CN117222875A

CN117222875A - 用于光辐射的光谱分辨检测的装置

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Publication number: CN117222875A
Application number: CN202280031871.2A
Authority: CN
Inventors: C·弗朗茨; O·布鲁赫沃德; M·凡科
Original assignee: 4d Photonics Co ltd
Current assignee: 4d Photonics Co ltd
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2022-05-02
Publication date: 2023-12-12
Also published as: US20240219238A1; EP4334688A1; DE102021111892B3; WO2022233363A1; KR20240004416A

Abstract

本发明涉及一种用于热处理期间、尤其是激光加工期间光辐射(5)的光谱分辨检测的装置。该装置包括分别在一个预定波长范围内光敏的至少两个元件(4.1、4.2)、反射式衍射光栅(2)和至少一个用于聚焦和准直的透镜(3)。该装置可选地包括反射分束器(1)，其被设计成将入射光辐射(5)分成多个分光束(5.1、5.2)。所述反射分束器(1)沿光辐射(5)的传播方向设置在至少一个透镜(3)的上游。分光束(5.1、5.2)通过衍射光栅(2)被光谱分离，并且至少第一级衍射通过至少一个透镜(3)向后偏转到光敏元件(4.1、4.2)之一上。

Description

用于光辐射的光谱分辨检测的装置

本发明涉及一种用于热处理期间光辐射的光谱分辨检测的装置。本发明尤其可用于材料的激光加工，例如激光切割和激光焊接。

在激光材料加工的情况下，在激光材料相互作用、发射的处理辐射和加工结果之间存在相关性。从现有技术中已知，为了能够通过测量确定工艺变化，使用光电二极管检测在整个或部分激光材料加工期间产生的处理辐射或处理光。信号曲线的评估和分析(以及与先前记录的参考信号的比较)能够实现可靠且快速的在线过程监测。

出于物理原因，光电二极管仅在有限的光谱范围内敏感。由于这种限制，使用不同的光电二极管(也是组合的)来检测处理辐射，即可见光谱(VIS)中的硅光电二极管(Si)和近红外光谱(NIR)中的铟镓砷光电二极管(InGaAs)或锗光电二极管(Ge)。

在光电二极管中，入射光子产生与其数量成比例的电流。由于光电二极管产生的电光电流通常很低(由于典型地很低的光强度)，它必须以合适的低噪声方式放大。

在非滤波状态下，检测由光电二极管覆盖的光谱范围内的整个处理发射。因此，测量信号对应于检测光谱中光强度的积分。

由于激光或加工波长的区域中的强度通常比剩余光谱中的次级处理辐射的强度高几倍，因此需要相应的滤光，以便阻挡具有高光密度的激光波长。否则，激光辐射将被过重地加权，或者将超出处理辐射并且使其无法评估。来自外部照明(例如引导激光器)的干扰也必须使用附加的滤波器从光电二极管捕获的光谱范围中滤除。

另一种可能性是通过部分透射的反射镜或棱镜对波长范围进行光学分离，其结果是可以对选定的或多个另外的波长范围进行评估。因此可以同时进行高强度初级辐射和弱次级辐射的评估。

还已知使用光谱仪以便以光谱分辨的方式分析输入侧上可用的辐射。为此，存在不同设计和不同灵敏度的光谱仪。例如，具有弯曲色散元件(光栅)的紧凑型光谱仪是已知的，其同时还具有聚焦/准直效果。在这种情况下，光栅被间隙(或光纤)的发散光照射，并且光栅本身具有聚焦效应，因为它以弯曲的方式安装在所谓的罗兰圆上。然而，曲面光栅很难经济地用于小件数。

另一方面，更节省成本的平面光栅需要用于准直和聚焦的附加光学部件。为此，通常使用两个凹面镜；然而，透镜的使用也是可能的，但是要避免，因为这些会导致不希望的成像误差。

DE 10 2016 225 344 A1描述了一种具有基底和拥有光谱分解效应的功能元件的多色仪。光学光谱分解功能元件被设计成光谱分解源自入口的电磁辐射，例如从样品上的可选辐射源反射的光，从而获得光谱分解的光谱。

EP 3 306 263 A1公开了一种具有外壳的彩色共焦距离传感器，其中设置了多色光源、具有彩色纵向像差的成像光学单元、分光计和平面分束器表面。

DE 27 58 141 A1还描述了一种分光光度计，其具有设置在评估平面中的反射色散元件和多光电检测器。

已知光谱仪的缺点是在高光谱分辨率下的低光产量。为了获得最高可能的光谱分辨率，由于光学系统的衍射限制，通常需要使用一个或更多个孔径。由测量对象发射的辐射量受到这些孔径的限制，使得可能最薄的光束撞击传感器的敏感表面。这确保了在通过棱镜或衍射光栅穿过现在可区分的入射点之后可以分辨甚至更小的波长差。被孔径遮蔽的辐射量则无法再用于评估。

缺点是通常用于激光技术的处理光学器件仅传输很少的处理辐射，因为它们被优化到激光波长。由于商业上可获得的光谱仪(例如具有线扫描摄像头或光电二极管阵列)通常以时间积分工作，因此对于特别弱的辐射需要非常长的积分时间，这意味着仅可以实现非常低的测量速率。

对于过程监测所希望的是一种光谱仪，该光谱仪对辐射特别敏感以便实现高时间分辨率(通过减少积分时间)并且还提供高动态范围。需要高动态性，因为在接缝内和在部件上从接缝到接缝必须捕获非常弱光和非常强光的过程。

本发明的目的是提供一种用于热处理、特别是激光加工期间光辐射的光谱分辨检测的装置，由于其紧凑的结构，该装置尤其可以集成到激光加工头中，其中光谱分辨率应该可以同时具有高的光输出，从而可以获得高的测量速率。此外，在各个测量范围和大动态范围之间的快速切换是可能的。

该目的通过具有根据专利权利要求1的特征的用于光辐射的光谱分辨检测的装置来实现。本发明的适当实施方式可在从属权利要求中找到。

根据本发明，用于热处理、特别是激光加工期间光辐射的光谱分辨检测的装置包括用于在预定波长范围内光谱分辨的至少一个光敏元件、反射衍射光栅和用于聚焦和/或准直的至少一个透镜。该装置优选地具有用于聚焦和/或准直的会聚透镜和用于光谱分辨率的至少两个光敏元件，这两个光敏元件各自在预定波长范围内。

优选地，一个光敏元件包括多个光活性单独元件，即一个光敏元件由一组光活性单独元件形成。例如，用于光谱分辨率的光敏元件可以由至少两个单独的元件构成，例如以成组的光电二极管的形式，或者也可以设计为集成部件，例如光电二极管阵列。

用于聚焦和/或准直的至少一个透镜设置在衍射光栅的前方，其中由至少一个透镜偏转到衍射光栅上的光辐射被光谱分解并通过至少一个透镜聚焦回光敏元件或光敏元件之一上。该衍射光栅在某些区域可以具有不同的衍射特性。例如，第一区域被专门设计用于具有可见区域中的波长的辐射的光谱分解，而衍射光栅的第二区域被设计用于具有近红外中的波长的辐射的光谱分解。

在根据本发明的装置中，省去了弯曲光栅的复杂性，并且通过穿过作为光学元件的至少一个透镜的双光束通道来实现准直和聚焦效果。这可以是透镜，在最简单的情况下仅是一个透镜。因此，光栅上的完美准直被偏离。出现的着色和成像误差通常阻止在高分辨率分光计中使用相应的装置，但是如在根据本发明的装置中那样，可以以低光谱分辨率被接受。

根据本发明，用于光辐射的光谱分辨检测的装置具有偏转反射镜，以下称为反射镜，其沿着光辐射的传播方向布置在至少一个透镜和衍射光栅的前方，即辐射从反射镜通过至少一个透镜引导到衍射光栅上。

由于各个光学元件相对于彼此的这种布置，特别是在光束路径中双重使用至少一个透镜(即，用于将光束准直和/或预聚焦到衍射光栅上，以及用于将由衍射光栅光谱分解的光束聚焦到光敏元件上)，以及将反射特性集成到衍射光栅中，可以在相对紧凑的安装空间中实现该装置。尤其是，使用另一反射镜的光束路径的这种布置允许光敏元件被布置成其光敏表面平行于进入器件的处理光束对准，从而最小化安装空间。这使得可以将该装置集成到例如传统的激光加工头中，而不需要显著的、占用空间的附件。

因此，根据本发明的装置的优点是在相对小的安装空间中使用多光谱传感器的可能性。由于例如在焊接过程中的光谱评估，使得与现有技术相比改进的误差检测和误差分类成为可能。通过消除对小孔径的需要，该装置还可以用在几乎没有可用光的工艺中。

该装置还以如下方式进行设计，其中反射镜被设计为反射分束器，该分束器将入射光辐射分成多个分光束。这里，分光束的数量通常对应于光敏元件的数量。优选地，产生两个分别被引导到光敏元件上的分光束。

尤其是，可以以这样的方式设计分束器，使得它在确定的波长范围(例如VIS和NIR)内产生不同于其它分光束的分光束。为此，分束器可以由不同取向的部分反射镜的布置构成。

通过部分反射镜的空间倾斜布置，以这种方式产生的分光束(即使来自不同的光谱范围)可以被引导到一个或多个衍射光栅的相邻区域，但是同时使用相同的透镜用于聚焦和/或准直。

结果，可以用不同的光敏元件检测到两个或更多个光谱范围的光分离。

这导致装置的以下操作模式：

为了分离初级激光辐射和次级处理辐射，可以使用位于实际测量装置前方的部分透明的反射镜。

待分析的处理辐射例如通过消色差透镜和负透镜被引导到反射分束器上。反射分束器将进入的处理光束分成所需数量的分光束，优选分成两个分光束，并通过至少一个透镜将这些分光束偏转到衍射光栅的相邻区域上。

分光束借助于衍射光栅被光谱分离，并且在每种情况下通过至少一个透镜聚焦在一个光敏元件上。由于光谱分离的分光束以扇形方式从衍射光栅传播到光敏元件，因此光敏元件优选地具有基本上线性的几何形状。

此外，可以规定的是，该装置包括连接到这些光敏元件上的一个评估装置，该评估装置在必要时以光谱分离的方式电子地放大并且评估由这些光敏元件检测到的辐射量。

由光敏元件检测到的光量可以被电子地读出并且(如有必要)被逐渐放大的事实相应地导致器件的高动态范围。尤其是，通过打开或关闭放大级，在弱光和强光发射的情况下可以快速切换。

此外，可以规定的是，这些光敏元件包括多个光活性单独元件，这些光活性单独元件优选地沿着例如一条线彼此相邻地安排，其中这些光活性单独元件中的每一个连接到所述评估装置的一个分离的通道输入端。光敏元件的所有光活性单独元件优选在相同波长范围内敏感。尤其是，评估装置可以被配置为将预定数量的相邻通道组合成通道组，使得由连接到这些通道的光活性单独元件检测的辐射可以在每种情况下被组合以形成单个光信号。

因此，通过降低分辨率，可以扩大光活性表面，从而由于现在相对大的光活性面积，即使在弱光中也可以实现改善的信噪比。此外，现在较低的分辨率消除了对特别好的聚焦和使用小孔径的需要，这意味着总体上更多的辐射被捕获用于评估。

通过将每个光活性单独元件分配给评估装置的专用输入通道，评估装置可以替代地或附加地被设置为仅使用来自所选通道的信号进行评估，而其余通道保持关闭。以这种方式，由于衍射光栅对分光束的光谱分离以及它们的扇状扩展，只有预定波长范围的光入射到每个光活性单独元件上，因此可以在选定的频带(即非常窄的波长范围)中分析待分析的处理光。这导致在测量设置中节省在光谱上严格限制的滤光器的可能性。

根据一个实施方式，每个光敏元件在不同于其它光敏元件的预定波长范围内是敏感的。因此，第一光敏元件可在可见波长范围内敏感，而第二光敏元件可在近红外范围内敏感。因此，根据该示例，该装置以这样的方式构造，即，由分束器在可见波长范围内产生的分光束被导向第一光敏元件，而在近红外范围内的分光束被导向第二光敏元件。

通过具体地读取和计算多个或选定的光谱范围，该装置可以用作商高温计，其方式使得总是使用待测量温度的理想测量范围。

同时实现多商高温计也是可能的。这意味着还可以执行为普朗克辐射定律提供支持点的测量，以便实现更高的测量精度。

该装置的一个实施方式提供了光敏元件是16通道光电二极管阵列。这里，第一光敏元件可以包含用于可见光谱(VIS)中的光检测的硅光电二极管(Si)，并且第二光敏元件可以包含用于近红外光谱(NIR)中的光检测的铟镓砷光电二极管(InGaAs)。

当使用衍射光栅时，除了包含光谱分割信息的第一衍射级之外，还出现更高的衍射级和第0衍射级。该第0衍射级不包含关于光的光谱组成的任何可直接评估的信息。对于优选使用的闪耀光栅，大部分能量处于第1级，但第0级的强度也可以相对较高，因为整个光谱范围在此叠加。可选地，该装置包括附加的光敏元件(例如光电二极管)，每个光敏元件布置在分光束的光束路径中，用于检测第0衍射级。因此，通过另外确定第0级的光强度，可以以高采样率随时间记录总强度。

此外，可以提供高能量滤光器单元，该高能量滤光器单元沿光辐射的传播方向布置在反射分束器的前方，并且强烈地衰减、吸收或耦合出高能量光辐射。尤其是，可以使用所谓的带阻滤波器(band-stop filter)，也称为带除滤波器(band-rejection filter)，其强烈地衰减或完全阻挡预定窄频带的入射光(例如激光波长范围内的辐射)。另选地，在将高能辐射去耦的变体中，它也可以被另一个光敏元件检测和评估。

此外，可以规定的是，所述评估装置包括一个高分辨率的模拟-数字转换单元。该模拟-数字转换单元可以被设计为具有多个通道和/或具有高达20比特的高分辨率。

根据一个实施方式，光敏元件具有多个光活性单独元件，每个光活性单独元件对预定波长范围敏感，其中用于辐射强度测量的通道可通过评估装置特别选择。

下面基于示例性实施方式更详细地解释本发明，其中相同或相似的特征具有相同的附图标记。为此，在示意图中，

图1：示出了装置的侧视图；

图2：示出了装置的平面图；

图3：以侧视图示出了反射分束器的实施方式；以及

图4：在平面图中示出了反射分束器的实施方式。

根据图1和图2的装置包括消色差透镜6和负透镜7，通过消色差透镜6和负透镜7，光束直径减小，并且待分析的光辐射5被引导到反射分束器1上。反射分束器1将光辐射5分成两个分光束5.1和5.2，并通过聚焦透镜3将其偏转到衍射光栅2上。

衍射光栅2将两个分光束5.1和5.2中的每一个分成其光谱分量，使得它们散开并通过聚焦透镜3到达分别关联的光敏元件4.1和4.2上。

在该示例性实施方式中，光敏元件4.1和4.2线性形成，包括多个相邻布置的光活性单独元件8，其信号输出分别连接到评估装置(未示出)的专用输入通道。

图3和图4示出了反射分束器1的实施方式，其具有两个不同取向的部分反射镜9和10。这里的视图对应于图1和图2的视图。入射光辐射5的一部分(即可见光波长范围(VIS))被反射镜9反射，而近红外范围(NIR)的辐射透过反射镜9。这部分光辐射5从反射镜10反射回来通过反射镜9(到衍射光栅2上－未示出)。由于两个反射镜9和10相对于彼此倾斜，所以分光束5.1和5.2在不同方向上反射，使得它们在不同位置处撞击衍射光栅2(未示出)。也就是说，它们在第三维中是分离的。

附图标记列表

1反射分束器

2衍射光栅

3透镜

4.1光敏元件

4.2光敏元件

5光辐射

5.1分光束

5.2分光束

6消色差透镜

7负透镜

8光活性单独元件

9部分反射镜

10部分反射镜

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于热处理期间光辐射(5)的光谱分辨检测的装置，所述装置包括评估装置、在预定波长范围内的至少一个光敏元件(4.1、4.2)、反射式衍射光栅(2)以及用于准直和/或聚焦的至少一个透镜(3)，其中，所述至少一个透镜(3)布置在所述衍射光栅(2)的前方，并且其中，所述光辐射(5)通过所述至少一个透镜(3)被引导到所述衍射光栅(2)上，从所述衍射光栅(2)被光谱分离并且通过所述至少一个透镜(3)被引导回到所述至少一个光敏元件(4.1、4.2)上，

其特征在于，

所述装置包括沿所述光辐射(5)的传播方向布置在所述至少一个透镜(3)和所述衍射光栅(2)前方的反射镜、以及两个光敏元件(4.1、4.2)，所述两个光敏元件中的每一个对于不同于另一光敏元件(4.1、4.2)的预定波长范围敏感，其中，所述反射镜是反射分束器(1)，所述反射分束器将入射光辐射(5)转换成两个分光束(5.1、5.2)，这两个分光束从所述衍射光栅(2)被光谱分离并且在各种情况下通过所述至少一个透镜(3)被引导回到所述光敏元件(4.1、4.2)中的一个上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光敏元件(4.1、4.2)包括多个光活性单独元件(8)，所述多个光活性单独元件(8)分别连接到所述评估装置的输入通道，其中，所述输入通道能通过所述评估装置组合成通道组。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一光敏元件(4.1)在可见波长范围内敏感，并且第二光敏元件(4.2)在近红外范围内敏感。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光敏元件(4.1、4.2)是光电二极管阵列。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括两个另外的光敏元件，这两个另外的光敏元件分别布置在所述分光束(5.1、5.2)的光束路径中，用于检测第0衍射级。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置具有在所述光辐射(5)的传播方向上布置在所述反射分束器(1)前方的高能量滤光器单元，所述高能量滤光器单元耦合出高能量光辐射(5)。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述评估装置包括高分辨率模数转换单元。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光敏元件(4.1、4.2)包括多个光活性单独元件(8)，所述多个光活性单独元件(8)分别连接到所述评估装置的输入通道，其中，要用于辐射强度测量的所述输入通道能借助于所述评估装置来具体选择。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分束器(1)具有部分反射镜(9、10)的布置，所述部分反射镜(9、10)沿所述入射光束(5)的光束路径不同地定向，其中，所述部分反射镜(9、10)中的每一个将所述光辐射(5)的相应预定波长范围的分光束(5.1、5.2)引导到所述衍射光栅(2)的预定区域上，并且其中，相对于入射光辐射(5)布置在前方的至少所述部分反射镜(9)对于所述预定波长范围之外的辐射是透明的。

Claims

其特征在于，

所述装置包括沿所述光辐射(5)的传播方向布置在所述至少一个透镜(3)和所述衍射光栅(2)前方的反射镜、以及分别在一个预定波长范围内敏感的两个光敏元件(4.1、4.2)，其中，所述反射镜是反射分束器(1)，所述反射分束器将入射光辐射(5)转换成两个分光束(5.1、5.2)，这两个分光束从所述衍射光栅(2)被光谱分离并且在各种情况下通过所述至少一个透镜(3)被引导回到所述光敏元件(4.1、4.2)中的一个上。