahl 41 auf die Detektoreinheit 20 abgebildet und bildet dort einen ersten Strahlfleck 45. Die erste Selektionsvorrichtung 11 ist zur Optischen Achse 39 außermittig angeordnet. Der Mittelpunkt der ersten Selektionsvorrichtung 11 hat einen lateralen oder radialen Abstand r₁ zur Optischen Achse 39. Die Selektionsvorrichtung 11 und damit der erste Teil-Aperturbereich hat eine Breite d₁ in radialer Richtung. Die erste Selektionsvorrichtung 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Berandung des abbildenden optischen Elements 17 ausgebildet. Außerhalb der ersten Selektionsvorrichtung 11 kann in diesem Ausführungsbeispiel Strahlung des Messstrahls 40 an der Selektionsvorrichtung 11 vorbei auf die Detektoreinheit 20 gelangen. Ein dadurch erzeugter Signal-Untergrund ist so gering, dass er vernachlässigbar ist und die Auswertung der Detektor-Signale nicht stört. Die Auswertungseinheit 25 ist dazu eingerichtet, aus der vom Detektor 21 der Detektoreinheit 20 registrierten Intensitätsverteilung eine laterale Position a₁ des ersten Strahlflecks 45 zu bestimmen. Die laterale Position a₁ des ersten Strahlflecks 45 ist unter anderem abhängig von der axialen Lage des Zwischenfokus 80 des Messstrahls 40. Die laterale Position a₁ ist somit ein relatives Maß für die Fokuslage des Messstrahls 40.
2 zeigt die gleiche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fokuslagensensors wie 1. In 2 sind zusätzlich geänderte Strahlen dargestellt, die beispielsweise durch eine axiale Verschiebung des Fokus oder des Zwischenfokus des Messstrahls 40 entstanden sind. Die Elemente der mit einem Strich versehenen Bezugszeichen beziehen sich dabei auf die geänderten Strahlen und Größen. Auf diese Weise wird der Zusammenhang zwischen der axialen Lage des Zwischenfokus 80 des Messstrahls 40 und der lateralen Position a₁ des ersten Strahlflecks 45 veranschaulicht. Dazu ist in 2a beispielhaft zusätzlich zum ursprünglichen Messstrahl 40 ein verschobener Messstrahl 40' eingezeichnet, dessen Zwischenfokus-Lage 80' um einen kleinen Betrag weiter weg von der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 liegt. Dadurch hat der Hauptstrahl des verschobenen ersten Teilstrahls 41' einen geänderten Winkel zur Optischen Achse 39. Somit ändert sich auch die laterale Position a' des ersten Strahlflecks 45' auf der Detektoreinheit 20. Im gezeigten Beispiel mit dem weiter entfernten Zwischenfokus 80' wird verschiebt sich die laterale Position des Strahlflecks näher zur Optischen Achse 39. Die Vorrichtung ist somit in der Lage, Änderungen, beispielsweise zeitliche Änderungen, der Fokuslage des Mess-Strahls 40 genau zu verfolgen.
In 3 ist eine zweite, grundlegende Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Der Fokuslagensensor unterscheidet sich von der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform in der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10, die hier eine zusätzliche Blendeneinrichtung 15 umfasst. Die Blendeneinrichtung 15 weist eine erste Öffnung auf. Dadurch ist hier die erste Selektionsvorrichtung 11 durch die erste Öffnung der Blendeneinrichtung 15 gebildet. Die übrigen Elemente unterscheiden sich nicht von der ersten Ausführungsform, so dass dazu auf die Beschreibung von 1 und 2 verwiesen wird. Durch die Aufteilung der Funktion der Abbildungseinrichtung 16 und der Selektionsvorrichtung 11 in zwei getrennte Elemente können größere Freiheiten bei der konstruktiven Gestaltung genutzt werden. Außerdem wird bei dieser Ausführungsform die Strahlung des Messstrahls 40 außerhalb der ersten Selektionsvorrichtung 11 durch die Blendeneinrichtung 15 blockiert und gelangt dadurch nicht zur Detektoreinheit 20, wodurch ein etwaiger Störstrahlungs-Untergrund verringert werden kann.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Fokuslagensensors, die weitgehend identisch ist mit der zweiten Ausführungsform von 3. Das abbildende optische Element 17 der Abbildungseinrichtung 16, beispielsweise eine optische Linse, ist hier größer ausgeführt und zur optischen Achse 39 zentriert angeordnet. Dadurch wird auch der Strahlfleck 45 auf die optische Achse 39 abgebildet, so dass die Detektoreinheit 20 bzw. der erste Detektor 21 auch zentriert zur optischen Achse 30 angeordnet werden kann.
5 zeigt eine Aufsicht auf die Detektoreinheit 20 des Fokuslagensensors, beispielsweise gemäß den 1 bis 4. Die Darstellung veranschaulicht den Strahlfleck 45 sowie den verschobenen Strahlfleck 45' auf dem ersten Detektor 21 der Detektoreinheit 20 und die entsprechende Änderung der lateralen Position a₁ des ersten Strahlflecks 45 zur geänderten lateralen Position a₁' des verschobenen ersten Strahlflecks 45'.
In 6 ist eine mögliche Ausführung der Detektoreinheit 20 mit einem eindimensional ortsauflösenden Zeilensensor als ersten Detektor 21 dargestellt. Die Orientierung des Zeilensensors ist auf die radiale Richtung ausgerichtet, die durch den radialen Abstand des Mittelpunktes der Selektionsvorrichtung 11 zur optischen Achse 39 definiert ist.
In 7 ist eine weitere mögliche Ausführung der Detektoreinheit 20 mit einem zweidimensional ortsauflösenden Sensor als ersten Detektor 21 dargestellt. Das kann beispielsweise eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera oder ein sonstiger lichtempfindlicher, pixelbasierter Sensor sein.
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Fokuslagensensor in einer vierten Ausführungsform. Der Fokuslagensensor umfasst eine Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10, eine Detektoreinheit 20 und eine Auswertungseinheit 25. Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 beinhaltet hier eine erste Selektionsvorrichtung 11, eine zweite Selektionsvorrichtung 12, und eine Abbildungseinrichtung 16 mit einem abbildenden optischen Element 17 und einem weiteren abbildenden optischen Element 18. Die Detektoreinheit 20 beinhaltet hier einen ersten Detektor 21 und einen zweiten Detektor 22. Die Detektoren 21, 22 sind zumindest eindimensional ortsauflösende lichtempfindliche Detektoren, wie beispielsweise Zeilendetektoren oder Kamera-Chips. Die Auswertungseinheit 25 ist mit der Detektoreinheit 20 verbunden. Die Auswertungseinheit 25 registriert hier die Signale vom ersten Detektor 21 und vom zweiten Detektor 22 und wertet sie aus. Die Detektoreinheit 20 ist hinter der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 mit einem Abstand zos zur Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 angeordnet. Es ist vorgesehen, einen Messstrahl 40 entlang der Optischen Achse 39 in Richtung auf die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 einzustrahlen. Der Messstrahl 40 kann beispielsweise einen Zwischenfokus 80 auf der Optischen Achse 39 aufweisen. Die erste Selektionsvorrichtung 11 ist hier ausgebildet durch die Berandung des abbildenden optischen Elements 17, und die zweite Selektionsvorrichtung 12 ist ausgebildet durch die Berandung des abbildenden optischen Elements 18. Mittels der ersten Selektionsvorrichtung 11 wird ein erster Teil-Aperturbereich aus dem Messstrahl 40 ausgewählt, und mit der zweiten Selektionsvorrichtung 12 wird ein zweiter Teil-Aperturbereich aus dem Messstrahl 40 ausgewählt. Die beiden Teil-Aperturbereiche grenzen nicht aneinander an, sondern sind zueinander radial beabstandet. Die Mittelpunkte der Selektionsvorrichtungen 11, 12 haben jeweils einen lateralen oder radialen Abstand r₁ , r₂ zur Optischen Achse 39. Die Selektionsvorrichtungen 11, 12 und somit auch die ausgewählten Teil-Aperturbereiche haben jeweils eine Breite d₁ , d₂ in radialer Richtung. Aus dem Messstrahl 40 wird durch Auswahl des ersten Teil-Aperturbereichs mittels der ersten Selektionsvorrichtung 11 ein erster Teilstrahl 41 und durch Auswahl des zweiten Teil-Aperturbereichs mittels der zweiten Selektionsvorrichtung 12 ein zweiter Teilstrahl 42 erzeugt. Der beiden Teilstrahlen 41, 42 werden mittels der Abbildungseinrichtung 16 auf die Detektoreinheit 20 abgebildet. Die Abbildungseinrichtung 16 umfasst dazu in diesem Ausführungsbeispiel ein abbildendes optisches Element 17 und ein weiteres abbildendes optisches Element 18, die hier beide als Sammellinsen ausgebildet sind und als Teilapertur-Linsen die Strahlung jeweils eines der ausgewählten Teil-Aperturbereiche fokussieren. Durch die Abbildung mittels der Linse 17 wird der erste Teilstrahl 41 auf den ersten Detektor 21 abgebildet und formt dort einen ersten Strahlfleck 45, analog dazu wird durch Abbildung mittels der Linse 18 der zweite Teilstrahl 42 auf den zweiten Detektor 22 abgebildet und formt dort einen zweiten Strahlfleck 46. Die Verwendung von zwei Detektoren 21, 22 ist nicht erforderlich, es kann auch nur ein erster Detektor 21 zum Einsatz kommen, wenn der Detektor 21 ausreichend groß ist oder wenn die Strahlflecke 45, 46 auf dem Detektor einen ausreichend geringen Abstand a_s zueinander haben. Die Auswertungseinheit 25 ist dazu eingerichtet, aus der von den Detektoren 21, 22 der Detektoreinheit 20 registrierten Intensitätsverteilungen die laterale Position a₁ des ersten Strahlflecks 45 und die laterale Position a₂ des zweiten Strahlflecks 46 zu bestimmen. Die Auswertungseinheit kann weiterhin dazu eingerichtet sein, den Abstand a_s zwischen der lateralen Position a₁ des ersten Strahlflecks 45 und der lateralen Position a₂ des zweiten Strahlflecks 46 zu bestimmen. In der 8 sind zusätzlich geänderte Strahlen dargestellt, die beispielsweise durch eine axiale Verschiebung des Messstrahls 40 entstanden sind. Die Elemente der mit einem Strich versehenen Bezugszeichen beziehen sich dabei auf die entsprechenden geänderten Strahlen und Größen. Der verschobene Messstrahl 40' hat in diesem Beispiel einen Zwischenfokus 80', der um einen kleinen Betrag weiter weg von der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 liegt. Die von den Selektioneinrichtungen 11, 12 aus dem verschobenen Messstrahl 40' erzeugten Teilstrahlen 41', 42' weisen dadurch einen geänderten, kleineren Winkel zur optischen Achse 39 auf, so dass die lateralen Positionen a₁', a₂' der Strahlflecke 45', 46' auf der Detektoreinheit 20 näher an die optische Achse 39 verschoben sind und somit der Abstand a_s' zwischen der lateralen Position a₁' des verschobenen ersten Strahlflecks 45' und der lateralen Position a₂' des verschobenen zweiten Strahlflecks 46' gegenüber dem Abstand a_s verringert ist. Durch die Bestimmung des Abstandes as, a_s' zwischen den Strahlflecken anstatt oder zusätzlich zu der Bestimmung der einzelnen lateralen Positionen der Strahlflecke ist die Empfindlichkeit des Fokuslagensensors zur Bestimmung von Fokuslagen-Änderungen des Messstrahls 40 erhöht, da sich die Strahlfleck-Positionen gegenläufig verschieben und somit die Änderung des Abstandes doppelt so groß ist wie die Änderung der einzelnen Positionen.
In 9 ist eine fünfte Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Der gezeigte Fokuslagensensor unterscheidet sich von der in 8 dargestellten vierten Ausführungsform in der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10, die hier eine zusätzliche Blendeneinrichtung 15 umfasst. Die Blendeneinrichtung 15 weist eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung auf. Die erste Selektionsvorrichtung 11 ist durch die erste Öffnung der Blendeneinrichtung 15 ausgebildet und die zweite Selektionsvorrichtung 12 ist durch die zweite Öffnung der Blendeneinrichtung 15 ausgebildet. Die übrigen Elemente unterscheiden sich nicht von der vierten Ausführungsform, so dass dazu auf die Beschreibung von 8 verwiesen wird. Die Aufteilung der Funktion der Abbildungseinrichtung 16 und der Selektionsvorrichtungen 11, 12 in getrennte Elemente kann vorteilhaft sein für die konstruktive Gestaltung und für die Reduktion eines eventuellen Störstrahlungs-Untergrundes.
10 zeigt eine Aufsicht auf die Detektoreinheit 20 des Fokuslagensensors, beispielsweise gemäß den 8 und 9. Die Darstellung veranschaulicht die Strahlflecke 45 und 46 sowie die verschobenen Strahlflecke 45' und 46' auf den Detektoren 21, 22 der Detektoreinheit 20 und die entsprechenden Positionen a₁ und a₂ bzw. die geänderten Positionen a₁' und a₂', sowie die Abstände zwischen den Strahlflecken as, a_s'.
In 11 ist eine Aufsicht auf eine Detektoreinheit 20 des Fokuslagensensors dargestellt, die ebenfalls in den Ausführungsformen des Fokuslagensensors mit zwei Selektionsvorrichtungen 11, 12 gemäß 8 und 9 zum Einsatz kommen kann, wenn der Detektor ausreichend groß ist oder wenn die Strahlflecke 45, 46 auf dem Detektor einen ausreichend geringen Abstand a_s zueinander haben. Die Detektoreinheit 20 benötigt dann nur einen Detektor 21, auf den alle Strahlflecke 45, 46 abgebildet werden. Die Lage der Strahlflecke sowie der geänderten Strahlflecke zueinander entspricht ansonsten der Darstellung in 10.
Die 12 bis 19 zeigen weitere Varianten und mögliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Fokuslagensensors und/oder spezielle Aspekte von Ausführungen, die vorteilhaft sein können und in weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen auch miteinander kombiniert sein können. Es werden daher nur die Besonderheiten oder Änderungen der jeweiligen Ausführungsform diskutiert und ansonsten auf die Erläuterungen der vorherigen Ausführungsformen verwiesen.
So zeigt 12 einen Fokuslagensensor, dessen Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 zwei Selektionsvorrichtungen 11 und 12 umfasst, die durch eine Blendeneinrichtung 15 ausgebildet sind. Die Abbildungsvorrichtung 16 beinhaltet hier nur ein einzelnes abbildendes optisches Element 17, welches so groß ausgeführt ist, dass es sich lateral bzw. radial über beide ausgewählten Teil-Aperturbereiche erstreckt und somit beide Teilstrahlen 41 und 42 vom selben abbildenden optischen Element 17 auf die Detektoreinheit 20 abgebildet werden. Ohne zusätzliche Maßnahmen würden dann beide Teilstrahlen 41, 42 auf die optische Achse abgebildet werden, so dass die Strahlflecke 45 und 46 übereinander zu liegen kämen. Deshalb umfasst die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 hier zusätzlich eine Strahlseparatoreinrichtung 30, mittels der die Teilstrahlen 41 und 42 und damit auch Strahlflecke 45 und 46 seitlich verschoben werden, um sie räumlich voneinander zu trennen. Im gezeigten Beispiel umfasst die Strahlseparatoreinrichtung 30 eine Planplattenanordnung mit den Planplatten 31 und 32, die um einen definierten oder auch einstellbaren Winkel schräggestellt sind und somit einen seitlichen Strahlversatz bewirken. Auf diese Weise können alle wesentlichen Funktionselemente, insbesondere die Selektionsvorrichtungen, die Abbildungseinrichtung, und die Detektoreinheit, sowie die maßgeblichen geometrischen Größen, unabhängig voneinander konfiguriert werden.
Der in 13 gezeigte Fokuslagensensor entspricht fast genau der in 12 dargestellten Ausführungsform, wobei hier die Strahlseparatoreinrichtung 30 nur eine Planplatte 31 umfasst, welche nur auf einen Teilstrahl wirkt und diesen seitlich versetzt.
Der in 14 gezeigte Fokuslagensensor entspricht ebenfalls weitgehend der in 12 dargestellten Ausführungsform. Die Strahlseparatoreinrichtung 30 umfasst hier eine Keilplattenanordnung 33, 34. Dadurch wird jeder Teilstrahl 41 und 42 von jeweils einer Keilplatte 33, 34 um einen definierten Winkel abgelenkt, so dass die Strahlflecke 45 und 46 auf der Detektoreinheit seitlich versetzt werden.
Eine weitere, gut konfigurierbare Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fokuslagensensors zeigt 15. Die Abbildungseinrichtung 16 umfasst hier zumindest drei abbildende optische Elemente 17, 18, 19, die alle als Sammellinse ausgeführt sind. Davon erstreckt sich die Linse 17 seitlich über beide Selektionsvorrichtungen 11 und 12 bzw. über beide ausgewählten Teil-Aperturbereiche und wirkt somit fokussierend auf die die Teilstrahlen 41 und 42. Im Vergleich zu den Ausführungsformen der 12, 13 oder 14 ist die Brechkraft der Linse 17 geringer gewählt, bzw. die Brennweite der Linse 17 ist größer gewählt. Daher würde die Linse 17 allein die Teilstrahlen 41 und 42 auf eine Ebene fokussieren, die hinter der Detektoreinheit liegt. Daher befindet sich in jedem Strahlengang der Teilstrahlen 41 und 42 jeweils eine weitere Linse 18, 19, so dass die Teilstrahlen 41, 42 effektiv auf die Detektoreinheit 20 abgebildet werden. Da der Konvergenzpunkt oder Überlagerungspunkt der Teilstrahlen 41, 42 aber nur durch die Brennweite der Linse 17 bestimmt werden und daher hinter der Detektoreinheit 20 liegt, sind die von den Teilstrahlen 41, 42 gebildeten Strahlflecke 45, 46 auf der Detektoreinheit 20 räumlich voneinander getrennt. Die Abbildungseinrichtung 16 und die Strahlseparatoreinrichtung 30 bilden hier also eine funktionale Einheit.
Der in 16 gezeigte Fokuslagensensor ist im Prinzip ähnlich aufgebaut wie der Fokuslagensensor von 15. Hier bilden die Abbildungseinrichtung 16 und die Strahlseparatoreinrichtung 30 ebenfalls eine funktionale Einheit. Der erste Teilstrahl 41 wird mit einem abbildenden optischen Element 17 auf die Detektoreinheit 20 abgebildet, wobei das abbildende optische Element 17 als Keil-Linse ausgeführt ist. Durch die zusätzliche Keilwirkung wird der Teilstrahl 41 auf einen Punkt seitlich von der optischen Achse 39 fokussiert. Entsprechend wird der zweite Teilstrahl 42 mit einem als Keil-Linse ausgeführten, weiteren abbildenden optischen Element 18 auf die Detektoreinheit 20 abgebildet, wodurch die Strahlflecke 45, 46 auf dem Detektor 21 räumlich getrennt sind.
17 zeigt eine Möglichkeit, den Fokuslagensensor kompakter aufzubauen. Um eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Fokuslagen-Änderungen des Messstrahls 40 zu erreichen, ist ein großer Abstand zos zwischen der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 und der Detektoreinheit 20 vorteilhaft, was einem kompakten Aufbau entgegensteht. Dazu ist in der in 17 gezeigten Ausführungsform die Abbildungseinrichtung 16 mit einer zweiteiligen Abbildung aufgebaut, d.h. die Abbildungseinrichtung 16 umfasst wenigstens zwei hintereinander angeordnete optische Elemente 17a und 17b. Davon hat das in Strahlrichtung zuerst angeordnete Element 17a eine positive Brechkraft, und das zweite Element 17b hat eine negative Brechkraft. Zusammen bilden die Elemente 17a und 17b eine Abbildung in Tele-Bauweise, d.h. die Schnittweite ist kürzer als die effektive Gesamt-Brennweite. Auf diese Weise wird der Abstand zos erheblich verkürzt, ohne die Empfindlichkeit des Fokuslagensensors zu verringern.
18 zeigt einen Fokuslagensensor ähnlich der Ausführungsform von 14. Die Strahlseparatoreinrichtung 30 umfasst hier eine Spiegelanordnung 35, 36. Die einzelnen Teilstrahlen 41 und 42 werden von jeweils einem Spiegel 35, 36 um ca. 90° umgelenkt. Dabei weicht die genaue Winkelstellung der Spiegel 35 und 36 um einen definierten oder einstellbaren kleinen Betrag jeweils in unterschiedlicher Richtung von der 45°-Stellung ab, so dass die Strahlflecke 45 und 46 auf der Detektoreinheit 20 seitlich versetzt werden. Durch die Wahl der Anstellwinkel der Spiegel 35, 36 kann der Grundwert für den Strahlfleck-Abstand a_s auf einfache Weise eingestellt werden. Dies erlaubt eine einfache Anpassung der Vorrichtung an verschiedene Größen des Detektors 21 oder an verschiedene Kamera-Module, die in der Detektoreinheit eingesetzt werden können.
In 19 ist funktional betrachtet ein gleichwirkender Fokuslagensensor wie in 18 dargestellt. Die Strahlseparatoreinrichtung 30 ist ebenfalls in Form einer SpiegelAnordnung 35, 36 realisiert. Dadurch, dass die die Teilstrahlen 41 und 42 mittels der Spiegel 35, 36 aus der ursprünglichen Propagationsrichtung herausgelenkt werden, hat die Strahlseparatoreinrichtung 30 mit der Spiegelanordnung 35, 36 hier gleichzeitig die Funktion der Selektionsvorrichtungen 11 und 12. Die erste Selektionsvorrichtung 11 ist hier durch die Berandung des Spiegels 35 ausgebildet, und die zweite Selektionsvorrichtung 12 ist durch die Berandung des Spiegels 36 ausgebildet. Auf eine Blendeneinrichtung 15 wie in der 18 kann daher ohne funktionale Einschränkungen verzichtet werden.
20 zeigt im Prinzip die gleiche Ausführungsform des Fokuslagensensors wie die 15. Im Unterschied zur 15 wird der Fokuslagensensor hier genutzt, um zwei verschiedene Mess-Strahlen gleichzeitig zu überwachen, d.h. die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 ist hier zum Empfang eines ersten Messstrahls 40 und eines zweiten Messstrahls 50 eingerichtet. Die Messstrahlen 40 und 50 sind auf der gleichen optischen Achse überlagert. Der zweite Messstrahl 50 weist eine andere Fokuslage oder Lage des Zwischenfokus 85 auf als der erste Mess-Strahl 40. Die Selektionsvorrichtungen 11 und 12 der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 erzeugen aus dem ersten Messstrahl 40 den ersten Teilstrahl 41 und den zweiten Teilstrahl 42 und gleichzeitig aus dem zweiten Messstrahl 50 die Teilstrahlen 51 und 52. Die Teilstrahlen 51, 52 haben aufgrund der anderen axialen Zwischenfokus-Lage 85 des zweiten Messstrahls 50 einen anderen Winkel zur optischen Achse 39 als die Teilstrahlen 41 und 42 aus dem ersten Messstrahl 40. Somit liegen die von den Teilstrahlen 51 und 52 gebildeten Strahlflecke 55, 56 nach Abbildung durch die Abbildungseinrichtung 16 mit der Linsen 17 und durch die Teilapertur-Linsen 18, 19 auf die Detektoreinheit 20 an anderen lateralen Positionen b₁ und b₂ und weisen einen anderen Abstand b_s auf als die lateralen Positionen a₁ und a₂ und der Abstand a_s der Strahlflecke 45 und 46, die aus dem ersten Messstrahl 40 erzeugt sind. Da alle Strahlflecke 45, 46, 55, 56 auf dem Sensor 20 räumlich getrennt sind, können alle Strahlflecke 45, 46, 55, 56 durch die Auswertungseinheit 25 identifiziert werden und die lateralen Positionen a₁ , a₂ , b₁ , b₂ der Strahlflecke durch die Auswertungseinheit 25 bestimmt werden. Die jeweils zum selben Messstrahl gehörenden Strahlflecke sind zum einen die innen liegenden Strahlflecke und zum anderen die außen liegenden Strahlflecke, so dass auch die jeweiligen Abstände a_s und b_s von der Auswertungseinheit 25 eindeutig ermittelt werden können.
In 21 ist das zur Ausführungsform der 20 gehörende Strahlfleck-Bild auf dem Detektor 21 in einer Aufsicht auf die Detektoreinheit 20 schematisch dargestellt.
Wenn die Strahlflecke auf dem Detektor, die aus verschiedenen Messstrahlen 40, 50 gebildet werden, sehr unterschiedliche Ausdehnungen aufweisen, kann auch die Intensität der Strahlflecke sehr unterschiedlich sein. Das kann sich ungünstig auf die Genauigkeit bei der Bestimmung der lateralen Position der Strahlflecke auswirken.
Es sind deshalb auch Ausführungsformen des Fokuslagensensors vorgesehen, bei denen die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 zusätzlich zu den Selektionsvorrichtungen 11, 12 weitere Selektionsvorrichtungen 13, 14 zur Erzeugung zusätzlicher Teilstrahlen 47, 48, 57, 58 aufweist. 22 zeigt eine solche Ausführungsform, und in 23 ist das zugehörige Strahlfleck-Bild auf dem Detektor dargestellt. Um eine geeignete räumliche Trennung der Strahlflecke zu erreichen, die von den Teilstrahlen durch die weiteren Selektionsvorrichtungen 13, 14 erzeugt werden, sind die weiteren Selektionsvorrichtungen 13, 14 entlang einer anderen lateralen Richtung angeordnet. Beispielsweise sind die bereits beschriebenen Selektionsvorrichtungen 11 und 12 entlang der y-Koordinate in der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 angeordnet, während die weiteren Selektionsvorrichtungen 13 und 14 beispielsweise entlang der x-Koordinate in der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 angeordnet sind. In der 22 ist der Fokuslagensensor in zwei entsprechenden Schnitten dargestellt. Während in der oberen Darstellung des y-z-Schnitts die Selektionsvorrichtungen 11 und 12 sowie die dahinter angeordneten Teilapertur-Linsen 18y und 19y in der Zeichen-Ebene liegen, sind die weiteren Selektionsvorrichtungen 13 und 14 außerhalb der Zeichen-Ebene angeordnet. Die weiteren Selektionsvorrichtungen 13 und 14 sind entsprechend in der unteren Darstellung des x-z-Schnitts der 22 dargestellt. Die Mittelpunkte der Selektionsvorrichtungen 13, 14 haben jeweils einen radialen Abstand r₃, r₄ zur Optischen Achse 39. Die Selektionsvorrichtungen 13, 14 und somit auch die entsprechenden ausgewählten Teil-Aperturbereiche haben jeweils eine Breite d₃, d₄ in radialer Richtung. Hinter den weiteren Selektionsvorrichtungen 13 und 14 sind weitere Teilapertur-Linsen 18x und 19x angeordnet. Die weiteren Teilapertur-Linsen 18x und 19x weisen eine andere Brennweite auf als die Teilapertur-Linsen 18y und 19y. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Brechkraft der Teilapertur-Linsen 18x und 19x größer als die Brechkraft der Teilapertur-Linsen 18y und 19y. Damit wird erreicht, dass die Teilstrahlen 53 und 54, die von den Selektionsvorrichtungen 13 und 14 aus dem zweiten Messstrahl 50 erzeugt werden, stärker, d.h. kürzer fokussiert werden als die Teilstrahlen 51 und 52 aus demselben Messstrahl 50. Beispielsweise ist die Brennweite der Teilapertur-Linsen 18x und 19x so gewählt, dass die Fokusse der Teilstrahlen 53 und 54 etwa in der Ebene der Detektoreinheit 20 erzeugt werden und somit die von den Teilstrahlen 53 und 54 gebildeten Strahlflecke 57 und 58 eine minimale Größe aufweisen. Somit können die lateralen Positionen b_1x und b_2x der Strahlflecke 57, 58 in der x-Koordinate mit der gleichen Genauigkeit bestimmt werden wie die lateralen Positionen a_1y und a_2y der Strahlflecke 45, 46 in der y-Koordinate. Entsprechend kann auch der Abstand b_Sx der Strahlflecke vom zweiten Messstrahl 50 entlang der x-Koordinate mit der gleichen Genauigkeit bestimmt werden, wie der Abstand a_sy der Strahlflecke vom ersten Messstrahl 40 entlang der y-Koordinate.
In 23 ist das zur Ausführungsform der 22 gehörende Strahlfleck-Bild auf dem Detektor 21 in einer Aufsicht auf die Detektoreinheit 20 schematisch dargestellt.
Der Fokuslagensensor kann auch so konfiguriert werden, dass er zwei einander überlagerte Messstrahlen 40 und 50 auswerten kann, deren Ursprungs-Fokuslagen oder Zwischenfokus-Lagen axial sehr weit auseinander liegen. Beispielsweise kann einer der beiden Messstrahlen auch kollimiert oder annähernd kollimiert sein. Eine dazu passende Konfiguration des Fokuslagensensors zeigt die 24. Der Fokuslagensensor ist identisch mit dem in 20 gezeigten Fokuslagensensor. Lediglich der Verlauf der Teilstrahlen 51 und 52, die aus dem zweiten Messstrahl 50 erzeugt werden, ist anders. Die Teilstrahlen 51, 52 sind hier viel stärker geneigt aufgrund der Fokussierung durch die Abbildungseinrichtung 16, da der beispielhafte zweite Messstrahl 50 fast kollimiert bzw. nur gering divergent ist. Um alle Strahlflecke 45, 46, 55, 56 mit nicht zu großem Abstand zueinander auf einen einzelnen Detektor 21 zu bekommen, kann man das Überkreuzen der Teilstrahlen 51 und 52 zwischen der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 und der Detektoreinheit 20 ausnutzen.
Die 25 zeigt einen Fokuslagensensor ähnlich der Ausführungsform von 22. Hier ist der Fokuslagensensor angepasst auf die Überwachung von zwei sehr unterschiedlichen Messstrahlen 40 und 50. Der y-z-Schnitt ist hier gleich aufgebaut wie der y-z-Schnitt von 22. Um für die Teilstrahlen beider Messstrahlen in den jeweiligen Koordinaten-Richtungen auch hier optimale Strahlfleck-Abmessungen auf der Detektoreinheit 20 zu erzeugen, haben die Teilapertur-Linsen 18x und 19x, die im x-z-Schnitt dargestellt sind, hier eine negative Brechkraft bzw. eine negative Brennweite, um die Fokusse der Teilstrahlen 53 und 54 so weit nach hinten zu verschieben, dass die Fokusse etwa in der Ebene der Detektoreinheit 20 liegen.
26 zeigt ein erfindungsgemäßes Optik-System mit einer Laseroptik 60 und mit einem Fokuslagensensor zur Überwachung von Fokuslagen-Änderungen der Laseroptik 60. Die Laseroptik umfasst typischerweise eine Kollimator-Optik 62 und eine Fokussier-Optik 64. Zum Schutz der Fokussier-Optik 64 vor Rauch und Spritzern, die bei der Lasermaterialbearbeitung entstehen können, ist der Fokussier-Optik nachfolgend üblicherweise ein wechselbares Schutzglas 66 angeordnet. Ein Laserstrahl 70 wird beispielsweise von einem Lichtleitfaserende 61 abgestrahlt und von der Laseroptik 60 in einen Laserstrahl-Fokus 79 abgebildet. Zwischen der Kollimator-Optik 62 und der Fokussier-Optik 64 ist ein teilreflektierender Strahlteiler 63 angeordnet. Das kann beispielsweise eine Antireflex-beschichtete, schräggestellte Planplatte sein. Aufgrund der Rest-Reflexion an dem Strahlteiler 63 wird ein Bruchteil des kollimierten Laserstrahls 70 seitlich ausgekoppelt. Der seitlich ausgekoppelte Strahl bildet den Messstrahl 40 für den Fokuslagensensor, der seitlich am Strahlteiler-Abgang der Laseroptik 60 angeordnet ist. Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 des Fokuslagensensors ist bei dem hier dargestellten Optik-System beispielhaft ausgeführt wie im Fokuslagensensor gemäß 15 oder 20. Es kann aber auch jede andere Ausführungsform des Fokuslagensensors eingesetzt werden. Die in der Figur fett gestrichelt eingezeichneten Pfeile illustrieren den Verlauf des Strahlengangs von der Laserstrahlquelle, hier dem Lichleitfaserende 61, bis zum Messstrahl 40. Der Messstrahl 40 wird hier also nur von der Kollimator-Optik 62 der Laseroptik 60 beeinflusst. In dieser Ausführungsform überwacht der Fokuslagensensor folglich Fokuslagen-Änderungen, die insbesondere von der Kollimator-Optik 62 verursacht werden, beispielsweise durch den leistungsinduzierten, thermischen Fokus-Shift der Kollimator-Optik 62.
27 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Optik-System mit einer Laseroptik 60 und mit einem Fokuslagensensor zur Überwachung von Fokuslagen-Änderungen der Laseroptik 60. Wie im Beispiel von 26 umfasst die Laseroptik 60 typischerweise eine Kollimator-Optik 62, eine Fokussier-Optik 64 und ein Schutzglas 66. Der Laserstrahl 70 wird vom Lichtleitfaserende 61 abgestrahlt und von der Laseroptik 60 in einen Laserstrahl-Fokus 79 abgebildet. Von der äußeren Grenzfläche 67 des Schutzglases 66 der Laseroptik 60 wird ein Bruchteil des Laserstrahls 70 reflektiert, so dass ein teilreflektierter Strahl 71 erzeugt wird. Dabei ist es ausreichend, wenn dazu die Rest-Reflexion einer Reflexions-mindernden Vergütungsschicht ausgenutzt wird. Der teilreflektierte Strahl 71 propagiert koaxial entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls 70 in die Laseroptik 60 zurück und bildet einen Zwischenfokus 80 aus. Zwischen der Kollimator-Optik 62 und der Fokussier-Optik 64 ist ein teilreflektierender Strahlteiler 63 angeordnet. Das kann eine Antireflex-beschichtete, schräggestellte Planplatte sein. Aufgrund der Rest-Reflexion an dem Strahlteiler 63 wird der teilreflektierte Strahl 71, bzw. ein Bruchteil davon, seitlich ausgekoppelt. Der seitlich ausgekoppelte Strahl bildet den Messstrahl 40 für den Fokuslagensensor, der seitlich am Strahlteiler-Abgang der Laseroptik 60 angeordnet ist. Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 des Fokuslagensensors ist bei dem hier dargestellten Optik-System beispielhaft ausgeführt wie im Fokuslagensensor gemäß 15 oder 20. Es kann aber auch jede andere Ausführungsform des Fokuslagensensors eingesetzt werden. Aufgrund der Teilreflexion an der letzten Grenzfläche 67 ist die Position des Zwischenfokus 80 mit der Position des Laserstrahl-Fokus 79 optisch gekoppelt, d.h. Änderungen der Fokuslage des Laserstrahl-Fokus 79 bewirken gleichzeitig eine Änderung der Fokuslage des Zwischenfokus 80, dessen Position vom Fokuslagensensor überwacht wird. Auf diese Weise überwacht der Fokuslagensensor die axiale Position des Laserstrahl-Fokus 79.
Die in der Figur fett gestrichelt eingezeichneten Pfeile illustrieren den Verlauf des Strahlengangs von der Laserstrahlquelle, hier dem Lichleitfaserende 61, bis zum Messstrahl 40. Der Messstrahl 40 wird hier also von allen Elementen der Laseroptik 60 beeinflusst, wobei ein Teil der Laseroptik, nämlich die Fokussieroptik 64 und das Schutzglas 66, hin und zurück, also doppelt durchlaufen wird. In dieser Ausführungsform erfasst der Fokuslagensensor folglich Fokuslagen-Änderungen, die von allen Elementen der Laseroptik 60 verursacht werden. Somit werden vom Fokuslagensensor alle Beiträge zum thermischen Fokus-Shift der Laseroptik 60, also von der Kollimator-Optik 62, vom Strahlteiler 63, von der Fokussier-Optik 64 und vom Schutzglas 66, registriert.
In 28 ist die Erfassung einer Änderung der axialen Position des Laserstrahl-Fokus 79 der Laseroptik 60 durch den Fokuslagensensor schematisch dargestellt. Die Laseroptik 60 und die Erzeugung des Messstrahls 40 ist identisch mit dem in 27 dargestellte Optik-System. Der Fokuslagensensor ist hier beispielhaft dargestellt als Fokuslagensensor mit einer einfachen Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 mit lediglich einer Selektionsvorrichtung 11, entsprechend einem Fokuslagensensor gemäß der 1 oder 2. Es kann aber auch jede andere Ausführungsform des Fokuslagensensors eingesetzt werden. Die beispielsweise durch einen thermischen Fokus-Shift geänderten Strahlen sind durch mit einem Strich versehenen Bezugszeichen versehen. Durch einen thermischen Fokus-Shift wird die Brechkraft der optischen Elemente typischerweise größer, somit wird der fokussierte Laserstrahl 77 stärker fokussiert und die Position des Laserstrahl-Fokus 79 verschiebt sich näher zur Laseroptik 60 zum verschobenen Laserstrahl-Fokus 79'. Der von der Grenzfläche 67 des Schutzglases 66 teilreflektierte Strahl 71 wird folglich ebenfalls stärker fokussiert, dargestellt durch den teilreflektierten Strahl 71', so dass sich die Lage des Zwischenfokus 80 (verschobener Zwischenfokus 80') ebenfalls axial verschiebt. Im Fokuslagensensor ändert sich dadurch die laterale Position des Strahlflecks 45. Der verschobene Strahlfleck 45' liegt näher an der optischen Achse 39. Der verschobene Strahlfleck 45' ist außerdem vergrößert, da sich beim verschobenen Teilstrahl 41' auch die axiale Fokuslage geändert hat.
29 stellt die gleiche Situation dar wie die 28, nur dass beispielhaft ein Fokuslagensensor mit einer anderen Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 eingesetzt ist, die hier zwei Selektionsvorrichtungen 11, 12 verwendet. Der Fokuslagensensor kann daher Änderungen des Laserstrahl-Fokus 79, 79' nicht nur anhand der Änderungen der lateralen Positionen der Strahlflecke 45, 45', 46, 46' erfassen, sondern auch durch die Änderung des Abstandes as, a_s' zwischen den Strahlflecken 45 und 46 bzw. 45' und 46'.
Weiterhin sind Ausführungsformen des Optik-Systems vorgesehen, bei denen die Position des Laserstrahl-Fokus 79 einer Laseroptik 60 aktiv nachführbar ist. Eine mögliche Ausführungsform ist in 30 dargestellt. Die Laseroptik 60 weist eine axial bewegbare Linse oder Linsengruppe auf. Im gezeigten Beispiel ist das die Kollimator-Optik 62. Die bewegbare Linse ist mit einer Antriebseinheit gekoppelt, hier mit einer Translationseinrichtung 27, mittels der die Position der bewegbaren Linse eingestellt wird. Die Translationseinrichtung 27 wird beispielsweise von der Auswertungseinheit 25 in Abhängigkeit der ermittelten Änderung der lateralen Strahlfleck-Position oder des Strahlfleck-Abstandes a_s angesteuert. Zwischen der Auswertungseinheit 25 und der Translationseinrichtung 27 kann auch eine weitere Steuerungseinrichtung zwischengeschaltet sein; das kann beispielsweise ein Regler oder eine übergeordnete programmierbare Steuerung sein.
31 zeigt eine Ausführungsform des Optik-Systems, bei der zusätzlich ein zweiter Fokuslagensensor auf der anderen Seite des Abgangs vom Strahlteiler 63 der Laseroptik 60 angeordnet ist. Ansonsten entspricht das Optik-System der Ausführungsform von 30. Der zweite Fokuslagensensor umfasst eine weitere Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 210 und eine weitere Detektoreinheit 220. Die Auswertungseinheit 25 des ersten Fokuslagensensors ist zusätzlich mit der Detektoreinheit 220 des zweiten Fokuslagensensors verbunden und registriert dessen Signale. Der zweite Fokuslagensensor kann ansonsten einer beliebigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fokuslagensensors entsprechen. Der zweite Fokuslagensensor empfängt einen zweiten Messstrahl 50, der aus einer Teilreflexion des Laserstrahls 70 am Strahlteiler 63 gebildet ist. Dieser zweite Messstrahl 50 hat auf seinem Propagationsweg durch die Laseroptik nur die Kollimator-Optik 62 durchlaufen, so dass der zweite Messstrahl nur durch thermische Änderungen und/oder Änderungen der Position der Kollimator-Optik 62 beeinflusst wird. Demgegenüber hat der Messstrahl 40, der vom ersten Fokuslagen-Sensor empfangen wird, die Kollimator-Optik 62, den Strahlteiler 63, die Fokussier-Optik 64, das Schutzglas 66, sowie auf dem Rückweg ein zweites Mal das Schutzglas 66 und die Fokussier-Optik 64 auf seinem Propagationsweg durch die Laseroptik 60 durchlaufen. Aus dem Vergleich der Änderungen der lateralen Strahlfleck-Positionen oder des Strahlfleck-Abstands a_s von der Detektoreinheit 20 des ersten Fokuslagensensors mit den Änderungen der lateralen Strahlfleck-Positionen oder des Strahlfleck-Abstands b_s von der Detektoreinheit 220 des des zweiten Fokuslagensensors kann die Auswertungseinheit 25 somit ermitteln, ob eine Änderung der Lage des Laserstrahl-Fokus 79 zurückzuführen ist auf eine thermische Linse im Bereich der Kollimator-Optik 62 oder auf thermische Linsen im Bereich von Fokussier-Optik 64 und Schutzglas 66. Diese Information bzw. diese Unterscheidung kann zu einer genaueren Nachführung der Fokuslage des Laserstrahl-Fokus 79 genutzt werden.
Die gleichen Informationen zur Nachführung des Laserstrahlfokus 79 wie bei der Ausführungsform nach 31 können auch mit einem Optik-System mit nur einem Fokuslagensensor gewonnen werden. Eine entsprechende Ausführungsform des Optik-Systems zeigt die 32. Hierbei wird ein vom Strahlteiler 63 aus dem Laserstrahl 70 teilreflektierter Strahl 88, der auf der anderen Seite des Strahlteilers 63 ausgekoppelt wird, mittels eines reflektierenden oder teilreflektierenden Elements 87, welches an dem Abgang gegenüber vom Fokuslagensensor angeordnet ist, zurückreflektiert, transmittiert den Strahlteiler 63 und wird als zweiter Messstrahl 50 vom Fokuslagensensor empfangen. Der Fokuslagensensor empfängt hier also die auf der gleichen optischen Achse 39 überlagerten Messstrahlen 40 und 50.
Eine weitere Ausführungsform eines Optik-Systems, bei der der Fokuslagensensor zwei Messstrahlen 40 und 50 empfängt, die jeweils unterschiedliche Wege in der Laseroptik 60 durchlaufen haben, ist in der 33 dargestellt. Der Unterschied zur Ausführungsform in 32 ist, dass die Reflexion am teilreflektierenden Element 87 hier nicht an einer Planfläche stattfindet, sondern an einer beispielsweise konkav gekrümmten Fläche. Dadurch wird im zweiten Mess-Strahl 50 ein Zwischenfokus 85 erzeugt, dessen Position in die Nähe des Zwischenfokus 80 vom ersten Messstrahl 40 gelegt werden kann. Dadurch unterscheiden sich die Positionen und Abmessungen der Strahlflecke 45, 46, 55, 56, die von den beiden Messstrahlen 40 und 50 gebildet werden, nicht so stark voneinander, was die Konfiguration des Fokuslagensensors vereinfacht.
Bei den in den 32 und 33 gezeigten Ausführungsformen des Optik-Systems kann auch ein Fokuslagensensor eingesetzt werden, der für die Auswertung von zwei überlagerten Messstrahlen weiter verbessert ist, wie beispielsweise in den 22 und 25 dargestellt und erläutert ist.
34 zeigt, dass auch andere bzw. mehrere teilreflektierte Strahlen aus einer Laseroptik 60 als Messstrahlen für den Fokuslagensensor ausgekoppelt werden können. Prinzipiell können alle Grenzflächen der optischen Elemente im Fokussier-Bereich der Laseroptik 60 für die Erzeugung von teilreflektierten Strahlen genutzt werden. Von der letzten Grenzfläche 67 der Laseroptik 60 , das ist hier die Außenfläche des Schutzglases 66, wird ein erster teilreflektierter Strahl 71 erzeugt. Von der Innenfläche des Schutzglases 66 wird ein zweiter teilreflektierter Strahl 72 erzeugt. Von der äußeren Grenzfläche der Fokussier-Optik 64, das ist hier eine Planfläche, wird ein dritter teilreflektierter Strahl 73 erzeugt. Schließlich wird von der inneren, gekrümmten Grenzfläche der Fokussier-Optik 64 ein vierter teilreflektierter Strahl 74 erzeugt. Die teilreflektierten Strahlen 71, 72, 73, 74 haben im Allgemeinen unterschiedliche axiale (Zwischen-) Fokuslagen und können daher vom Fokuslagensensor getrennt ausgewertet werden.
Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, insbesondere den ersten teilreflektierten Strahl 71 vom Schutzglas 66 sowie den dritten teilreflektierten Strahl 73 von der Planfläche der Fokussier-Optik 64 auszuwerten, wie dies in der Ausführungsform des Optik-Systems in 35 gezeigt ist. Dadurch kann der Einfluss der thermischen Linse des Schutzglases 66 separiert werden. Dies ist vorteilhaft, da das Schutzglas 66 dem Lasermaterialbearbeitungsprozess ausgesetzt ist und durch Verschmutzungen (Rauch, Spritzer, Gase) die Absorption des Schutzglases 66 und damit die vom Schutzglas 66 verursachte thermische Linse mit der Zeit stark zunehmen kann. Dies kann dann vom Fokuslagensensor erkannt werden und nicht nur zur Nachregelung des Laserstrahl-Fokus 79 genutzt werden, sondern auch um ein Signal für die Empfehlung eines Schutzglas-Wechsels bereitzustellen. Diese Ausführungsform kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn ein sehr dünnes Schutzglas 66 verwendet wird und daher die von den beiden Grenzflächen des Schutzglases 66 teilreflektierten Strahlen 71 und 72 zu Strahlflecken auf der Detektoreinheit 20 führen, die so dicht beieinander liegen, dass diese teilweise überlagern und nicht auf einfache Weise getrennt ausgewertet werden können. Dann können die teilweise überlagerten Strahlflecke als ein kombinierter Strahlfleck aufgefasst werden und die laterale Position des kombinierten Strahlflecks bestimmt werden. Mit den zusätzlich ausgewerteten Strahlflecken, die vom teilreflektierten Strahl 73 der Fokussier-Optik-Grenzfläche erzeugt werden, steht dann trotzdem eine Information zur Verfügung, die nicht von der thermischen Linse des Schutzglases 66 beeinflusst wird, so dass die thermische Linse des Schutzglases in der Auswertung separiert werden kann.
Wenn das Schutzglas 66 eine ausreichende Dicke aufweist, dann kann eine Ausführungsform des Optik-Systems wie in 36 vorteilhaft zum Einsatz kommen.
Die Ausführungsform ist identisch mit der in 35 gezeigten Ausführungsform und unterscheidet sich lediglich darin, welche teilreflektierten Strahlen vom Fokuslagensensor ausgewertet werden. Hier werden insbesondere die teilreflektierten Strahlen 71 und 72, genutzt, die von der äußeren Grenzfläche 67 des Schutzglases und von der inneren Grenzfläche des Schutzglases 66 erzeugt werden. Da der von der inneren Grenzfläche des Schutzglases 66 teilreflektierte Strahl 72 nicht das Schutzglas 66 durchläuft, steht eine Information zur Verfügung, die nicht von der thermischen Linse des Schutzglases 66 beeinflusst wird, so dass die thermische Linse des Schutzglases 66 in der Auswertung separiert werden kann. Zur Abbildung von räumlich getrennten Strahlflecken auf der Detektoreinheit 20 ist bereits eine Dicke des Schutzglases von wenigen Millimetern ausreichend, z.B. eine Dicke von wenigstens 3 mm.
37 zeigt eine Darstellung einer mit einem Optikrechenprogramm simulierten Intensitätsverteilung auf dem Detektor 21 des Fokuslagensensors für ein Optik-System nach 34. Dabei hat die Kollimator-Optik 62 eine Brennweite von 100 mm und die Fokussier-Optik eine Brennweite von 150 mm. Das Schutzglas wurde mit einer Dicke von 4 mm simuliert. Beim Fokuslagensensor wurden nur die Strahlflecke genutzt bzw. dargestellt, die von der ersten Selektionsvorrichtung 11 erzeugt werden. Beim Fokuslagensensor wurde ein Abstand zos zwischen der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 und der Detektoreinheit 20 von zos ca. 200 mm simuliert. Die Simulation zeigt drei deutliche Strahlflecke mit unterschiedlicher Intensität, unterschiedlicher Größe, und unterschiedlicher Position auf dem Detektor. Der intensivste und kleinste Strahlfleck 45 mit der lateralen Position a₁ gehört zum teilreflektierten Strahl 71, der von der äußeren Grenzfläche 67 des Schutzglases 66 erzeugt wird. Der Strahlfleck 55 mit mittlerer Intensität und Größe mit der lateralen Position b₁ gehört zum teilreflektierten Strahl 72, der von der inneren Grenzfläche des Schutzglases 66 erzeugt wird. Schließlich ist noch ein dritter Strahlfleck mit der lateralen Position c₁ erkennbar, der eine geringe Intensität aufweist und im Vergleich sehr groß ist. Dieser Strahlfleck gehört zum teilreflektierten Strahl 73, der von der planen Grenzfläche der Fokussier-Optik 64 erzeugt wird.
In 38 ist ein Schnitt durch die simulierte Intensitätsverteilung von 37 dargestellt.
39 zeigt eine Darstellung zweier simulierter Intensitätsverteilungen für zwei Zustände der Laseroptik 60. Die Intensitätsverteilung des Zustandes 1, mit einer durchgezogenen Kurve dargestellt, entspricht der Laseroptik 60 ohne thermischen Fokus-Shift. Die Intensitätsverteilung des Zustandes 2, mit einer gestrichelten Kurve dargestellt, entspricht der Laseroptik 60, wobei nur im Schutzglas 66 ein Fokus-Shift simuliert wurde. Der simulierte Fokus-Shift im Schutzglas führt zu einer axialen Verschiebung des Laserstrahl-Fokus 79 um ca. 1 mm. In der Intensitätsverteilung des Zustandes 2 ist erwartungsgemäß erkennbar, dass die zur äußeren Grenzfläche gehörende Strahlfleck-Position a₁' deutlich gegenüber der ursprünglichen Position a₁ des Zustandes 1 lateral verschoben ist, während die übrigen Strahlfleck-Positionen unverändert sind. Das ist zu erwarten, da die teilreflektierten Strahlen 72 und 73 von der inneren Grenzfläche des Schutzglases 66 und von der Planfläche der Fokussier-Optik 64 kein Element mit einem Fokus-Shift durchlaufen haben.
40 zeigt eine weitere Darstellung zweier simulierter Intensitätsverteilungen für zwei Zustände der Laseroptik 60. Die Intensitätsverteilung des Zustandes 1, mit einer durchgezogenen Kurve dargestellt, entspricht der Laseroptik 60 ohne thermischen Fokus-Shift (wie in 39). Die Intensitätsverteilung des Zustandes 3, mit einer gestrichelten Kurve dargestellt, entspricht der Laseroptik 60, wobei in allen Elementen der Laseroptik 60, d.h. in der Kollimator-Optik 62, im Strahlteiler 63, in der Fokussier-Optik 64, und im Schutzglas 66 jeweils ein geringer Fokus-Shift simuliert wurde. Die einzelnen Fokus-Shift-Beiträge wurden für die Simulation so gewählt, dass der gesamte Fokus-Shift der Laseroptik 60 zu einer axialen Verschiebung des Laserstrahl-Fokus 79 um ca. 1 mm führt. Vergleicht man nun die beiden Intensitätsverteilungen miteinander, so ist erkennbar, dass sich alle drei lateralen Positionen der drei Strahlflecke um unterschiedlich große Beträge verschoben haben. Das ist ebenfalls erwartungsgemäß, da alle teilreflektierten Strahlen 71, 72, und 73 jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Fokus-Shift-Beiträgen durchlaufen haben.
Weiterhin zeigen die Auswertungen der Strahlfleck-Positionen der simulierten Zustände 2 und 3 aus den 39 und 40, dass aus den unterschiedlich großen lateralen Verschiebungen der multiplen Rückreflexe genaue Rückschlüsse gezogen werden können sowohl über die Größe der axialen Verschiebung des Laserstrahl-Fokus 79 als auch über die Ursache des Fokus-Shifts, d.h. welche Elemente wie große Beiträge zum Fokus-Shift liefern. Das ermöglicht sowohl eine genaue Nachführung des Laserstrahl-Fokus 79, als auch eine Erkennung eines übermäßig verschmutzten Schutzglases.
41 zeigt im Prinzip die gleiche Simulation wie die 37, nur dass hier der Fokuslagensensor mit einer Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 ausgerüstet ist, die zwei Selektionsvorrichtungen 11, 12 umfasst. Dadurch entstehen auf dem Detektor zusätzlich zu den Strahlflecken 45 und 55 spiegelbildlich dazu die Strahlflecken 46 und 56. Die Auswertung kann sich daher in diesem Fall nicht nur auf die Strahlfleck-Positionen a₁ und b₁ stützen, sondern zusätzlich auch auf die Strahlfleck-Positionen a₂ und b₂ . Zusätzlich oder alternativ können auch die Strahlfleck-Abstände a_s und b_s ausgewertet werden.
42 zeigt den Intensitätsverlauf im Schnitt der simulierten Intensitätsverteilung von 41. Die gestrichelte Kurve von Zustand 2 zeigt wie auch in 39 mit der Simulation eines thermischen Fokus-Shifts nur im Schutzglas 66. Folglich ändert sich von Zustand 1 zu Zustand 2 nur der Strahlfleck-Abstand as, a_s', während der Strahlfleck-Abstand b_s , bs' unverändert bleibt.
In 43 ist zur Erläuterung einer der möglichen Methoden zur Bestimmung der Strahlfleck-Positionen ein Ausschnitt aus einer simulierten Intensitätsverteilung auf dem Detektor dargestellt. Eine der möglichen Methoden besteht darin, eine Soll-Intensitätsverteilung an die registrierte Intensitätsverteilung anzufitten. Die Strahlfleck-Position ergibt sich dann aus dem Mittelpunkt der Fit-Verteilung. In 43 ist mit der gestrichelten Kurve ein optimaler Fit an die Strahlfleck-Verteilung mit der Position b₁ dargestellt. Die gestrichelte Fit-Funktion ist in diesem Beispiel eine Gauß-Verteilung. Die andere dargestellte Verteilung mit der durchgezogenen Kurve ist eine optimale Anpassung an die Strahlfleck-Verteilung mit der Position a₁ . Bei der durchgezogenen Kurve wurde eine Gauß-Verteilung mit einem höheren Exponenten, eine sogenannte Super-Gauß-Verteilung, verwendet. Mittels der hier gezeigten Positions-Bestimmung durch Anpassung von Fit-Funktionen ist in gewissen Grenzen sogar eine Auswertung von Strahlflecken möglich, die nicht vollständig räumlich voneinander getrennt sind, sondern sich teilweise überlappen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es existiert ein Bedarf für einen verbesserten Fokussensor, welcher in der Lage ist, auch mehrfach überlagerte Lichtstrahlen oder Rückreflexe auszuwerten. Es existiert weiterhin ein Bedarf für verbesserte Systeme zur Fokuslagen-Kontrolle und zur Nachführung des Laserstrahlfokus bei Laseroptiken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur Fokuslagen-Kontrolle mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen.
Dazu wird eine Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung eines Lichtstrahl-Zustandes vorgeschlagen, insbesondere zur Bestimmung einer Fokuslage des Lichtstrahls. Die Strahlanalysevorrichtung umfasst eine Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10, eine Detektoreinheit 20, sowie eine Auswertungseinheit 25.
Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 ist zum Empfang wenigstens eines ersten Messstrahls 40 eingerichtet, der entlang einer optischen Achse 39 eingestrahlt wird. Der Messstrahl 40 kann der Lichtstrahl selbst sein oder kann ein Strahl sein, der in einer erweiterten Vorrichtung aus einem Lichtstrahl oder einem Laserstrahl ausgekoppelt wird. Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 umfasst wenigstens eine erste Selektionsvorrichtung 11, mittels der aus dem ersten Messstrahl 40 ein erster Teil-Aperturbereich ausgeschnitten wird. Durch Propagation der Strahlung des ausgeschnittenen ersten Teil-Aperturbereichs wird der erste Teilstrahl 41 gebildet. Die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Abbildungseinrichtung 16 mit wenigstens einem abbildenden optischen Element 17. Mittels der Abbildungseinrichtung 16 wird der erste Teilstrahl 41 auf die Detektoreinheit 20 abgebildet. Durch die Abbildung des ersten Teilstrahls 41 auf die Detektoreinheit 20 wird ein Strahlfleck 45 auf der Detektoreinheit 20 erzeugt. Der Strahlfleck 45 kann ein Fokus des Teilstrahls 41 sein oder ein Strahlquerschnitt des Teilstrahls 41 in der Umgebung einer Strahltaille des Teilstrahls 41. In jedem Fall ist die Breite des Strahlflecks 45 wesentlich kleiner als die Breite des ersten Teil-Aperturbereichs.
Die Detektoreinheit 20 ist hinter der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 mit einem Abstand zos zur Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 angeordnet. Die Detektoreinheit 20 umfasst mindestens einen, zumindest eindimensional ortsauflösenden lichtempfindlichen ersten Detektor 21. Das kann ein Zeilensensor, ein Kamera-Chip wie eine CCD-Kamera oder eine CMOS Kamera, oder ein sonstiger pixelbasierter Halbleiterdetektor sein. Die Detektoreinheit 20 erfasst die Intensitätsverteilung des ersten Strahlflecks 45.
Die Auswertungseinheit 25 ist mit der Detektoreinheit 20 verbunden, das heißt, sie empfängt und verarbeitet die Signale der Detektoreinheit 20. Mittels der Auswertungseinheit 25 wird aus der registrierten Intensitätsverteilung die laterale Position a₁ des Strahlflecks 45 auf der Detektoreinheit 20 ermittelt. Mittels der Auswertungseinheit 25 werden weiterhin Änderungen der lateralen Position a₁ des Strahlflecks 45 auf der Detektoreinheit 20 ermittelt. Die Änderungen der lateralen Position des Strahlflecks sind insbesondere zeitliche Änderungen. Das heißt, die Auswertungseinheit 25 kann dazu eingerichtet sein, aktuell ermittelte Strahlfleck-Positionen mit anderen, zuvor ermittelten oder gespeicherten Strahlfleck-Positionen zu vergleichen und/oder Verschiebungswerte aus den Positions-Änderungen zu ermitteln.
Die Bestimmung der lateralen Position des Strahlflecks kann auf verschiedene mögliche Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist die Berechnung des Schwerpunktes oder des Mittelwertes der Intensitätsverteilung des Strahlflecks.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Rand des Strahlflecks zu bestimmen beispielsweise durch Erreichen der Signalintensität eines definierten Schwellwertes. im zweiten Schritt kann ausgehend vom ermittelten Rand der geometrische Mittelpunkt bestimmt werden, oder bei einer unregelmäßigen Kontur der Flächenschwerpunkt berechnet werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Soll-Intensitätsverteilung oder eine Fit-Funktion an die registrierte Intensitätsverteilung des Strahlflecks anzupassen.
Bevorzugt ist die Strahlanalysevorrichtung dazu eingerichtet, die Fokuslage eines Messstrahls zu bestimmen. Die axiale Lage des Fokus oder des Zwischenfokus 80 des Messstrahls 40 ist korreliert mit der lateralen Position des Strahlflecks 45 auf der Detektoreinheit 20.
Die erste Selektionsvorrichtung 11 ist zur Optischen Achse 39 außermittig angeordnet. Der Mittelpunkt der ersten Selektionsvorrichtung 11 hat einen lateralen oder radialen Abstand r₁ zur Optischen Achse 39. Die Selektionsvorrichtung 11 und damit der erste Teil-Aperturbereich hat eine Breite d₁ in radialer Richtung.
Es ist vorgesehen, dass der radiale Abstand r₁ mindestens so groß ist wie die Breite d₁ der Selektionsvorrichtung 11. Das bedeutet, dass der Rand des von der Selektionsvorrichtung 11 ausgeschnittenen ersten Teil-Aperturbereichs wenigstens um die halbe Breite, d₁ /2, der Selektionsvorrichtung 11 von der optischen Achse entfernt ist und der erste Teil-Aperturbereich sich von da aus weiter radial nach außen erstreckt. Der Paraxialbereich um die optische Achse 39 herum ist also nicht im ersten Teil-Aperturbereich enthalten.
Die erste Selektionsvorrichtung 11 kann unterschiedlich ausgeführt sein. Die erste Selektionsvorrichtung 11 kann beispielsweise als Berandung einer Teilapertur-Linse ausgeführt sein. Die Teilapertur-Linse kann auch das abbildende optische Element 17 der Abbildungseinrichtung 17 sein. Die erste Selektionsvorrichtung 11 kann auch als Berandung eines Teilapertur-Umlenkspiegels ausgeführt sein. Die erste Selektionsvorrichtung 11 kann auch als Öffnung in einer Blendeneinrichtung15 ausgeführt sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die Breite d₁ des ausgewählten, ersten Teil-Aperturbereichs des ersten Messstrahls 40 höchstens 1/3 der Breite der vollständigen Apertur des Messstrahls 40 in der Ebene der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 beträgt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Abstand zos zwischen der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung 10 und der Detektoreinheit 20 in einem Bereich von 20 mm bis 500 mm liegt. Bevorzugt kann der Abstand zos in einem Bereich von 40 mm bis 250 mm liegen.
Zur Lösung der Aufgabenstellung werden auch Optik-Systeme vorgeschlagen, bei denen die Strahlanalysevorrichtung als Fokuslagensensor wenigstens einen Messstrahl 40 empfängt, der als teilreflektierter Strahl aus einer Laseroptik 60 ausgekoppelt wird. Dazu sind in den 26 bis 36 und den zugehörigen Figurenbeschreibungen zahlreiche Ausführungsformen angegeben und erläutert.
Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Fokuslagensensors kommen dadurch zustande, dass aus dem empfangenen Lichtstrahl bzw. Messstrahl mittels der Selektionsvorrichtung ein kleiner Teil-Aperturbereich ausgeschnitten wird, der wesentlich kleiner ist als die gesamte Apertur des Messstrahls, sowie dadurch dass der Teil-Aperturbereich außermittig ausgeschnitten wird, d.h. insbesondere außerhalb der optischen Achse des Messstrahls liegt. Es trägt also gerade der Paraxialbereich des Messstrahls um die optische Achse herum nicht zur Abbildung des Teilstrahls auf den Detektor bei. Das führt dazu, dass Änderungen der axialen Fokuslage des Messstrahls wie bei einer Triangulation in eine laterale Verschiebung des detektierten Strahlflecks umgewandelt werden. Insbesondere kann aus der Richtung der lateralen Verschiebung des Strahlflecks die Richtung der axialen Fokuslagen-Änderung erkannt werden. Das führt weiterhin dazu, dass beim Empfang mehrerer Messstrahlen mit axial unterschiedlicher Fokuslage die zugehörigen Strahlflecke auf dem Detektor räumlich voneinander getrennt werden, und sich nicht nur nicht stören, sondern sogar gezielt für eine verbesserte Auswertung genutzt werden können.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Mess-Prinzip auf der Bestimmung von Positionen basiert. Die Positions-Bestimmung eines Strahlflecks kann beispielsweise mittels Berechnung des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung erfolgen, also dem 1. Moment einer Strahlverteilung. Die Bestimmung von Positionen und deren Abstand zueinander ist weitgehend unabhängig beispielsweise von der Höhe eines konstanten Untergrundes, welcher durch Streulicht und/oder Rauschen verursacht werden kann. Dadurch ist dieses Messprinzip weniger fehleranfällig als andere Verfahren, die üblicherweise auf der Bestimmung eines Strahldurchmessers, also des 2. Moments einer Strahlverteilung, und dessen Änderung beruhen, denn die Bestimmung eines 2. Moments ist relativ empfindlich gegenüber Änderungen in der Höhe des Untergrundes.
Die Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf:

- Der Fokuslagensensor ist einfach aufgebaut, robust und benötigt keine beweglichen Elemente.
- Der Fokuslagensensor und das Strahlanalyseverfahren sind insbesondere geeignet für den Empfang von mehreren überlagerten Messstrahlen bzw. für die Auswertung von multiplen Rückreflexen aus einer Laseroptik.
- Der Fokuslagensensor und das Strahlanalyseverfahren sind unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Strahlqualität der Laserstrahlung.
- Der Fokuslagensensor und das Strahlanalyseverfahren erlauben eine besonders genaue Bestimmung einer Fokuslage, da es auf der Bestimmung von Positionen von Strahlflecken beruht und nicht auf einer Bestimmung von Durchmessern oder Ausdehnungen von Strahlfleckverteilungen, und deshalb weitgehend unempfindlich ist gegenüber Störlicht, Offset und Rauschen des Detektors.
- Die Bestimmung von Fokuslagen-Änderungen ist in Echtzeit möglich, d.h. die Bestimmung erfolgt während der Lasermaterialbearbeitung und benötigt nur einen Bruchteil der typischen Zeitkonstante von Fokuslagenänderungen durch den thermischen Fokus-Shift.

Die Erfindung kann auf verschiedenste Weise vorteilhaft fortgebildet werden, ohne den Bereich und die Aufgabe der Erfindung zu verlassen. Weitere Ausgestaltungen und Ausführungsmöglichkeiten sind in den Figuren dargestellt und in den Figurenbeschreibungen erläutert, wobei die Erfindung nicht beschränkt ist auf die gezeigten Ausführungsformen. Es können auch verschiedene in den Figuren gezeigte Merkmale oder Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um zu weiteren möglichen Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Als Licht im Sinne dieser Offenbarung gilt elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,1 µm bis 10 µm, bevorzugt im Bereich von 0,3 µm bis 3 µm, und insbesondere im Bereich von 0,5 µm bis 1,5 µm.
Als Laserstrahlung im Sinne dieser Offenbarung gilt elektromagnetische Strahlung im Bereich von 0,5 µm bis 1,5 µm und mit einer Leistung von wenigstens 100 W, bevorzugt mit einer Leistung von wenigstens 500 W.
Bezugszeichenliste

10: Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung
11: Erste Selektionsvorrichtung
12: Zweite Selektionsvorrichtung
13, 14: Weitere Selektionsvorrichtungen
15: Blendeneinrichtung
16: Abbildungseinrichtung
17: Abbildendes optisches Element
18, 19: Weitere abbildende optische Elemente
20: Detektoreinheit
21: Erster Detektor
22: Zweiter Detektor
25: Auswertungseinheit
27: Translationseinrichtung
30: Strahlseparatoreinrichtung
31, 32: Planplattenanordnung
33, 34: Keilplattenanordnung
35, 36: Spiegelanordnung
39: Optische Achse
40: Messstrahl
40': Defokussierter Messstrahl
41: Erster Teilstrahl
41': Verschobener erster Teilstrahl
42: Zweiter Teilstrahl
42': Verschobener zweiter Teilstrahl
43, 44: Weitere Teilstrahlen
45: Erster Strahlfleck
45': Verschobener erster Strahlfleck
46: Zweiter Strahlfleck
46': Verschobener zweiter Strahlfleck
47, 48: Weitere Strahlflecke
50: Zweiter Messstrahl
51: Erster Teilstrahl vom zweiten Messstrahl
52: Zweiter Teilstrahl vom zweiten Messstrahl
53, 54: Weitere Teilstrahlen vom zweiten Messstrahl
55: Erster Strahlfleck vom zweiten Messstrahl
56: Zweiter Strahlfleck vom zweiten Messstrahl
57, 58: Weitere Strahlflecke vom zweiten Messstrahl
60: Laseroptik
61: Lichtleitfaserende
62: Kollimator-Optik
63: Teilreflektierender Strahlteiler
64: Fokussier-Optik
66: Schutzglas
67: Letzte Grenzfläche
69: Optische Achse der Laseroptik
70: Laserstrahl
70': Geänderter Laserstrahl
71: Von letzter Grenzfläche teilreflektierter Strahl
71': Geänderter, von letzter Grenzfläche teilreflektierter Strahl
72, 73, 74: Weitere teilreflektierte Strahlen
77: Fokussierter Laserstrahl
77': Geänderter fokussierter Laserstrahl
79: Laserstrahl-Fokus
79': Verschobener Laserstrahl-Fokus
80: Zwischenfokus
80': Defokussierter Zwischenfokus
85: Zweiter Zwischenfokus
87: Reflektierendes oder teilreflektierendes Element
88: Reflektierter oder teilreflektierter Strahl
210: Weitere Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung
220: Weitere Detektoreinheit

Bezugszeichenliste

a₁: Laterale Position des ersten Strahlflecks
a₁': Laterale Position des verschobenen ersten Strahlflecks
a₂: Laterale Position des zweiten Strahlflecks
a₂': Laterale Position des verschobenen zweiten Strahlflecks
a_s: Abstand zwischen der Position des ersten Strahlflecks und der Position des zweiten Strahlflecks
a_s': Abstand zwischen der Position des verschobenen ersten Strahlflecks und der Position des verschobenen zweiten Strahlflecks
b₁: Laterale Position des ersten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl
b₁': Laterale Position des verschobenen ersten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl
b₂: Laterale Position des zweiten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl
b₂': Laterale Position des verschobenen zweiten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl
b_s: Abstand zwischen der Position des ersten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl und der Position des zweiten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl
bs': Abstand zwischen der Position des verschobenen ersten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl und der Position des verschobenen zweiten Strahlflecks vom zweiten Messstrahl
d₁: Breite des ersten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung
d₂: Breite des zweiten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung
r₁: radialer Abstand des Mittelpunktes des ersten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse
r₂: radialer Abstand des Mittelpunktes des zweiten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse
x, y: laterale, zur optischen Achse senkrechte Koordinaten-Richtungen
zos: Abstand zwischen der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung und der Detektoreinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011054941 B3 [0007, 0009, 0010]
DE 19823951 A1 [0007]
DE 102007053632 A1 [0010]
DE 102015001421 B4 [0014]
DE 102013227031 A1 [0015]
DE 102011007176 A1 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN ISO 11146 [0015, 0018]

Claims

Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung eines Zustandes eines Strahls aus Licht, umfassend - eine Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36), die zum Empfang eines ersten Messstrahls (40) eingerichtet ist, und die wenigstens eine erste Selektionsvorrichtung (11, 35) zur Bildung eines ersten Teilstrahls (41) aus einem ersten Teil-Aperturbereich des ersten Messstrahls (40) umfasst, und die weiterhin eine Abbildungseinrichtung (16) mit wenigstens einem abbildendenen optischen Element (17) umfasst, - eine Detektoreinheit (20) mit wenigstens einem zumindest eindimensional ortsauflösenden lichtempfindlichen Detektor (21), die in einem Abstand (zos) zur Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10) angeordnet ist, und - eine Auswertungseinheit (25) zur Verarbeitung von Signalen der Detektoreinheit (20), wobei die erste Selektionsvorrichtung (11, 35) bezüglich einer für die Einstrahlung des ersten Messstrahls (40) vorgesehenen optischen Achse (39) außermittig angeordnet ist, wobei die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) dazu eingerichtet ist, den ersten Teilstrahl (41) zur Erzeugung eines ersten Strahlflecks (45) auf die Detektoreinheit (20) abzubilden, wobei die Detektoreinheit (20) zur Erfassung einer Intensitätsverteilung des ersten Strahlflecks (45) eingerichtet ist, wobei die Auswertungseinheit (25) zur Bestimmung einer lateralen Position (a₁) des ersten Strahlflecks (45) eingerichtet ist, und wobei die Auswertungseinheit (25) zur Bestimmung von zeitlichen Änderungen der lateralen Position (a₁, a₁') des ersten Strahlflecks (45, 45') eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Änderung einer axialen Fokus-Position oder Zwischenfokus-Position (80, 80') des Messstrahls (40, 40') korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position (a₁, a₁') des ersten Strahlflecks (45, 45') auf der Detektoreinheit (20).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein radialer Abstand (r₁) des Mittelpunktes des durch die erste Selektionsvorrichtung (11, 35) definierten ersten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse (39) mindestens so groß ist wie eine Breite (d₁) des ersten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Auswertungseinheit (25) eingerichtet ist zur Bestimmung der lateralen Position des ersten Strahlflecks (45) mittels Berechnung des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung des Strahlflecks (45), und/oder mittels Bestimmung eines Randes oder einer Umfangskontur des Strahlflecks (45), und/oder mittels Bestimmung einer geometrischen Mitte des Strahlflecks (45), und/oder mittels Anpassung einer Soll-Intensitätsverteilung an die erfasste Intensitätsverteilung des Strahlflecks (45).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) zum Empfang des ersten Messstrahls (40) und wenigstens eines zweiten Messstrahls (50) eingerichtet ist, wobei die Messstrahlen (40, 50) auf der gleichen optischen Achse (39) überlagert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Auswertungseinheit (25) eingerichtet ist zur Identifizierung wenigstens zweier Strahlflecke (45, 46, 47, 48, 55, 56, 57, 58) in einer von der Detektoreinheit (20) erfassten Intensitätsverteilung, und zur Bestimmung der lateralen Positionen (a₁, a₂, b₁, b₂) der wenigstens zwei identifizierten Strahlflecke (45, 46, 47, 48, 55, 56, 57, 58).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) weiterhin wenigstens eine zweite Selektionsvorrichtung (12, 36) zur Bildung eines zweiten Teilstrahls (42) aus einem zweiten Teil-Aperturbereich des ersten Messstrahls (40) umfasst, und wobei die Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) dazu eingerichtet ist, den zweiten Teilstrahl (42) zur Erzeugung eines zweiten Strahlflecks (46) auf die Detektoreinheit (20) abzubilden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei ein radialer Abstand (r₂) des Mittelpunktes des durch die zweite Selektionsvorrichtung (12, 36) definierten zweiten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse (39) mindestens so groß ist wie eine Breite (d₂) des zweiten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der durch die erste Selektionsvorrichtung (11, 35) ausgewählte erste Teil-Aperturbereich und der durch die zweite Selektionsvorrichtung (12, 36) ausgewählte zweite Teil-Aperturbereich nicht aneinandergrenzen, und wobei ein Abstand (r₁ + r₂) vom Mittelpunkt des ersten Teil-Aperturbereichs zum Mittelpunkt des zweiten Teil-Aperturbereichs mindestens so groß ist wie die Summe der Breiten (d₁ + d₂) des ersten und des zweiten Teil-Apertur-Bereichs.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei vor der Teilstrahl-Abbildungsvorrichtung (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36) ein teilreflektierender Strahlteiler (63) angeordnet ist zur Erzeugung des Messstrahls (40) mittels Auskopplung eines definierten Strahlanteils aus einem auf den Strahlteiler (63) gerichteten Lichtstrahl oder Laserstrahl (70).
Optisches System, umfassend eine Laseroptik (60) für einen Laserstrahl (70) und eine Strahlanalysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Laseroptik (60) einen teilreflektierenden Strahlteiler (63) zur Auskopplung des Messstrahls (40) aus dem Laserstrahl (70) hin zu der Strahlanalysevorrichtung umfasst, und wobei die Strahlanalysevorrichtung zum Empfang des über den Strahlteiler (63) ausgekoppelten Messstrahls (40) eingerichtet ist.
Optisches System, umfassend eine Laseroptik (60) für einen Laserstrahl (70) und eine Strahlanalysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Laseroptik (60) umfasst: - eine Grenzfläche eines optischen Elements (64, 66) der Laseroptik (60) zur Erzeugung eines teilreflektierten Strahls (71) aus dem Laserstrahl (70), und - einen teilreflektierenden Strahlteiler (63) zur Auskopplung des Messstrahls (40) aus dem teilreflektierten Strahl (71) hin zu der Strahlanalysevorrichtung, wobei die Strahlanalysevorrichtung zum Empfang des über den Strahlteiler (63) ausgekoppelten Messstrahls (40) eingerichtet ist.
Optisches System, umfassend eine Laseroptik (60) für einen Laserstrahl (70) und eine Strahlanalysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Laseroptik (60) umfasst: - eine Grenzfläche eines optischen Elements (64, 66) der Laseroptik (60) zur Erzeugung eines teilreflektierten Strahls (71) aus dem Laserstrahl (70), - wenigstens eine weitere Grenzfläche eines optischen Elements (64, 66) der Laseroptik (60) zur Erzeugung wenigstens eines weiteren teilreflektierten Strahls (72, 73, 74) aus dem Laserstrahl (70), und - einen teilreflektierenden Strahlteiler (63) zur Auskopplung des ersten Messstrahls (40) aus dem teilreflektierten Strahl (71) und wenigstens eines zweiten Messstrahls (50) aus dem wenigstens einen weiteren teilreflektierten Strahl (72, 73, 74) hin zu der Strahlanalysevorrichtung , wobei die Strahlanalysevorrichtung zum Empfang der über den Strahlteiler (63) ausgekoppelten Messstrahlen (40, 50) eingerichtet ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Grenzfläche zur Erzeugung des teilreflektierten Strahls (71) die als letztes vom Laserstrahl (70) transmittierte Grenzfläche (67) ist, bevor der Laserstrahl (70, 77) aus der Laseroptik (60) austritt.
Optisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Laseroptik (60) eingerichtet ist zur Erzeugung eines Laserstrahl-Fokus (79), und wobei eine Änderung einer axialen Position (79, 79') des Laserstrahl-Fokus korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position (a₁, a₁') des ersten Strahlflecks (45, 45').
Optisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Laseroptik (60) mit einer Führungsmaschine verbunden ist, welche zum Einstellen einer axialen Position eines Laserstrahl-Fokus (79) der Laseroptik (60) eingerichtet ist, und wobei eine Steuerung der Führungsmaschine mit der Auswertungseinheit (25) gekoppelt ist zum Empfang von Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks (45) auf der Detektoreinheit (20) bestimmt sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Laseroptik (60) eine axial bewegbare Linse oder Linsengruppe enthält, deren Position mittels einer Translationseinrichtung (27) einstellbar ist, und wobei die Translationseinrichtung (27) eingerichtet ist zur Steuerung der Position der Linse oder der Linsengruppe in Abhängigkeit eines von der Auswertungseinheit (25) bereitgestellten Wertes, welcher aus der Position des zumindest einen Strahlflecks (45) auf der Detektoreinheit (20) bestimmt ist.
Strahlanalyseverfahren zur Bestimmung eines Zustandes eines Strahls aus Licht, umfassend die Schritte: - Bilden eines ersten Teilstrahls (41) aus einem ersten Messstrahl (40) durch Auswählen eines ersten Teil-Aperturbereichs aus dem Messstrahl (40), wobei der erste Teil-Aperturbereich außermittig bezüglich einer optischen Achse (39) des Messstrahls (40) angeordnet ist, - Abbilden des ersten Teilstrahls (41) auf eine Detektoreinheit (20) zur Erzeugung eines ersten Strahlflecks (45) auf der Detektoreinheit (20), wobei die Detektoreinheit (20) wenigstens einen zumindest eindimensional ortsauflösenden lichtempfindlichen Detektor (21) beinhaltet, - Registrieren einer Intensitätsverteilung mittels der Detektoreinheit (20), wobei die Intensitätsverteilung Strahlintensitätswerte des ersten Strahlflecks (45) enthält, - Bestimmen einer lateralen Position (a₁) des ersten Strahlflecks (45) aus der registrierten Intensitätsverteilung, - Bestimmen von zeitlichen Änderungen der lateralen Position (a₁, a₁') des ersten Strahlflecks (45, 45'), - Bereitstellen der lateralen Position (a₁) des ersten Strahlflecks (45) oder eines Änderungswertes der lateralen Position (a₁, a₁') oder eines Wertes, welcher aus der lateralen Position oder aus der Änderung der lateralen Position ermittelt ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei eine Änderung einer axialen Fokus-Position oder Zwischenfokus-Position (80, 80') des Messstrahls (40, 40') korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position (a₁, a₁') des ersten Strahlflecks (45, 45') auf der Detektoreinheit (20).
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei ein radialer Abstand (r₁) des Mittelpunktes des ersten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse (39) mindestens so groß ist wie eine Breite (d₁) des ersten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei das Bestimmen der lateralen Position des ersten Strahlflecks (45) mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: - Berechnen des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung des Strahlflecks (45), - Bestimmen eines Randes oder einer Umfangskontur des Strahlflecks (45), - Bestimmen einer geometrischen Mitte des Strahlflecks (45), - Anpassen einer Soll-Intensitätsverteilung an die erfasste Intensitätsverteilung des Strahlflecks (45).
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, mit den weiteren Verfahrensschritten: - Bilden eines weiteren ersten Teilstrahls (51) aus einem zweiten Messstrahl (50) durch Auswählen des ersten Teil-Aperturbereichs aus dem zweiten Messstrahl (50), wobei der erste Messstrahl (40) und der zweite Messstrahl (50) auf der gleichen optischen Achse (39) überlagert sind, und - Abbilden des weiteren ersten Teilstrahls (51) des zweiten Messstrahls (50) auf die Detektoreinheit (20) zur Erzeugung eines weiteren ersten Strahlflecks (55) auf der Detektoreinheit (20).
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, mit den weiteren Verfahrensschritten: - Identifizieren wenigstens zweier Strahlflecke (45, 46, 47, 48, 55, 56, 57, 58) in der von der Detektoreinheit (20) registrierten Intensitätsverteilung, und - Bestimmen von lateralen Positionen (a₁, a₂, b₁, b₂) der wenigstens zwei identifizierten Strahlflecke (45, 46, 47, 48, 55, 56, 57, 58).
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, mit den weiteren Verfahrensschritten: - Bilden eines zweiten Teilstrahls (42) aus dem ersten Messstrahl (40) durch Auswählen eines zweiten Teil-Aperturbereichs aus dem Messstrahl (40), - Abbilden des zweiten Teilstrahls (42) auf die Detektoreinheit (20) zur Erzeugung eines zweiten Strahlflecks (46) auf der Detektoreinheit (20).
Verfahren nach Anspruch 24, wobei ein radialer Abstand (r₂) des Mittelpunktes des zweiten Teil-Aperturbereichs zur optischen Achse (39) mindestens so groß ist wie eine Breite (d₂) des zweiten Teil-Aperturbereichs in radialer Richtung.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei der erste Teil-Aperturbereich und der zweite Teil-Aperturbereich nicht aneinandergrenzen, und wobei ein Abstand (r₁ + r₂) vom Mittelpunkt des ersten Teil-Aperturbereichs zum Mittelpunkt des zweiten Teil-Aperturbereichs mindestens so groß ist wie die Summe der Breiten (d₁ + d₂) des ersten und des zweiten Teil-Apertur-Bereichs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei der erste Messstrahl (40) mittels Auskopplung eines definierten Strahlanteils aus einem Lichtstrahl oder Laserstrahl (70) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei der erste Messstrahl (40) gebildet wird durch Auskoppeln eines definierten Strahlanteils aus einem in einer Laseroptik (60) geführten Laserstrahl (70) mittels eines teilreflektierenden Strahlteilers (63), der in der Laseroptik (60) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, zusätzlich umfassend die Verfahrensschritte: - Erzeugung eines teilreflektierten Strahls (71) aus einem in einer Laseroptik (60) geführten Laserstrahl (70) durch Teilreflexion an einer Grenzfläche eines optischen Elements (64, 66) der Laseroptik (60), - Propagieren des teilreflektierten Strahls (71) entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls (70), und - Erzeugen des Messstrahls (40) durch Auskoppeln eines definierten Strahlanteils aus dem teilreflektierten Strahl (71) mittels eines teilreflektierenden Strahlteilers (63), der in der Laseroptik (60) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 29, zusätzlich umfassend die Verfahrensschritte: - Erzeugung wenigstens eines weiteren teilreflektierten Strahls (72, 73, 74) aus dem in der Laseroptik (60) geführten Laserstrahl (70) durch Teilreflexion an wenigstens einer weiteren Grenzfläche eines optischen Elements (64, 66) der Laseroptik (60), - Propagieren des weiteren teilreflektierten Strahls (72) entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls (70), und - Erzeugen eines zweiten Messstrahls (50) durch Auskoppeln eines definierten Strahlanteils aus dem weiteren teilreflektierten Strahl (72) mittels des teilreflektierenden Strahlteilers (63).
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, wobei die Grenzfläche zur Erzeugung des teilreflektierten Strahls (71) die als letztes vom Laserstrahl (70) transmittierte Grenzfläche (67) ist, bevor der Laserstrahl (70, 77) aus der Laseroptik (60) austritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, wobei mittels der Laseroptik (60) ein Laserstrahl-Fokus (79) erzeugt wird, und wobei eine Änderung einer axialen Position (79, 79') des Laserstrahl-Fokus korreliert ist mit einer Änderung der lateralen Position (a₁, a₁') des ersten Strahlflecks (45, 45').
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, wobei eine axiale Position eines Laserstrahl-Fokus (79) der Laseroptik (60) relativ zu einem Werkstück mittels einer mit der Laseroptik (60) verbundenen Führungsmaschine eingestellt wird, und wobei Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks (45) auf der Detektoreinheit (20) bestimmt sind, an eine Steuerung der Führungsmaschine übermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, wobei eine axiale Position eines Laserstrahl-Fokus (79) eingestellt wird mittels einer in der Laseroptik (60) angeordneten axial bewegbaren Linse oder Linsengruppe, deren Position mittels einer Translationseinrichtung (27) eingestellt wird, und wobei Daten, die aus der Position des zumindest einen Strahlflecks (45) auf der Detektoreinheit (20) bestimmt sind, an die Translationseinrichtung (27) zur Steuerung und/oder Regelung der Position der Linse oder der Linsengruppe übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, wobei die Position des Laserstrahl-Fokus (79) relativ zu einem Werkstück während einer Lasermaterialbearbeitung in einer definerten Lage gehalten wird.