用于监测激光加工头上的盖玻片的污染物的感测布置的制作方法

1.本公开的主题涉及监测光学元件上的污染物，具体涉及监测激光加工头的盖玻片上的污染物。


背景技术：

2.在材料加工过程中，在激光加工头中使用盖玻片以保护内部激光发射光学器件。例如，激光切割头产生熔化目标材料的激光束。辅助气体排出熔融材料以在工件中形成切口。特别是在使用激光穿透材料时，仔细地控制辅助气体的压力和体积。如果辅助气体的压力过高，则过量的溅出物可粘到喷嘴和激光加工头的盖玻片。随着时间的推移，盖玻片需要更换，使得污染物不会干扰激光束。
3.一些激光发射操作和一些材料相比于其他操作和材料可产生更多的污染物。例如，切割镀锌材料可从材料的锌涂层中释放微小的颗粒，从而产生非常细小的灰尘。此外，激光加工头内部的污染物可积累在盖玻片的内表面上，并且可干扰操作。
4.可以理解，盖玻片上的污染物可以改变所发射的激光束的光学质量。此外，来自盖玻片的散射光可加热并且损坏加工头的其他部件，或者可干扰它们的操作。因此，优选地监测污染，使得在光学质量降低之前可以更换盖玻片。
5.为了监测盖玻片，激光加工头可以使用光学传感器来检测盖玻片上的污染物。在监测盖玻片的标准解决方案中，可以使用杂散光传感器从盖玻片的边缘监测杂散光。遗憾的是，检测到的信号很大程度上取决于盖玻片边缘处的表面的特性，并且有时还取决于保持盖玻片的安装件的表面。盖玻片的一些区域可能根本不影响检测到的杂散光信号，这意味着盖玻片的污染物的测量可能不准确。
6.在另一个解决方案中，安装在盖玻片上方的高温计传感器可用于直接从上方监测盖玻片。尽管这种布置有助于更好地观察盖玻片的表面区域，但是传感器的取向增加了监测盖玻片所需的布置的高度和整体空间。高温计所需的空间可使激光发射光学器件的布置复杂化，可改变盖玻片与激光发射过程的距离，并且可干扰激光加工头的其他参数。
7.本公开的主题旨在克服或至少减少上述一个或多个问题的影响。


技术实现要素：

8.如本文所公开的，一种设备用于具有可更换的盖光学器件的激光加工头。可更换的盖光学器件设置成与在激光发射过程中从激光加工头发射的激光束的纵向轴线成一直线。设备包括至少一个反射器和至少一个传感器。至少一个反射器邻近可更换的盖光学器件的周边设置。至少一个反射器被配置为反射由激光束与可更换的盖光学器件上的污染物的相互作用产生并且入射到至少一个反射器上的辐射。至少一个传感器邻近可更换的盖光学器件的周边设置。至少一个传感器设置成相对于至少一个反射器处于偏移关系。至少一个传感器被配置为检测由至少一个反射器反射的辐射的至少一部分。
9.如本文所公开的，激光加工头具有可更换的盖光学器件。可更换的盖光学器件设
置成与从激光加工头发射的激光束成一直线。头包括接收器、至少一个反射器和至少一个传感器。接收器设置在激光加工头上，以用于保持可更换的盖光学器件。
10.至少一个反射器邻近接收器设置。至少一个反射器被配置为反射由激光束与可更换的盖光学器件上的污染物的相互作用产生并且入射到至少一个反射器上的辐射。至少一个传感器邻近接收器的周边设置。至少一个传感器设置成相对于至少一个反射器处于偏移关系。至少一个传感器被配置为检测由至少一个反射器反射的辐射的至少一部分。
11.本文所公开的方法与具有可更换的盖光学器件的激光加工头一起使用。可更换的盖光学器件设置成与从激光加工头发射的激光束成一直线。该方法包括：用设置在激光加工头上邻近可更换的盖光学器件的至少一个反射器反射由激光束与可更换的盖光学器件上的污染物的相互作用产生并且入射到至少一个反射器上的辐射；用设置在激光加工头上邻近可更换的盖光学器件的周边并且相对于至少一个反射器处于偏移关系的至少一个传感器检测由至少一个反射器反射的辐射的至少一部分；以及基于由至少一个传感器检测到的辐射来确定可更换的盖光学器件上的污染物水平。
12.前述概述并非旨在概述本公开的每个潜在实施方案或每个方面。
附图说明
13.图1示出了根据本公开的激光加工头的示例的透视图。
14.图2示出了用于激光加工头的盖光学器件和盒的分解视图。
15.图3图示了具有本公开的感测设备的激光加工头的元件。
16.图4a至图4b示出了用于监测感测光学器件的污染物的过程的流程图。
17.图5a示出了邻近盖光学器件的本公开的感测设备的侧视图。
18.图5b示出了邻近盖光学器件的本公开的感测设备的透视图。
19.图6a至图6b示出了邻近盖光学器件的本公开的附加的感测布置的侧视图。
20.图7示出了所公开的盖光学器件的感测设备的示例性覆盖范围的图。
21.图8示出了感测设备的反射器的建议形状。
22.图9a至图9c示意性地示出了具有本公开的感测设备的激光加工头的布置。
具体实施方式
23.图1示出了根据本公开的激光加工头10的示例的透视图。激光加工头10包括用于内部光学器件的外壳12。在外壳12的一个端部处的连接部14可以联接到激光线缆，该激光线缆将激光能量传导到头12中。在外壳12的另一个端部处的输出部或喷嘴16允许聚焦的激光束从外壳12发射，以实现激光发射操作的目的，诸如焊接、增材制造、切割等。具有喷嘴16的这种特定布置为切割头10。一般来讲，切割头10相比于焊接或其他类型的头可以更多地受益于本文所公开的特征。
24.为了保护外壳12内部的内部光学器件，头10包括保持可更换的盖光学器件、盖玻片或保护窗口30的盖玻片盒20。该盖光学器件30用作外壳12的内部(具有内部光学器件)与外部环境(暴露于激光发射过程)之间的透明窗口。盒20的移除和更换可以通过头10一侧的进入门18进行。典型地，盖光学器件30由透明材料构成，诸如合适的玻璃，其允许激光束穿过，但防止污染物穿过进入头的外壳12。
25.盖光学器件30被放置在头的外壳12内部的聚焦透镜下方，并且被装配在有助于更换的盒20中。为了更换盖光学器件30，可以打开进入门18，并且可以将保持盖玻片30的盒20拉出头10，这使切割头10中的内部光学器件暴露于大气和可能的污染物。然后，具有新的盖玻片30的另一个盒20可被安装在头10中以继续激光发射操作。
26.图2示出了用于本公开的激光头的典型盖玻片盒20的分解视图。盒20包括具有中心开口的托盘22，盖光学器件30定位在该中心开口中。密封件26和28、盖板24和紧固件将盖光学器件30保持在托盘22中的适当位置。当盒20安装在头10中时，盖光学器件30用作头(10)的内部光学器件的保护盖，使得灰尘和其他碎屑不会干扰所产生的激光束。随着时间的推移，由于污染物在光学器件30上的积累，需要更换盖光学器件30。为此，盖光学器件30在盒20和头10中是可更换的。
27.为了确定盖光学器件30的污染物水平以及其是否需要被移除和更换，加工头10包括感测设备以监测盖光学器件30的污染物。图3图示了具有本公开的感测设备50的激光加工头10的元件。示出了头10的内部光学器件，其包括激光输入装置40、准直透镜42和聚焦透镜44。从那里，可更换的盖光学器件30设置成与从激光加工头10发射到工件wp的激光束b的纵向轴线a成一直线。
28.用于监测盖光学器件30的感测设备50安装在头10中。感测设备50的部件包括至少一个反射器52和至少一个检测器54。至少一个检测器54可以连接到具有一个或多个处理器62和存储器64的控制器60以实现如本文所公开的监测盖光学器件30的目的。该控制器60可以为独立于激光加工头10的其他控制部件的控制器。另选地，该控制器60的功能可以结合到激光加工头10的全部控制部件中。
29.控制器60的评估电子器件可能没有必要需要通用中央处理单元(cpu)和随机存取存储器(ram)。总体上，所需电子器件取决于成本和实施细节，这些可能受加工头10的其他子系统的影响，例如，是否需要用于其他功能的通用cpu，等等。
30.由于感测设备50的部件的灵敏度，传感器54和反射器52优选地安装在加工头10的外壳12内部，受到盖光学器件30的保护。如果可行的话，感测设备50或附加的感测设备可以在盖光学器件30的另一侧上使用，但这可能使部件暴露于激光发射过程。在一些布置中，加工头可以具有在其间具有空间的两个盖光学器件30。实际上，本公开的感测设备50可设置在两个盖光学器件之间的空间中，以对其中的任一者或两者进行成像。
31.激光输入装置40可以为发射高功率激光束b的高功率激光传输光纤。准直透镜42准直光束b，并且聚焦透镜44聚焦穿过保护性盖光学器件30的光束b。聚焦光束b撞击在工件wp上以执行激光发射操作。
32.在操作期间，盖光学器件30上的区域由被光束b照射。该区域不仅包括头10内部的光学器件30的面向激光发射光学器件40、42和44的表面，而且还包括光学器件30的相对表面，该相对表面从头10面向外并且直接暴露于来自激光发射过程的污染物。
33.至少一个检测器54在操作期间检测辐射。可能存在几种不同类型的辐射，这些辐射可在操作期间发生，并且至少一个检测器54可以检测或可以不检测。一般来讲，至少一个检测器54可以检测来自激光器的散射光(杂散光)。另外，至少一个检测器54可以检测来自盖光学器件30自身的热辐射。例如，污染物可以加热盖光学器件30本身，继而可以辐射。
34.此外，至少一个检测器54可以检测来自盖光学器件30的被照射区域上的污染物的
可见辐射和热辐射。可见辐射和热辐射可以由加热的被照射的污染物引起。例如，被光束b照射的盖光学器件30的区域中的任何污染物可以发射辐射，该辐射由至少一个反射器52反射到至少一个检测器54上。至少一个检测器54检测来自与盖光学器件30的被照射区域相关的污染物的可见辐射和热辐射。
35.可以区分由至少一个检测器54检测到的辐射的类型。例如，至少可以滤除激光发射过程本身的时变强度调制，使得感测设备50将倾向于仅对实际污染物作出反应，而不仅仅是对来自激光器的杂散光作出反应。该滤波器可以使用硬件滤波或信号处理滤波。
36.在另一个变型中，设备50的至少一个检测器54可以使用仅检测与盖光学器件30的组成相关联的某一波长以上的辐射的传感器或滤波器/传感器组合。例如，盖光学器件30可以由熔融石英构成，并且熔融石英的透射率在约4μm的波长范围以上显著下降。在用该阈值配置的情况下，感测设备50则可以对在盖光学器件30下方或在聚焦透镜44上方发生的一切不敏感。实际上，所配置的感测设备50实际上可仅看到这两个光学元件30、44之间的空间内部的热辐射。
37.控制器60处理传感器54的检测到的辐射以监测盖光学器件30上的污染物水平并且指示更换盖光学器件30的必要性。例如，存储器64可以存储污染物的阈值水平。(如上所述，尽管可以使用更复杂的电子器件，但是感测设备50实际上可以在头的电子器件盒上使用包括几个预定义水平的简单的双列直插式开关)。一个或多个处理器62可以被配置为将检测到的辐射与阈值水平进行比较，并且可以响应于该比较来指示何时需要更换可更换的盖光学器件30。
38.用于作出更换盖光学器件30的决定的算法可主要取决于所执行的激光发射过程的类型。一些激光发射过程相比于其他过程在具有更多污染物的条件下可以很好地进行。一般来讲，控制器60以一种算法操作，在该算法中，感测设备50(即，反射器52、传感器54等)相对于给定的盖光学器件30被校准到不同的污染物水平。将感测到的响应归一化，从而将污染物水平与检测到的辐射的量、图案、强度、频率或其他特性关联。对于一种或多种给定类型的激光发射过程，定义盖光学器件30上可接受的污染物量的阈值水平。当用于头10的控制器60随后监测给定激光发射过程的操作时，检测到的辐射可以等同于关联的污染物水平，可以将其与所存储的阈值进行比较。这样，可以在正在进行的或周期性的基础上监测污染物水平，以确定是否已经达到阈值。如果是，则控制器60可以指示需要使用相关联的处理设备的任何可接受的接口来更换盖光学器件30。
39.根据实施方式，可以实现直接的或更多的集成算法来监测盖光学器件30的污染物。例如，图4a示出了用于监测盖光学器件30的污染物的一个过程(90)。在激光器工作时，辐射被反射并且由感测设备50检测到。设备50监测辐射水平并且确定该水平是否高于定义的阈值。如果是，则该设备可以指示需要更换盖光学器件30。如果足够严重，则可以主动修改激光发射操作。
40.在另一个示例中，图4b示出了当头10具有变焦功能时监测盖光学器件30的污染物的过程(95)。盖光学器件30上的光束直径随着当前设置的放大率而变化，从而改变来自至少一个检测器54的信号。监测污染物的设备50可以与变焦功能集成，并且在操作期间获得当前的放大率。当监测到该水平时，设备50可以基于放大率将来自至少一个检测器54的信号归一化为实际的功率密度。然后，这种归一化可以允许来自至少一个检测器54的所得信
号更容易用于监测污染物，同时考虑由于放大率而引起的变化。
41.优选地，盖光学器件30尽可能远离激光发射过程中使用的光束b的聚焦点fp。该增加的距离可以减少盖光学器件30在激光发射过程期间的消耗，并且可以减少盖光学器件30需要新的更换的次数。同时，并且特别是对于切割应用，激光加工头10的总轨道长度优选地被最小化，因此针对聚焦透镜44可使用较短的焦距。出于这些原因，本公开的感测设备50距光学器件30的高度h可具有有利的低轮廓，从而将激光加工头10中所需的空间量最小化。
42.在一些布置中，另一个盖光学器件(未示出)可被定位在准直透镜42上方，以在需要将头10从其他部件移除时保护内部光学器件。如果对于给定的实施方式是有利的，则该另一个盖光学器件可以具有如本文所公开的可比较的感测设备。
43.在图4a至图4b中提供了感测设备50的另外的细节。如图5a的侧视图所示，至少一个反射器52设置在激光加工头(10)中邻近可更换的盖光学器件30的周边。
44.如本文所公开的，感测设备50感测盖光学器件30上的污染物。污染物导致光学器件30中的温度梯度，并且可导致光束b的焦点偏移。这可能负面地影响激光发射过程，并且可能最终导致盖光学器件30的损坏。
45.至少一个反射器52被配置为反射由激光束在可更换的盖光学器件30上的污染物位置处的散射和/或吸收所产生并且入射到至少一个反射器52上的辐射。辐射可以由盖光学器件30的任一侧(例如，头内部或头外部)上的污染物引起。总体上，盖光学器件30由透明材料构成并且与其表面积相比可相对较薄。因此，感测设备50可以感测盖光学器件30上的污染物的总体影响。
46.至少一个传感器54设置在激光加工头中邻近可更换的盖光学器件30的周边，并且设置成相对于至少一个反射器52处于偏移关系。如图所示，至少一个反射器52和至少一个传感器54设置在平行于可更换的盖光学器件30的短高度h处的侧向平面上。至少一个传感器54沿平行于可更换的盖光学器件30的该侧向平面引导。这样，至少一个传感器54被配置为检测由与之相对的至少一个反射器52反射的辐射的至少一部分。
47.如前所述，控制器60与至少一个传感器54通信，并且被配置为基于由至少一个传感器52检测到的辐射来确定可更换的盖光学器件30上的污染物。
48.如果需要，感测设备50还可以与一个或多个附加的感测元件，诸如与盖光学器件30的盒(20)相关联的温度传感器55a一起使用。当污染物积累在盖光学器件30上时，盖光学器件30的温度趋于升高，这可以在支撑盖光学器件30的盒(20)中检测到。另外，用于测量杂散光的一个或多个边缘传感器55b可以被布置在盖光学器件30的边缘周围以测量污染物。这些附加的感测元件可以由控制器60监测。
49.为了增加对盖光学器件30的被照射区域的监测，可以使用多于一个反射器52和传感器54。例如，图5b示出了具有若干反射器52a-c和若干传感器54a-c的设备50的布置。
50.若干传感器54a-c布置在光学器件30上方，并且它们的视场平行于光学器件30的表面。传感器54a-c可以经由若干抛光的自由曲面反射器52a-c使光学器件30成像。反射器52a-c可以大部分为凸形，因此反射器52a-c可以扭曲和扩展传感器52a-c的视场，以覆盖光学器件30的尽可能多的被照射区域。在一种配置中，反射器52的表面可以为环形截面。如果反射器52a-c自身的自由曲面不足以覆盖整个光学器件30，则可以组合若干传感器54a-c以最大化光学器件的表面区域的覆盖范围。传感器54a-c以陡斜角度使光学器件52成像。可以
使用吸收表面或更复杂的几何布置来最小化从光机械系统的其他部分到传感器54a-c的杂散光。
51.在图6a所示的一个变型中，透镜56可以直接定位在检测器54的前方在检测器54和反射器52之间，以减小检测器54的视场，从而更紧密地匹配反射器尺寸并且增强信号。此外，可以在检测器54和反射器52之间形成中间焦点58，因此检测器54实际上可以更靠近盖光学器件的表面。
52.这些透镜布置可以影响反射器52的所需曲率c，甚至可以达到不需要反射器52上的任何曲率c的程度。特别地，(具有光电二极管的)传感器54的视场通常是发散的。通过增加附加的正透镜56，传感器54实际上移动成更靠近反射器52。在这种情况下，反射器52的曲率c可以适于匹配传感器54的新的虚拟位置。实质上，传感器54具有更有用的视场。此外，实际上传感器54的较近的视场可以减小来自周围机构的不希望的杂散光的影响(或者在热传感器的情况下，来自由于其他原因变热的零件的不希望的热辐射)。
53.在图6b的另一个变型中，可以使用具有非常小的曲率半径c的凹形反射器52，并且该凹形反射器还可以与透镜(未示出)结合使用。这些变型可以在从检测器54到盖光学器件30的视场锥体中产生中间焦点，此后，由于小的曲率半径，锥体将迅速展开。在图6b的情况下，在反射器52之后产生中间焦点。
54.图5a至图5b和图6a至图6b中的布置示出了系统为什么可以具有反射器52，该反射器具有不仅仅为纯粹的环形的表面。总体上，盖玻片30的邻近反射器52的边缘/侧面31a处的射线密度高于相对边缘31b上的射线密度。对应的传感器54因此倾向于看到更多的邻近边缘/侧面31a。为了使射线密度在该平面中更均匀，反射器52的曲率c可以在反射器52的高度上变化。因此，在图6a中，例如，凸形反射器52的曲率c可以朝向底部53b较大并且朝向顶部53a较小。在图6b中，凹形反射器52的曲率c朝向底部53b可以较小并且朝向顶部53a可以较大。
55.为了实现所公开的示例中的一致性，诸如在图5b中，三个反射器52a-c被示出为围绕盖光学器件30的周边彼此成120度设置，并且三个传感器54a-c围绕盖光学器件30的周边彼此成120度设置，并且被布置成相对于三个反射器52a-c偏移。在具有三个传感器54a-c和三个环形反射器52a-c的一个示例性几何结构中，反射器52a-c可具有距盖光学器件30约6mm或更小的高度h。
56.可以理解，可以使用一个或多个传感器54和一个或多个反射器52来适应实施方式。因此，可以使用更多或更少的反射器52和传感器54中的每一者。例如，一个传感器54可以与一个大的反射器52一起使用，一个传感器54可以与围绕周边布置的多个反射器52一起使用，多个传感器54可以与一个环形反射器52一起使用，等等。在一个特定的示例中，单个环形反射器52可以小高度h环绕盖光学器件30的周边，并且多个传感器54可以定位在围绕环形反射器52的周边限定的观察狭槽中。总体上，可以使用传感器和反射器配置的最适合激光加工头的类型和正在执行的激光发射过程的任何合适的组合。
57.图7示出了图4b的感测设备50的示例性覆盖范围的图。为了详细说明该示例中的视场，跨盖光学器件30的平面沿x坐标和y坐标绘制非相干辐照度。修改传感器54的布置、反射器52的表面形状、传感器54的数量、反射器52的数量等可以改变所得的覆盖范围。这些细节可针对给定实施方式进行配置。
58.在感测设备50中，至少一个传感器54可包括光电二极管、高温计、杂散光传感器或其他辐射检测器。一般来讲，传感器54可以在可见光和近红外光谱中进行测量。在一个优选的布置中，至少一个传感器54为高温计，该高温计可以测量与盖光学器件30的温度相关的信息并且可以更少地受到来自过程的杂散光的影响。
59.至少一个反射器52可包括自由曲面镜或其他反射表面。至少一个反射器52可以涂覆有高反射材料，诸如金，因此反射器52将反射大部分辐射并且将倾向于不吸收辐射，因此反射器52在操作期间将不加热。
60.一般来讲，至少一个反射器52可以是弯曲的、凸形的、非球面的或非旋转对称的表面，以反射来自盖光学器件30的更多辐射。例如，如图8的一个特定配置所示，反射器52可以为环形环面体80的一部分。这样，反射器52可以沿侧向尺寸限定第一曲率半径r，并且可以沿纵向尺寸限定第二曲率半径r。第一半径r将限定环形环面体80的大半径r的一部分，并且第二半径r将限定环形环面体80的小半径r的一部分。
61.图9a至图9c示意性地示出了具有本公开的感测设备50的激光加工头10的布置。在图9a中，在盒20中示出了可更换的盖光学器件30，该盒可如前所述插入头的外壳12并且从中移除。在此，具有用于本文所公开的反射器(52)、传感器(54)、透镜(56)等的一个或多个部件的感测设备50可以结合到该盒20的部分90中。本文所公开的反射器(52)、传感器(54)、透镜(56)等的其他部件可以结合到外壳12中邻近盒20。
62.在图9b中，在盒20中示出了可更换的盖光学器件30，该盒可如前所述插入头的外壳12并且从中移除。在此，具有用于本文所公开的反射器(52)、传感器(54)、透镜(56)等的一个或多个部件的感测设备50可以结合到其自身的可更换的盒92中。本文所公开的反射器(52)、传感器(54)、透镜(56)等的其他部件可以结合到外壳12中。
63.在图9c中，在盒20中示出了可更换的盖光学器件30，该盒可如前所述插入头的外壳12并且从中移除。在此，本文所公开的具有用于反射器(52)、传感器(54)、透镜(56)等的一个或多个部件的感测设备50可以结合到头10中并且包含在外壳12中。内部机械结构94等可以支撑部件。如图9a至图9c中的这些布置所示，本公开的设备50可以多种方式结合，以相对于可更换的盖光学器件30在激光加工头10中使用。
64.如本文所公开的，感测设备50在邻近盖光学器件30的平行平面中具有低轮廓。这种配置相对于其中传感器(例如，高温计)在头10的外壳12中在盖光学器件30正上方的位置处使用的布置是特别有利的。此类布置将需要更多的空间来容纳。
65.此外，所公开的设备50的配置相比于仅在头中在盖光学器件30的边缘处使用杂散光传感器的布置更可靠。在此，感测设备50的几何形状允许传感器54检测来自盖光学器件30的被照射区域的更多辐射，而不需要激光加工头10内部的过多空间。
66.以上对优选实施方案和其他实施方案的描述并不旨在限制或约束申请人所构想的发明概念的范围或适用性。受益于本公开将理解，根据所公开的主题的任何实施方案或方面的上述特征可以单独地或与所公开的主题的任何其他实施方案或方面中的任何其他所描述的特征组合使用。
67.作为对本文所包含的发明概念的公开的交换，申请人期望由所附权利要求提供的所有专利权。因此，所附权利要求书旨在包括落入所附权利要求书或其等同物的范围内的所有修改和变化。