用于贝塞尔射束加工光学器件的调整设备和方法与流程

1.本发明涉及一种用于调整激光加工机器的加工光学器件的设备，该激光加工机器的加工光学器件尤其在待加工的工件中构造贝塞尔射束聚焦区。此外，本发明涉及一种用于调整加工光学器件的系统和一种用于调整激光加工机器中的加工光学器件的方法。


背景技术：

2.例如在wo 1216/079062 a1中公开了用于关于构造贝塞尔射束的射束成形的示例性光学系统。所基于的光学构思可以在所谓的加工光学器件中对入射激光束执行相位施加以用于射束成形。在此，该相位施加可以考虑如由例如待加工的工件引起的像差的矫正。示例性地，倾斜的或圆柱形的玻璃工件产生相位贡献，这在相位施加时应该加以考虑，因为否则工件中的贝塞尔射束不会以预期的方式构造。然而，在加工光学器件中实现的这种光学构思难以调整，因为由于射束成形中的纳入的像差矫正，例如射束的均匀性或对称性等调整特征在工件之后不再存在，且因此不能用于调整。因此，加工光学器件中的例如射束成形元件和聚焦透镜的正确定向变得更加困难。


技术实现要素：

3.本公开内容的一个方面所基于的任务在于，简化激光加工机器中的加工光学器件的调整。另一个任务在于，能够获得关于尤其在材料中构造的贝塞尔射束聚焦区的信息，如所述贝塞尔射束聚焦区的长度。
4.这些任务中的至少一个任务是通过根据权利要求1所述的用于调整加工光学器件的设备、根据权利要求12所述的用于调整激光加工机器中的加工光学器件的系统、根据权利要求19所述的用于调整加工光学器件的方法、以及根据权利要求20所述的用于测量贝塞尔射束聚焦区的方法来实现的。
5.一个方面包括一种用于调整激光加工机器的加工光学器件的设备，其中，加工光学器件构造用于在激光加工机器中对激光束如此进行成形并且沿着入射射束轴线使激光束聚焦，使得加工激光束能够在待加工的工件中构造预设的贝塞尔射束聚焦区。该设备包括：
6.入射区域，该入射区域用于接收加工激光束，
7.聚焦区构造区域，该聚焦区构造区域设置用于，使得通过所接收的加工激光束能够沿着目标轴线构造测量聚焦区，以及
8.成像单元，该成像单元具有透镜和探测器表面，其中，透镜将测量激光辐射成像到探测器表面上，该测量激光辐射在已经构造测量聚焦区之后沿着由目标轴线预给定的成像轴线离开聚焦区构造区域。
9.在另一方面，本公开内容包括一种用于调整激光加工机器中的加工光学器件的系统，其中，加工光学器件构造用于，通过对激光束上施加相位变化(phasenverlauf)在基本透明的工件中产生预设的贝塞尔射束聚焦区。该系统包括激光加工机器和如上所述的设
备，该激光加工机器具有用于产生激光束的激光束源和该加工光学器件，该设备包括成像单元和可选地工件模型(werkst
ü
ck-imitats)。加工光学器件具有射束成形光学单元和聚焦透镜单元，其中，射束成形光学单元构造用于加工具有以下工件表面的工件，该工件表面的几何形状对应于工件模型的入射表面的几何形状，并且其中，射束成形光学单元与聚焦透镜单元一起设置用于将激光束成形为加工激光束，该加工激光束沿着入射射束轴线传播，并且能够导致在待加工的工件中沿着目标轴线构造预设的贝塞尔射束聚焦区。预设的贝塞尔射束聚焦区从尤其倾斜或弯曲的工件表面上的照射点出发沿着目标轴线延伸到待加工的工件中。激光加工机器还包括第一支架，射束成形光学单元相对于激光束侧向可定位地保持在该第一支架中。该设备相对于加工光学器件如此定位和设置，使得沿入射射束轴线进入该设备的加工激光束作为远场中的测量激光辐射照射在成像单元的探测器表面上。
10.在另一方面，本公开包括一种用于调整激光加工机器中的加工光学器件的方法，其中，加工光学器件具有射束成形光学单元和聚焦透镜单元，其中，光学单元在激光加工机器的激光束的射束路径上借助第一支架定位，并且构造用于对激光束的侧向射束轮廓的相位施加，使得在借助聚焦透镜单元正确调整加工光学器件的情况下，对于以预给定入射角度照射预给定照射点的加工激光束，在工件中产生贝塞尔射束聚焦区。该方法包括以下步骤：
11.预调整加工光学器件和该设备，使得激光束经历相位施加并且被聚焦透镜单元作为加工激光束聚焦到聚焦区构造区域中、尤其到可选的工件模型中，
12.(作为可选的步骤)如此定向工件模型，使得加工激光束沿着入射射束轴线入射到该设备中，尤其照射到工件模型上，
13.将尤其从工件模型中射出的测量激光辐射的远场成像到分析平面上，以及
14.调整射束成形光学单元和可选的聚焦透镜单元的位置，使得在分析平面中得到测量激光辐射的基本旋转对称的射束轮廓。
15.可选地，可以调设在此描述的包括成像单元和可选地工件模型的设备，以便将测量激光辐射的远场成像到分析平面上。
16.在另一方面，本公开包括一种用于测量贝塞尔射束聚焦区、尤其贝塞尔射束聚焦区的长度的方法，贝塞尔射束聚焦区应借助激光加工机器在工件中产生，其中，激光加工机器具有加工光学器件，该加工光学器件包括射束成形光学单元和聚焦透镜单元，其中，光学单元构造用于对激光束的侧向射束轮廓的相位施加，使得对于从聚焦透镜单元射出并且以预给定入射角度照射预给定照射点的加工激光束，在工件中沿着目标方向产生预设的贝塞尔射束聚焦区。该方法包括以下步骤：
17.(作为可选的步骤)根据上述方法调整加工光学器件，使得在构造测量聚焦区的情况下将加工激光束聚焦到聚焦区构造区域中、尤其到可选的工件模型中，以及
18.通过借助透镜将尤其从工件模型射出的测量激光辐射聚焦到分析平面上，在沿着成像轴线移位透镜的情况下扫描测量聚焦区。
19.可选地，在此描述的包括成像单元和可选地工件模型的设备可以调设成将测量激光辐射聚焦到分析平面上。
20.在该设备的一些实施方式中，透镜和探测器表面可以沿着成像轴线布置，并且探
测器表面可以是摄像机的一部分。透镜尤其可以被分配有平行于成像轴线延伸的透镜轴线和/或探测器表面在成像轴线垂直于其延伸的平面中延伸。
21.在该设备的一些实施方式中，成像单元还可以具有用于安装工件模型的止挡件(anschlag)，其中，止挡件在对于成像轴线的预给定定向上限定止动区域。止动区域尤其可以设置用于工件模型的平面式的出射表面相对于目标轴线的正交的定向。
22.在该设备的一些实施方式中，成像单元可以包括：
[0023]-用于沿着成像轴线移位透镜的平移单元，
[0024]-用于沿着成像轴线移位探测器表面的平移单元，和/或
[0025]-用于沿着成像轴线共同地移位透镜和探测器表面的平移单元。
[0026]
可选地，这些平移单元中的至少一个可以设置用于，调设相应部件与聚焦区构造区域、尤其与用于安装工件模型的止挡件的间距。
[0027]
在一些实施方式中，该设备还可以具有旋转单元，该旋转单元构造用于可旋转地支承成像单元，以便提供成像轴相对于入射射束轴线的旋转。
[0028]
在一些实施方式中，该设备还可以具有作为调整元件的工件模型，该工件模型具有入射表面和平面式的出射表面并且如此布置在聚焦区构造区域中，使得
[0029]-平面式的出射表面垂直于目标轴线定向，
[0030]-入射表面在以下照射点处相对于入射射束轴线布置，使得延伸穿过工件模型的目标轴线在尤其由预设的贝塞尔射束聚焦区给出的预给定方向上延伸，加工激光束沿着入射射束轴线在所述照射点处照射到工件模型上。
[0031]
在一种扩展方案中，成像单元还可以具有用于安装工件模型的止挡件，其中，止挡件限定用于将工件模型安装到以下位置中，在该位置出射表面垂直于成像轴线定向。附加地或替代地，目标轴线相对于入射射束轴线的定向可以由工件模型的屈光折射率(refraktiven brechungsindex)给出，并且可以尤其相对于激光束沿着入射射束轴线的照射点来确定。
[0032]
在一种扩展方案中，入射表面可以区段式地(abschnittsweise)构造成圆柱外壳形状(zylindermantelform)。可选地，在入射射束轴线径向延伸至圆柱外壳形状的情况下，平面式的出射表面可以垂直于入射射束轴线延伸。
[0033]
在一种扩展方案中，目标轴线可以相对于入射表面的照射点处的切向平面正交地或非正交地延伸。此外，入射射束轴线可以可选地相对于切向平面式的法向向量成0
°
到50
°
范围内的角度延伸，尤其20
°
到40
°
范围内的角度延伸。
[0034]
在该设备的一些实施方式中，成像单元在第一运行设置中可以设置用于检测远场中的测量激光辐射的横向射束轮廓，并且在第二运行设置中可以设置用于，借助透镜和摄像机的定位将尤其在工件模型中构造的测量聚焦区的起点或终点成像到探测器表面上。
[0035]
在该系统的一些实施方式中，该设备的工件模型可以相对于加工光学器件如此定位和定向，使得沿着入射射束轴线入射到工件模型上的加工激光束作为测量激光辐射从工件模型出射。
[0036]
在该系统的一些实施方式中，激光加工机器还可以包括第二支架，聚焦透镜单元相对于光学单元侧向地并且可选地沿着聚焦透镜单元的光学轴线可定位地保持在该第二支架中。
[0037]
在该系统的一些实施方式中，成像单元的摄像机可以构造用于输出从工件模型射出的测量激光辐射的远场中的射束轮廓的图像记录。
[0038]
在该系统的一些实施方式中，射束成形光学单元可以包括平面构造的衍射光学元件，该平面构造的衍射光学元件构造用于给激光束施加一进行二维贝塞尔射束成形的相位分布。
[0039]
在该系统的一些实施方式中，此外，在加工光学器件的调整状态下，第一支架可以如此定位射束成形光学单元并且第二支架可以如此定位聚焦透镜单元，使得探测器表面上的远场的射束轮廓关于成像轴线基本上旋转对称。
[0040]
在该系统的一些实施方式中，预设的贝塞尔射束聚焦区所基于区域的可以如此被测定(bemessen)，使得测量聚焦区在工件模型中的构造基本上在预设的贝塞尔射束聚焦区的长度上进行，在该区域中，工件模型的入射表面的几何形状对应于待加工的工件的工件表面的几何形状。
[0041]
在此提出的构思使得可以调整加工光学器件，目标是确保在工件中不受干扰地构造贝塞尔射束聚焦区，尽管存在待加工的工件的引起像差的几何形状。此外，在此提出的构思使得能够测量如在工件中构造的贝塞尔射束聚焦区。
[0042]
根据本发明的设备的可能的模块化结构还允许不同工件模型与相同成像单元一起使用。
附图说明
[0043]
在此公开了允许至少部分地改进现有技术的方面的构思。尤其，另外的特征和它们的便利性从下面参照附图对实施例的描述得出。在附图中示出：
[0044]
图1示出具有贝塞尔射束聚焦区的用于材料加工的激光加工机器的示意性空间图示，
[0045]
图2(a)至图2(c)示出用于阐明三个示例性工件的加工几何形状的示意图，
[0046]
图3示出用于调整加工光学器件的设备的示意性图示，示例性地以使用针对根据图2(a)的加工几何形状的、楔形的工件模型的方式，
[0047]
图4(a)至图4(d)示出根据本发明的设备的探测器表面上的射束轮廓的示例性视图，
[0048]
图5示出用于调整加工光学器件的设备的示意性图示，示例性地以使用针对根据图2(b)的加工几何形状的、具有弯曲表面的工件模型的方式，
[0049]
图6示出用于调整加工光学器件的设备的示意性图示，示例性地以使用针对根据图2(b)的加工几何形状的、具有平面平行的表面的工件模型的方式，
[0050]
图7示出用于阐明借助根据本发明的设备在具有平面平行的表面的工件模型中测量贝塞尔射束聚焦区的长度的示意图，以及
[0051]
图8示出用于阐明能够使用根据本发明的设备的设置模式的流程图。
具体实施方式
[0052]
在此所描述的方面部分地基于以下认识：在用激光束加工工件的过程中能够得到以下光学条件，该光学条件需要补偿光学部件的、尤其待加工的工件的引起像差的影响。二
维侧向射束轮廓上的相位分布的该补偿可以集成到加工光学器件中。发明人已经认识到，通过相位补偿使得特别匹配的加工光学器件的调整更加困难。然而，如果根据本发明的引起像差的光学元件(在此称为工件模型，werkst
ü
ck-imitate)在调整期间相应地得到使用并且用于射束变化过程的分析，则仍然可以进行调整。在此，工件模型被如此定位在射束路径上，使得在工件模型中构造期望的贝塞尔射束聚焦区。因此，在入射侧上构造工件模型，如同待加工的工件一样。
[0053]
对于贝塞尔射束聚焦区的分析，发明人现在还认识到，工件模型在出射侧处可以如此构造，使得从工件模型射出的激光辐射能够用于分析。为此提出，将工件模型的出射侧构造为平面式的出射表面，并且平面式的出射表面相对于工件中预期的贝塞尔射束聚焦区如此定向，使得沿着根据需要构造的贝塞尔射束聚焦区延伸的目标轴线垂直于出射表面延伸。根据本发明，从出射表面射出的激光束随后借助于透镜成像到探测器表面上。
[0054]
此外，发明人已经认识到，借助这种提出的光学构思，如果相应地调设透镜的位置，则可以测量贝塞尔射束聚焦区的特性。在此，所提出的测量构思可以在需要使用工件模型的、引起像差的光学配置下使用，并且还可以在无像差的光学配置(例如，也没有工件模型)的情况中使用。例如，贝塞尔射束聚焦区中的强度扫描可以通过在正确的调整的情况下沿着目标轴线、即沿着工件中的射束传播方向扫描(移动)透镜来进行。以这种方式可以确定工件模型中实际存在的贝塞尔射束聚焦区的长度。假设相应地配置、即构造和定向入射侧，那么在待加工的工件中也存在所述长度。
[0055]
此外，所提出的光学构思、尤其模块可以用于：通过测量一位置处的环宽度或测量沿着聚焦区的强度来测量平面基底的光学厚度或者由于基底而产生的像差。
[0056]
通常，在此提出的用于调整激光加工机器的加工光学器件的构思可以实现为具有引起像差的元件和可选地像差矫正元件的系统。加工光学器件的调整可以基于例如定位在引起像差的元件的射束下游的探测器的射束轮廓记录的图像处理。由于借助工件模型以“工件状(werkst
ü
ck-artig)”的方式进行的对像差的补偿，所以存在简单的调整特征，如环形的射束轮廓的对称性。
[0057]
根据本发明提出，使用工件模型作为补偿像差的光学调整元件(示例性地，在下图中的斜边或圆柱形透镜)。工件模型用于模仿如在射束成形元件中所进行的有效像差补偿中加以考虑的、计划的入射角度和计划的入射几何形状。工件模型的几何形状和成形还使得能够实现从工件模型的平面测试表面(后侧)正交出射，使得在正确调整的情况下，贝塞尔射束可以再次“正确”传播(没有像差矫正器)，并且因此可以评估射束轮廓的对称性并且将其用于调整。
[0058]
以下参照参考附图的示例性地更详细地说明本发明的构思。
[0059]
图1是激光加工机器1的示意性图示，该激光加工机器构造用于材料加工，例如用于透明材料板的激光切割或用于将材料变型引入透明材料。
[0060]
激光加工机器1包括用于产生初级激光束5的激光束源2、以及加工光学器件3。加工光学器件3构造用于如此对激光束5进行成形，使得在工件(例如参见图2中的工件9、9
‘
、9")中构造期望的聚焦区7。示例性地，加工光学器件3包括射束成形光学单元11和聚焦透镜单元13(又称为加工镜头)。示例性地，图1表明射束成形光学单元11可以构造用于透镜11a和轴锥镜11b的相位施加。射束成形光学单元11，例如作为平面衍射光学元件、尤其作为空
间光调制器(slm)或作为相位板(即在相位方面可调设或固定地调设)可以在入射激光束5上、尤其在其横向射束轮廓上施加预给定的二维相位分布。在此，示例性地参考一开始引用的wo 1216/079062a1。
[0061]
在图1中的布置的示例中，射束成形光学单元11在射束成形光学单元11的射束下游实现真实的贝塞尔射束聚焦区7
‘
。聚焦透镜13(与透镜11a的施加相位一起)以缩小方式将所述真实的贝塞尔射束聚焦区7
‘
成像到贝塞尔射束聚焦区7上，使得在贝塞尔射束聚焦区7中产生高强度，如工件的预期的(beabsichtigt)材料加工所需的高强度。从加工光学器件3射出的激光束在图3中以示例的方式表明为构造环形射束轮廓的聚焦贝塞尔射束5a。
[0062]
图1示意性地示出了贝塞尔射束聚焦区7中的强度i的变化过程8。在此假设，加工光学器件3如此构造，使得在正确调整的情况下贝塞尔射束聚焦区7沿着目标轴线(在图1中的z方向上)构造。贝塞尔射束聚焦区7可以在几个100μm上延伸，且因此在材料中产生例如拉长的变型区。
[0063]
此外，在图1中可以看出用于射束成形光学单元11的支架15和用于聚焦透镜单元13的支架17。支架15、17可以为调整提供平移自由度或旋转自由度。示例性地，支架15可以实现例如射束成形光学单元11在x-y平面中的调整，并且还可能实现射束成形光学单元11在x-y平面中的旋转。支架17可以允许例如设置聚焦透镜单元13在x-y平面中的位置，并且还可能允许聚焦透镜单元13在z方向上的平移。
[0064]
如果贝塞尔射束聚焦区7定位在工件中，并且具有所需功率的激光束5耦合进入，则激光辐射与贝塞尔射束聚焦区7中的工件材料相互作用并且在贝塞尔射束聚焦区7的长度上实现材料结构的预期的变型(modifikation)。在工件中引入的变型的串(aufreihung)可以用于例如将工件分成两部分。
[0065]
然而，当激光束5a入射到工件中时，如果不考虑在入射时引起的相位贡献，则贝塞尔射束聚焦区7在材料中的构造可能会受到工件表面的走向和工件材料的折射率的影响。
[0066]
例如，如图2(a)中所示，可以借助贝塞尔射束聚焦区执行材料加工，该贝塞尔射束聚焦区相对于工件9的入射表面9a成一角度延伸。示例性地，图2(a)说明在工件9中相应产生的变型19的串。工件9中的变型19可以例如借助激光脉冲序列结合工件9相对于贝塞尔射束聚焦区的线性运动而产生。
[0067]
然而，到入射表面9a上的倾斜入射导致在工件9中传播的激光束的像散干扰，由此激光辐射的干涉性能也受到影响。为了在工件9中构造不受干扰的贝塞尔射束聚焦区(该贝塞尔射束聚焦区的形状对应于图1中所示的贝塞尔射束聚焦区7)，可以通过以像差矫正匹配相位施加来预补偿像散干扰。例如，在图1中的布置中，这种预补偿可以由射束成形光学单元11执行，并且包括在二维相位施加的计算中。
[0068]
图2(b)示出了工件9
‘
的产生像散的工件几何形状的另一示例。工件9
‘
具有在一个方向上弯曲的入射表面9a
‘
。在图2(b)中的示例性情况下，变型19
‘
应相对于弯曲的入射表面9a
‘
上的切向平面t正交地(即平行于切向平面t的法向向量n)引入工件9
‘
中。由于入射表面9a
‘
在一个方向上的曲率，在此也需要借助射束成形光学单元11如此进行像差矫正，使得激光辐射以没有像差的方式成形工件9
‘
中的贝塞尔射束聚焦区，并且根据需要构造变型19
‘
。
[0069]
为了完整性，图2(c)示出了具有平面入射表面9a"和与之平行的出射表面9b"的工
件9"。例如，平面平行构造的工件9"因此应设置有相对于入射表面9a"正交延伸的变型11"，其中，例如，预期材料中的变型11"的预给定长度，该长度应被验证。
[0070]
为了能够确保在工件中如期望地构造贝塞尔射束聚焦区，需要射束成形光学单元11和聚焦透镜单元13的正确调整。该正确调整可以例如通过支架15、17的设置来实现。然而，在引起像差的工件配置(werkst
ü
ckkonstellation)的情况下，并不总是能够检查调整。首先，进行像差补偿的相位施加防止激光束5a(没有工件)的聚焦区的直接测量。此外，从工件射出的激光辐射可能在后侧处经历其他像差，使得由从工件射出的激光辐射的分析也不能够直接推断出所构造的聚焦区的形状。
[0071]
图1中所示出的激光加工机器1的光学构思可以简要地总结如下。加工光学器件的中央射束成形元件同样实现施加类轴锥镜的相位，用于执行像差(预)矫正，并且可选地用于通过施加“透镜”相位贡献完成望远镜布置。激光束穿过射束成形元件并且借助聚焦光学器件(例如显微镜镜头)聚焦到基本透明的光学工件上/内，以用于材料加工。
[0072]
然后，图3阐述示例性地针对根据图2(a)的加工几何结构用于调整射束成形加工光学器件3的设备101。
[0073]
在设备101中，楔形的工件模型103用于在入射侧上再现图2(a)的光学配置。在此，包括工件模型103的在下面说明的部件可以布置在壳体102中。
[0074]
壳体102具有入射区域104，从加工光学器件3射出的激光束5a通过该入射区域耦合进入到设备101中。入射区域104例如由壳体102中的开口构造。
[0075]
设备101还提供聚焦区构造区域106，在聚焦区构造区域中，激光束5a构造一用于调整目的或用于测量的贝塞尔射束聚焦区。
[0076]
工件模型103位于图3中的示例性设备101的聚焦区构造区域106中。工件模型103构造为楔形，即平面式的入射表面103a相对于平面式的出射表面103b成角度α(在0
°
到32
°
的角度范围内、尤其在13
°
到26
°
的范围内的)延伸。在照射点109处，激光束5a成角度β照射到入射表面103a上，针对根据图2(a)的材料加工如此选择角度β，使得在加工光学器件3的正确调整的情况下，在所寻求的方向(在此称为目标轴线110)上构造期望的贝塞尔射束聚焦区。
[0077]
然而，为此，在加工光学器件3中进行的相位施加必须考虑角度β和由此得出的像散干扰。假设存在正确调整和必要的预补偿，期望的贝塞尔射束聚焦区在工件中或在工件模型103中沿着目标轴线110延伸。工件模型103中的聚焦区在下文被称为测量聚焦区107。
[0078]
根据本发明，工件模型103在其出射面103b方面如此成形，使得出射面103b垂直于目标轴线110延伸。如果是这种情况，并且存在正确调整和必要的预补偿，则激光辐射以类似贝塞尔射束且不受干扰的方式从工件模型103射出。从工件模型103射出的激光辐射在此被称为测量激光辐射105，该测量激光辐射借助成像单元111探测并且用于调整加工单元3和/或用于测量所构造的聚焦区。
[0079]
如图3中所示的测量激光辐射105的射束路径基于加工光学器件3的正确调整。在从工件模型103射出之后，在图3中看到沿着目标轴线110变宽的强度环。
[0080]
关于加工光学器件的调整，取决于工件模型的表面形状，射束成形元件的(射束成形光学单元11的)像差矫正和在入射到工件模型103中时的像差彼此抵消，使得随后(在假设正确调整的情况下从工件模型射出之后)发生贝塞尔射束的通常的传播和对称且均匀的
远场(强度)环的成形。
[0081]
在成像单元111中，远场环可以被另一镜头(例如显微镜镜头)准直，并且可以借助摄像机115作为探测器来记录，该另一镜头示例性地在图3中示出为透镜113。透镜113表示为例如镜头，如用于加工的加工镜头13。镜头具有例如大于或等于加工镜头的na的na。镜头具有例如大于要测量的有效区域的工作间距。用于探测远场中的测量激光辐射的成像单元111的设置对应于第一设置，该第一设置用于基于所检测的横向射束轮廓进行调整。
[0082]
然后可以调整加工光学器件3的光学元件，其中，可以考虑将测量激光辐射105的远场环的对称性和均匀性用作标准。
[0083]
为了分析测量激光辐射105，设备101具有成像单元111。成像单元111包括透镜113和摄像机115。摄像机115构造成例如区域探测器、尤其是ccd摄像机，并且使得能够记录远场中的侧向射束轮廓(尤其重复记录射束轮廓的图像)。图像记录借助探测器进行，该探测器检测例如(由探测器表面105给出的)分析平面/区域中的入射的测量激光辐射105的强度分布。
[0084]
如图3中所示，成像单元111、尤其透镜113分配有成像轴线117，该成像轴线(很大程度上)应与于用于分析测量激光辐射105的相应工件模型的目标轴线110一致。在图3中，成像轴线117延伸穿过透镜113的中心、相对于透镜113的透镜平面正交地、并且相对于出射表面103b正交地延伸。
[0085]
为了确保目标轴线110和成像轴线117针对不同工件模型的定向，例如可以设置止挡件121，该止挡件限定垂直于成像轴线117的平面。然后，可以在使用止挡件121的情况下如此安装工件模型，使得工件模型的出射表面103b分别垂直于成像轴线117延伸。换句话说，工件模型(如果需要的话)可以纯粹通过机械公差容差的方式安装在设备101中。然后，工件模型103和成像单元111可以共同地如此定向，使得激光束5a在照射点109处成角度β进入工件模型103。
[0086]
整个设备同样可以通过机械止挡件定向到加工光学器件。对于整个设备的定向，还可以例如基于先前垂直于设备定向的原始射束位置，借助于安装在设备中的摄像机来执行重心确定。
[0087]
如图3中所示，探测器(摄像机115)被布置在透镜113的射束下游，使得探测器应将远场(或者稍微偏离远场中可能的焦点123，因为焦点123本身可能太强烈/强度大)检测为具有均匀/同质强度的环。
[0088]
透镜113使发散地从工件模型103射出的测量激光辐射105准直/聚焦，使得所述辐射可以被摄像机115记录。在图3中，如此选择摄像机115的探测器表面115a与透镜113之间的间距d，使得测量激光辐射105照射在中间焦点123之外的探测器表面115a上。
[0089]
借助于设备101调整加工光学器件3的先决条件是成像单元111相对于目标轴线110正确定位，并且对于使用工件模型的情况，工件模型的入射表面相对于加工光学器件3(假设正确调整)以相应于待加工的工件的方式定向。如已经提到的，这将实现，在加工光学器件的正确调整的情况下，工件模型中的贝塞尔射束聚焦区在其传播方向和形状方面对应于预期的贝塞尔射束聚焦区。
[0090]
例如，对于光学部件相对于彼此固定定位的特定应用，可以实现这些先决条件。然而，至少在某些情况下，光学部件的位置的可设置性也可能是符合目的的。下文描述了可设
置性的多个方面，这些方面可以单独或共同使用，以便首先将成像单元111、其次使工件模型103关于加工光学器件3进入为调整而设置的位置中。
[0091]
成像单元111可以包括一个或多个平移单元。示例性地，在图3中说明了用于移位透镜113的平移单元125a(例如轴向移位台)、用于移位探测器表面115a或摄像机115的平移单元125b、以及用于共同地移位透镜113和探测器表面115a或摄像机115的平移单元125c。在此，平移单元173a至125c优选地如此定向，使得移位沿成像轴线117、尤其相对于止挡件121进行。示例性地，通过平移箭头125
‘
阐明该平移。
[0092]
示例性地，平移单元125a可以构造用于设置透镜113与聚焦区构造区域106之间沿着成像轴线117的间距。尤其，平移单元125a可以构造用于相对于贝塞尔射束聚焦区移动分配给透镜113的透镜聚焦位置。示例性地，平移单元125b可以构造用于设置透镜113与探测器表面115a之间的间距，以便将探测器表面115a定位在中间焦点123之外。
[0093]
可选地，还可以借助平移单元125c在维持透镜113与探测器表面115a之间的成像状况的情况下调设透镜113与探测器表面115a相对于聚焦区构造区域106的间距(在安装工件模型的情况下为相对于出射表面103b的间距)。共同的位移可以用于调设探测器表面115a上的射束轮廓的直径。此外能个实现，如果应测量测量聚焦区的几何形状，则使测量聚焦区107进入透镜113的焦点中。
[0094]
此外，图3中说明旋转单元131，其允许成像单元111、尤其目标轴线110/成像轴线117相对于入射射束轴线21的定向并且因此允许角度β的设置。示例性地通过旋转箭头131
‘
阐明旋转。示例性地，成像单元111的光学部件和用于工件模型103的止挡件121安装在共同的底板127上。
[0095]
此外，包括工件模型和成像单元111(可选地包括旋转单元131)的整个单元可以通过另一平移单元133沿着入射射束轴线21能够设置在相对于加工光学器件3的一间距处。
[0096]
最后，示例性地，图3说明了另外的定向止挡件135a、135b，这些定向止挡件可以设置在激光加工机器1的工件支架上，以便关于加工光学器件3定位设备101。在此，止挡件135a涉及设备111在z方向上的定位，并且止挡件135b涉及设备111在x/y方向上的定位。设备111在x/y方向上的定位将入射区域定向至从加工光学器件3射出的激光束5a的目标射束位置/射束方位。根据设备111的不同部件的可设置性，还可以提供一个(或多个)定向止挡件135a、135b在x方向、y方向或z方向上的可设置性。
[0097]
为了加工光学器件的调整，可以使用如存在于探测器表面115a(作为分析平面)的射束轮廓(所述射束轮廓由摄像机115记录)。优选地，探测器表面115a垂直于成像轴线117定向。用于加工光学器件3的光学部件的位置设置的校正信息可以通过在手动或自动化调设加工光学器件3的光学元件的位置时对记录(aufnahme)的视觉的或自动化的评估来实现。
[0098]
图4(a)示出借助摄像机115的、照射在探测器表面115a上的射束轮廓141(如在正确调整的情况下存在的射束轮廓)的记录140。射束轮廓141是旋转对称的并且示出均匀的强度环。为了完整性，图4(a)说明了成像轴线117在射束轮廓141中心的位置。
[0099]
射束轮廓141示出目标射束轮廓，该目标射束轮廓应通过射束成形光学单元11和聚焦透镜单元13的位置的相应设置来获得。
[0100]
如果射束成形光学单元11或聚焦透镜单元13在其在加工光学器件3中的位置方面
没有正确布置，则可能导致探测器表面115a上的射束轮廓变形。图4(b)到图4(d)示例性地示出了需要射束成形光学单元和/或聚焦透镜单元的重新调整的射束轮廓。
[0101]
图4(b)示出变形的、但是关于强度很大程度上是均匀的强度环143a。图4(c)示出了对称的强度环143b，其中，强度分布在环上沿方位角变化。图4(d)示出了其中环形强度区域143c的厚度变化的射束轮廓。
[0102]
通过借助于支架15、17调设射束成形光学单元11和/或聚焦透镜单元13的位置，实现加工光学器件3调整，目标是在探测器表面115a上构造如图4(a)中所展示的射束轮廓141。
[0103]
图5针对图2(b)中所示的加工几何形状阐明了工件模型103
‘
的使用。工件模型103
‘
具有入射表面103a
‘
，该入射表面是至少在一个区段151中沿一个方向弯曲的面。入射表面103a
‘
可以构造为例如圆柱外壳面图5在可以看出示意性截面图示中的曲率。
[0104]
因此，环形加工激光束5a将在待加工的工件中、以及还在工件模型103
‘
中传播，在曲率方向上的传播不同于在相比于不存在曲率的方向上的传播。因此，在加工光学器件3中使用的射束成形光学单元11
‘
将对激光束5进行相位施加，这将进行相应的像差矫正。
[0105]
在该示例中又可以看出，除了射束成形光学单元11’的部件的定位之外，其关于光学轴线的角度的正确定向也是必要的，以便使射束成形光学单元11
‘
与待加工的工件的定向协调一致(einklang)。
[0106]
在图5的示例中，类似于图2(b)，测量聚焦区107
‘
相对于切向平面正交地构造。因此，工件模型103’的出射表面103b
‘
平行于所述切向平面。关于成像单元111的实施以及其部件的可选地可能的可设置性，参考图3的描述。
[0107]
图5中所示的几何形状是加工几何形状的一个示例，其中贝塞尔射束聚焦区的目标轴线相对于切向平面正交地延伸，其中，相对于待加工的工件或工件模型在入射表面的照射点处张开该切向平面，加工激光束沿着入射射束轴线在所述照射点处照射在工件模型上。
[0108]
本领域技术人员将认识到，在贝塞尔射束聚焦区的目标轴线不相对于待加工的工件中或工件模型中的照射点处的切向平面正交地延伸的加工几何结构中，必须借助射束成形光学单元进行更广泛的相位校正。在工件模型的出射表面的相应正交的定向的情况下，在调整时也可以考虑这些相位校正。
[0109]
图6示出了如果应加工例如具有贝塞尔射束聚焦区的平面平行板，则设备101也可以用于借助射束成形光学单元调整加工光学器件。在此，可以在有或没有(平面平行的)工件模型161(以虚线方式展示)的情况下进行调整。
[0110]
因此，图6示出了工件模型161的入射表面161a(至少)在加工激光束5a的入射区域中构造为平面区域。在入射射束轴线相对于入射表面的假定的正交走向的情况下，出射表面平行于入射表面延伸。
[0111]
图7说明在图6的平面平行工件模型161的示例中测量测量聚焦区时设备101的使用。设备101能够实现扫描测量聚焦区107中的强度变化过程并且因此例如通过沿着成像方向117扫描成像单元111来确定工件模型/工件中的贝塞尔射束聚焦区的实际长度。在图7中，示例性地，成像方向117和入射射束轴线21一致。
[0112]
可以看出(尤其与图6相比)，成像单元111中的透镜113和摄像机115的布置示出透镜113与工件模型161/测量聚焦区107之间的较大间距。因此，测量激光辐射105会聚在探测器表面115a上；在图7中可以看出，环形强度分布的直径沿着透镜113与摄像机115之间的成像轴线117减小。
[0113]
在图7中，探测器115定位在会聚测量激光束的焦点处。
[0114]
在图7中示出的用于测量测量聚焦区107的成像单元111的设置对应于第二运行设置，该第二运行设置用于用射束成形元件检查相位施加和针对相位施加的所得聚焦区。在改变到此第二运行设置时，图3中阐明的平移单元125a至125b可以用于透镜113和探测器115的定位。从成像轴线117相对于入射射束轴线21的定向(这是为加工头3的调整而进行的)出发，通常不需要为第二运行设置执行角位置的匹配。
[0115]
为了使用成像单元111的光学配置扫描在几个100μm上延伸的测量聚焦区，例如平移单元125c(见图3)可以用于沿着成像轴线117共同移位透镜113和探测器115。以这种方式，例如可以确定测量聚焦区107的起点171a和终点171b，以便例如检测或检查测量聚焦区107的精确位置和长度。
[0116]
本领域技术人员将认识到，成像单元111的类似配置可以用于例如测量像图3和图5中所示的测量聚焦区一样的测量聚焦区。
[0117]
图8示出了设备101的第一运行设置和设备101的第二运行设置的示例性流程图，所述第一运行设置已经结合图3进行阐述，所述第二运行设置已经结合图7进行阐述。
[0118]
图8涉及一种用于调整加工光学器件的方法，其中可选地附加了用于测量聚焦区的方法(或者该用于测量聚焦区的方法可以独立地执行)。
[0119]
在第一步骤201中，预调整加工光学器件和设备，使得激光束源的激光束经历相位施加，并且被聚焦透镜单元作为加工激光束沿入射射束轴线聚焦到聚焦区构造区域中。如果使用工件模型，则聚焦区构造区域包括工件模型，并且测量聚焦区的聚焦和构造在工件模型中实现。
[0120]
可选地，在步骤203中，工件模型可以如此定向，使得加工激光束沿着分配给该设备的入射射束轴线入射并且尤其成入射角度β照射在工件模型上。
[0121]
在步骤205中，将尤其从工件模型射出的测量激光辐射的远场成像到分析平面上。(测量激光辐射对应于已穿过工件模型的加工激光束的残余辐射。)示例性地，可以使用在此所公开的用于调整激光加工机器的加工光学器件的设备，以便将测量激光辐射的远场成像到分析平面上。
[0122]
在使用测量激光辐射到分析平面上的成像的情况下，在步骤207中，然后如此调整(即，调设，并且尤其是其位置经定向)射束成形光学单元的位置、以及可选地聚焦透镜单元的位置，使得在分析平面中得到测量激光辐射的基本旋转对称的射束轮廓。
[0123]
图8还示出了用于测量工件模型中的测量聚焦区的长度的方法的步骤209，其中，测量聚焦区应由用于工件中的材料加工的激光加工机器产生。
[0124]
例如，如果已经执行包括步骤201至207的用于调整的方法，则可以在沿着目标方向移位透镜的情况下通过借助透镜将尤其从工件模型射出的测量激光辐射聚焦到分析平面上来扫描测量聚焦区。在此，此处所公开的用于调整激光加工机器的加工光学器件的设备再次也可以用于将测量激光辐射聚焦到分析平面上(步骤211)。
[0125]
本公开内容的其他方面总结如下。
[0126]
一种用于调整激光加工机器(1)的加工光学器件(3)的设备(101)，其中，加工光学器件(3)在激光加工机器(1)中使激光束(5)如此成形和聚焦，使得加工激光束(5a)能够以像差矫正的方式在待加工的工件(9)中构造预设的贝塞尔射束聚焦区(7)，该设备包括：
[0127]
调整元件(103)，该调整元件具有入射表面(103a)和平面式的出射表面(103b)，其中，
[0128]-为入射表面(103a)分配一用于入射加工激光束(5a)的可选地引起像差的入射射束轴线(21)，
[0129]-为所述入射射束轴线(21)分配一用于预设的贝塞尔射束聚焦区(7)的目标轴线(110)，所述目标轴线延伸穿过调整元件(103)，以及
[0130]-该平面式的出射表面(103b)垂直于目标轴线(110)定向，以及
[0131]
成像单元(111)，该成像单元具有相对于成像轴线(117)定向的透镜(113)和摄像机(115)，其中，透镜(113)设置用于将从调整元件(103)射出的测量激光束(105)沿着成像轴线(117)成像到摄像机(115)的探测器区域(115a)上，并且成像轴线(117)垂直于平面式的出射表面(103b)定向。
[0132]
在此，入射表面(103a)可以构造为平面式的区域，该平面式的区域与出射表面(103b)成0
°
到45
°
范围内的角度、或0
°
到32
°
范围内的角度、尤其10
°
到30
°
或10
°
到26
°
范围内的角度延伸。
[0133]
目标轴线(110)可以相对于入射表面(103a)的照射点(109)处的切向平面(t)正交地或非正交地延伸，在该照射点处，加工激光束(5a)沿着入射射束轴线(21)照射在调整元件(103)上。入射射束轴线(21)可以相对于切向平面(t)的法向向量(n)成0
°
到50
°
范围内或0
°
到45
°
范围内的角度延伸，尤其成10
°
到30
°
范围内或20
°
到40
°
范围内的角度延伸。
[0134]
一种用于调整激光加工机器(1)中的加工光学器件(3)的系统，其中，该加工光学器件(3)构造用于通过对激光束(5)施加相位变化在基本透明的工件(9)中产生预设的贝塞尔射束聚焦区(7)，该系统包括：
[0135]
激光加工机器(1)，该激光加工机器具有用于产生激光束(5)的激光束源(2)、以及加工光学器件(3)，以及
[0136]
根据前述权利要求中任一项所述的设备(101)，该设备包括调整元件(103)和成像单元(111)，
[0137]
其中，加工光学器件(103)具有借助可选的像差矫正进行射束成形的光学单元(11)、以及聚焦透镜单元(13)，
[0138]-其中，光学单元(11)构造用于加工具有工件表面(9a)的工件(9)，该工件表面的几何形状对应于调整元件(103)的入射表面(103a)的几何形状，以及
[0139]-其中，光学单元(11)与聚焦透镜单元(13)一起设置用于将激光束(5)射束成形为加工激光束(5a)，该加工激光束沿着入射射束轴线(21)传播并且能够导致沿着目标轴线(110)在待加工的工件(9)中构造预设的贝塞尔射束聚焦区(7)，并且
[0140]-其中，从尤其倾斜或弯曲的工件表面(9a)上的照射点(109)出发的预设的贝塞尔射束聚焦区(7)沿着目标轴线(110)以像差矫正的方式延伸到待加工的工件(9)中，并且
[0141]
其中，
[0142]
激光加工机器(1)还包括第一支架(15)，光学单元(11)相对于激光束(5)侧向可定位地保持在该第一支架中，并且
[0143]
设备(101)的调整元件(103)相对于加工光学器件(103)如此定位和定向，使得沿着入射射束轴线(21)入射到调整元件(103)、而非待加工的工件(9)上的加工激光束(5a)作为测量激光辐射(105)从调整元件(103)射出，使得测量激光辐射(105)的远场构造在设备(101)的探测器区域上。
[0144]
激光加工机器(1)还可以包括第二支架(17)，聚焦透镜单元(13)相对于光学单元(11)侧向可定位地、并且可选地在聚焦透镜单元(13)的光学轴线上可定向地保持在第二支架中。
[0145]
光学单元(11)可以是平面构造的衍射光学元件，该平面构造的衍射光学元件构造用于通过激光束(5)的射束轮廓对激光束(5)施加进行贝塞尔射束成形的相位。
[0146]
调整元件(103)的厚度可以至少对应于预设的贝塞尔射束聚焦区(7)(110)从预设的贝塞尔射束聚焦区(7)的预给定照射点(109)出发沿着目标轴线的长度。
[0147]
一种用于调整激光加工机器(1)中的加工光学器件(3)的方法，其中，加工光学器件(3)具有射束成形光学单元(11)和聚焦透镜单元(13)，其中，光学单元(11)借助第一支架(11a)定位在激光加工机器(1)的激光束(5)的射束路径上并且构造用于对激光束(5)的侧向射束轮廓的相位施加，其中，可选地，相位施加具有像差矫正相位分量，该像差矫正相位分量构造用于预补偿在以预给定入射角度在预给定照射点(109)处入射到待加工的工件(9)中时产生的相差，使得在借助聚焦透镜单元(13)正确调整加工光学器件(3)的情况下，加工激光束(5a)以预给定入射角度照射在预给定照射点(109)处，并且，在工件(9)中有预设的贝塞尔射束聚焦区(7)产生，并且其中，使用根据权利要求1至10中任一项所述的设备(101)，该设备包括：调整元件(103)和成像单元(111)，该方法具有以下步骤：
[0148]
预调整(步骤201)加工光学器件(3)和设备(101)，使得激光束(5)经历相位施加并且作为加工激光束(5a)由聚焦透镜单元(13)聚焦到调整元件(103)上，
[0149]
如此定向(步骤203)调整元件(103)，使得相应于可选地设置的像差矫正相位分量，加工激光束(5a)沿着设备(101)的入射射束轴线(21)照射在调整元件(103)上，
[0150]
将从调整元件(103)射出的测量激光束(105)的远场成像(步骤205)到分析平面上，以及
[0151]
如此调整(步骤207)光学单元(11)和可选地聚焦透镜单元(13)的位置，使得在分析平面中得到测量激光辐射(105)的基本旋转对称的射束轮廓(131)。
[0152]
在此处公开的构思的范畴中，射束成形光学单元可以被定位在激光束的射束路径上并且可以构造用于对激光束的侧向射束轮廓的相位施加，其中，相位施加具有像差矫正相位分量，该像差矫正相位分量构造用于预补偿激光束以预给定入射角度在预给定初始位置处入射到待加工的工件中或调整元件中时所经历的像差，使得在加工光学器件的正确调整的情况下，通过将经相位施加的激光束以预给定入射角度在预给定初始位置处聚焦到材料中产生期望的贝塞尔射束聚焦区，并且尤其在远场中在探测器区域上构造在形状和强度方面旋转对称的强度环。
[0153]
在一些实施方式中，目标轴线在调整状态中可以对应于期望的贝塞尔射束聚焦区的纵向轴线。
[0154]
在一些实施方式中，由调整元件、镜头以及可选地探测器组成的独立系统形成在壳体中或调整板上。
[0155]
此外，表面与强度区的开始的协调也可以包括在调整中。示例性地，从表面开始，可以在构造贝塞尔射束聚焦区时实现“自我修复(selbstheilung)”并且可以设置所述用于表面处的强度区的开始的像差矫正。
[0156]
在此处所公开的构思的范畴中，工件模型(调整元件)在激光束的波长范围内是(基本上)光学透明的，并且优选地具有与待加工的工件相当的(vergleichbar)光学性质，如折射率和透明度。示例性地，工件模型由具有以下屈光折射率的材料组成，所述屈光折射率在激光束的波长光谱中与待加工的工件的屈光折射率相当。例如如果工件模型的材料的屈光折射率与待加工的工件的屈光折射率在激光的波长光谱中相差例如小于5％或小于10％，则工件模型的材料的屈光折射率与待加工的工件的屈光折射率相当。
[0157]
此外，工件模型的入射表面具有以下几何形状：该几何形状对应于加工射束进入工件所穿过的表面的区域中的待加工的工件的工件表面的几何形状。此外，工件模型的厚度可以至少对应于预设的贝塞尔射束聚焦区从针对贝塞尔射束聚焦区的预给定照射点出发沿着目标轴线的长度。
[0158]
可选地，为了简化加工激光束5a相对于工件模型的定向，可以在入射表面103a上设置标记。所述标记例如用颜色标记加工激光束的照射的优选位置(例如图3中的照射点109)。在对应于后面的加工过程的、工件模型定向至加工激光束并且加工激光束照射到该标记位置的情况下，测量聚焦区的定向(假设加工头的正确调整)对应于加工过程所需的贝塞尔射束聚焦区的定向。
[0159]
明确强调的是，说明书和/或权利要求中所公开的所有特征应该被认为是彼此分开的和独立的，以用于原始公开内容的任务，并且同样用于独立于实施方式和/或权利要求中的特征组合来限制要求保护的发明的任务。明确强调的是，所有范围说明或单元的组说明公开了任何可能的中间值或单元的子组，以用于原始公开内容的目的，同样用于限制要求保护的发明的目的，尤其也作为范围说明的限制。