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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse des
Strahlprofils eines Laserstrahls, eine Laserbearbeitungsmaschine
mit mindestens einer solchen Vorrichtung, sowie ein zugehöriges
Verfahren zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls.
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In
Laserbearbeitungsmaschinen ist es notwendig, einen Laserstrahl – im
Idealfall online, d. h. während der Laserbearbeitung – in
seinen Eigenschaften wie Leistung, Strahllage und Strahldurchmesser
und/oder Intensitätsverteilung zu vermessen. Zu diesem
Zweck gibt es bereits kommerziell erhältliche Messgeräte,
die allerdings aufgrund ihres Preises und ihrer geringen Robustheit
oft nur für einen Einsatz im Labor geeignet sind. In einem
solchen Messgerät wird beispielsweise eine kleine, schnell bewegte
Nadel genutzt, um einen kleinen Teil der Laserstrahlung auszukoppeln
und auf einen schnellen IR-Detektor zu lenken. Diese Nadel ist ein
Verschleißteil, daher ist das Messgerät für
einen Dauereinsatz in Laserbearbeitungsmaschinen nur bedingt geeignet.
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Ein
alternatives Verfahren zur Messung des Intensitätsprofils
eines Laserstrahls nutzt einen teildurchlässigen Umlenkspiegel
im Strahlengang des Laserstrahls zur Auskopplung eines geringen
Anteils der Strahlungsleistung, die etwa den Verlusten des Spiegels
entspricht, auf einen ortsauflösenden Detektor. Vorzugsweise
wird hierfür ein Umlenkspiegel genutzt, der ohnehin bereits
zur Strahlumlenkung im Strahlengang vorgesehen ist. Eine solche
Anordnung ist beispielsweise aus der
JP 02038931 A bekannt.
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Aus
der
WO 2006/103104
A1 ist ein Spiegel bekannt geworden, in dem ein Diodenarray
als Detektor zur Messung der Temperaturverteilung des auftreffenden
Laserstrahls eingearbeitet ist. Diese Lösung ist zwar sehr
kompakt, aber die Zusammenführung der Funktionen ”Spiegel
für Laserstrahlung” und ”integrierte
Dioden zur Messung des Intensitätsprofils” führt
zu einem hohen Aufwand bei der Herstellung des Spiegels. Außerdem
führt die für die Reflexion der Laserstrahlung
notwendige Goldbeschichtung zu einer starken thermischen Verkopplung
benachbarter Dioden, d. h. benachbarter Temperaturmesspunkte. Dadurch überträgt
sich die Wärmeenergie eines vom Laserstrahl erwärmten
Messpunkts zum Teil auf benachbarte Messpunkte, wodurch das thermische
Abbild des Laserstrahls ”verschmiert”. Zur Kompensation
dieses Effekts können Gräben in das Trägermaterial
des Spiegels eingebracht werden, die mit einem thermisch isolierenden Material
gefüllt werden.
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Aus
der
US 3939706 A ist
ein Sensor zur Strahlvermessung bekannt geworden, bei dem auf beiden
Seiten eines Substrats Widerstandselemente oder Thermoelemente angeordnet
sind. Eine Seite des Sensors wird dem Strahl ausgesetzt und die
dem Strahl abgewandte Seite wird gekühlt. Zwischen jeweils
zwei sich auf dem Substrat gegenüberliegenden Widerstands-
bzw. Thermoelementen wird eine Temperaturdifferenz gemessen, wobei
die Widerstandselemente, die an der dem Laserstrahl abgewandten
Seite des Substrats vorgesehenen sind, durch die Kühlung
auf konstanter Temperatur gehalten werden, was zu einem Sensor mit
geringer Zeitkonstante führen soll. Die Widerstandselemente
stehen einerseits mit einer Spannungsversorgung und andererseits
mit einem jeweiligen Eingang eines Multiplexers in elektrischer
Verbindung, um ein sequentielles Auslesen zu ermöglichen.
Die elektrischen Anschlüsse von einander gegenüberliegenden
Widerstandselementen sind hierbei auf dem Substrat versetzt angeordnet,
so dass diese sich nicht gegenseitig beeinflussen können.
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Aus
der
US 4463262 A ist
ein Sensor zur Strahlvermessung bekannt, bei dem auf einem Substrat
Paare von Thermistoren als Sensorelemente angeordnet sind, wobei
jeweils ein Element eines jeweiligen Paars als Referenzelement von
der auftreffenden Strahlung abgeschirmt ist, um den Einfluss von
Schwankungen der Umgebungstemperatur auf das Messergebnis zu minimieren.
Zur Abschirmung der Referenzelemente vor der Laserstrahlung wird ein
Hitzeschild benötigt.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Analyse des Strahlprofils
eines Laserstrahls mittels einer Vorrichtung zu ermöglichen,
die preisgünstig herzustellen ist sowie eine geringe thermische
Zeitkonstante aufweist.
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Gegenstand der Erfindung
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Ein
erster Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Vorrichtung
zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls, umfassend: eine
Trägerplatte, eine Mehrzahl von ersten temperaturempfindlichen
Messelementen, insbesondere von Dioden, die an einer Mehrzahl von
Messpunkten in einer bevorzugt matrixförmigen Anordnung
an einer ersten Seite der Trägerplatte angebracht sind,
und eine Mehrzahl von zweiten temperaturempfindlichen Messelementen, insbesondere
von Dioden, die in einer bevorzugt matrixförmigen Anordnung
an einer zweiten Seite der Trägerplatte angebracht sind,
wobei jeweils eines der ersten Messelemente einem der zweiten Messelemente
unmittelbar gegenüberliegend angeordnet und mit dem ersten
Messelement über durch die Trägerplatte hindurch
verlaufende Leiterbahnen thermisch gekoppelt ist.
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Die
an den Messpunkten angeordneten temperaturempfindlichen Messelemente
weisen mindestens eine Eigenschaft auf, die sich in Abhängigkeit von
der Temperatur, d. h. in Abhängigkeit von der auftreffenden
Strahlungsleistung ändert. Als temperaturempfindliche Messselemente
können z. B. elektronische Bauteile mit einem temperaturabhängigen
elektrischen Parameter verwendet werden. Für die Messung
sind Halbleiterbauelemente, z. B. Dioden, besonders gut geeignet,
da deren Durchlass-Spannung sich bei Speisung mit einem konstanten
Strom in Abhängigkeit von der Temperatur in einem bestimmten Temperaturbereich
weitgehend linear verändert. Es versteht sich, dass als
Messelemente auch herkömmliche Widerstände, insbesondere
in Dünnschicht-Technologie, oder Thermoelemente (z. B. Bi-Metall-Streifen)
eingesetzt werden können.
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Zur
Reduktion der thermischen Kopplung und der thermischen Zeitkonstante
der Messelemente wird erfindungsgemäß eine Trägerplatte
bzw. ein Trägersubstrat, z. B. eine Platine, nicht nur
auf ihrer Vorderseite mit einer Anordnung von Messelementen bestückt,
sondern auch auf ihrer Rückseite mit exakt derselben Anordnung
von Messelementen versehen. Sich unmittelbar gegenüberliegende
Paare von Messelementen auf der Vorder- und Rückseite der
Trägerplatte sind dabei jeweils durch metallische Leiterbahnen,
die im Bereich bzw. an den Messpunkten durch die Trägerplatte
hindurch verlaufen, elektrisch und thermisch leitend miteinander
verbunden. Zwar können auch weitere Leiterbahnen, die auf
der Trägerplatte aufgebracht sind, zur elektrisch leitenden Verbindung
der Messelemente vorgesehen sein, um ein Auslesen der Messelemente
zu ermöglichen, die hierbei entstehenden thermischen Kopplungen
gelten aber für die Elemente der Ober- wie der Unterseite
auf die gleiche Weise. Das Verschmieren des thermischen Abbilds
des Laserstrahls kann damit verhindert werden, wenn das auf der
Rückseite der Trägerplatte gemessene Temperaturprofil
von jenem auf der Vorderseite subtrahiert wird.
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Wird
die erfindungsgemäße Vorrichtung auf der ersten
Seite dem Laserstrahl ausgesetzt, beispielsweise indem sie hinter
einem geeigneten Umlenkspiegel in der Strahlführung einer
Laserbearbeitungsmaschine angeordnet wird, so besteht eine thermische
Verkopplung der einzelnen Messpunkte (Mess-Dioden) auf der Vorderseite
der Platine zu ihren Nachbarn auf der Unterseite, so dass die Temperaturdifferenz
an Diodenpaaren, auf die keine Laserleistung trifft, nahezu Null
beträgt. Die Temperaturdifferenz zwischen einer Diode auf
der Vorderseite und der zugehörigen Diode auf der Rückseite
der Platine ist daher ein Maß für die auf der
Vorderseite eingestrahlte Laserleistung. Durch diesen erfindungsgemäßen
Aufbau des Detektors verringert sich die effektive thermische Zeitkonstante
gegenüber einer nur einseitigen Diodenmatrix etwa um den
Faktor 3 bis 5 und die zwischen benachbarten Dioden gemessene thermische
Verkopplung etwa um den Faktor 5.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trägerplatte
mindestens eine thermisch leitende Schicht zur Wärmeabfuhr
auf, wobei die thermisch leitende Schicht nicht mit den durch die
Trägerplatte hindurch verlaufenden Leiterbahnen in Verbindung steht. Üblicher
Weise werden eine oder zwei thermisch leitende Schichten, die aus
einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer (hohe Wärmeleitfähigkeit λ von
ca. 350 W/(mK)), bestehen, zur Wärmeabfuhr in der Mitte
des Trägersubstrats, d. h. zwischen den beiden matrixförmigen
Anordnungen, angebracht, um die Leistungsbeständigkeit
der Vorrichtung zu erhöhen. An den Außenseiten
des Trägersubstrats werden hierbei in Verbindung mit den
thermisch leitenden Schichten Wärmesenken angeordnet. Es
versteht sich, dass die Wärmeabfuhr entlang der Schichten
auf beiden Seiten der Vorrichtung gleich wirken soll, weshalb die
Schicht(en) typischer Weise symmetrisch zur Mittelebene der Trägerplatte
verlaufen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Wärmeabfuhr auch
erreicht werden, indem beide Seiten der Trägerplatte auf
gleiche Weise durch das Überleiten eines Gas-, insbesondere
eines Luftstroms gekühlt werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind einander
gegenüberliegende erste und zweite Messelemente anti-parallel
geschaltet, derart, dass die Kathode einer ersten Diode mit der Anode
einer zweiten Diode in elektrisch leitender Verbin dung steht und
umgekehrt. Bei einer solchen anti-parallelen Verschaltung der Dioden
kann bei geeigneter Wahl der Polarität des zur Messung
verwendeten Stromes die temperaturabhängige Spannung der ersten
Diode eines Diodenpaares gemessen werden, da die zweite Diode in
Sperrrichtung betrieben wird, so dass diese nicht zur Messung beiträgt.
Durch Umkehren der Stromrichtung kann nachfolgend die Vermessung
der temperaturabhängigen Spannung der zweiten Diode erfolgen,
wobei die erste Diode in diesem Fall in Sperrrichtung betrieben
wird.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Dioden als
SMD-Dioden ausgebildet. Die Vorrichtung kann besonders kostengünstig
hergestellt werden, wenn die flächige Temperaturmessung
mit sehr kleinen und preiswerten SMD(surface mounted device)-Dioden
erfolgt. Hierdurch kann mit geringem Kostenaufwand ein Detektor
mit einem Messfeld von z. B. 50 mm × 50 mm hergestellt
werden, um einen Laserstrahl mit 30 mm Durchmesser zu analysieren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ersten
und/oder die zweiten Messelemente in Zeilen und Spalten der matrixförmigen
Anordnung und/oder der weiteren matrixförmigen Anordnung
elektrisch leitend miteinander verbunden. Auf diese Weise können
die einzelnen Messelemente jeder Zeile bzw. jeder Spalte für
das Auslesen mittels einer geeigneten Auswertelogik adressiert werden.
Wie oben ausgeführt genügt bei Verwendung von
anti-parallel geschalteten Dioden eine einzige Verbindungsmatrix,
um sowohl die Dioden auf der ersten als auch die Dioden auf der
zweiten Seite auszulesen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Laserbearbeitungsmaschine
mit einer Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls
sowie mit mindestens einer Vorrichtung wie oben beschrieben, die
zur Analyse des Strahlprofils des Laserstrahls dient. Die Messung
erfolgt hierbei üblicher Weise direkt im unfokussierten
Laserstrahl, d. h. ohne eine zwischengeschaltete fokussierende Optik.
Mittels der Vorrichtung kann hierbei die Intensitätsverteilung
in einem zweidimensionalen Feld vermessen werden, wobei dieses Messfeld
etwas größer als der zu vermessende Laserstrahl
gewählt werden sollte, um z. B. Abweichungen der Strahllage ermitteln
zu können. Die oben beschriebene Vorrichtung kann in der
Laserbearbeitungsmaschine eingesetzt werden, um den Laserstrahl
online zu vermessen und zu überwachen. So wird es möglich,
das Pointing des Laserstrahls auszuregeln, wenn in der Laserbearbeitungsmaschine
entsprechende Stellglieder verfügbar sind, welche die Strahllage
gezielt verändern können.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die
Laserbearbeitungsmaschine einen teildurchlässigen Umlenkspiegel
zur Auskopplung eines Anteils des Laserstrahls auf die Vorrichtung
zur Analyse des Strahlprofils. Bei den in Laserbearbeitungsmaschinen
typischer Weise verwendeten hohen Laserleistungen ist es günstig,
nur einen geringen Anteil von typischer Weise ca. 1% der Laserleistung
auszukoppeln und auf die Vorrichtung einzustrahlen, um diese vor
Zerstörung durch zu große Wärmeentwicklung
zu schützen und gleichzeitig nur einen geringen Leistungsverlust
des Laserstrahls zu haben.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einem Verfahren
zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls, umfassend: Einstrahlen
des Laserstrahls auf eine erste Seite einer Trägerplatte,
an der eine Mehrzahl von ersten temperaturempfindlichen Messelementen,
insbesondere von Dioden, an einer Mehrzahl von Messpunkten in einer
bevorzugt matrixförmigen Anordnung angebracht sind, sowie Bestimmen
der Intensität des Laserstrahls an einem jeweiligen Messpunkt
durch Vergleichen einer temperaturabhängigen Eigenschaft
eines ersten Messelements mit einer temperaturabhängigen
Eigenschaft eines zweiten temperaturempfindlichen Messelements,
insbesondere einer Diode, das an einer zweiten Seite der Trägerplatte
dem ersten Messelement gegenüberliegend angebracht und
mit dem ersten Messelement über durch die Trägerplatte
hindurch verlaufende Leiterbahnen thermisch gekoppelt ist. Die Differenz
der Messwerte bzw. der Messsignale der temperaturabhängigen
Eigenschaft, insbesondere des temperaturabhängigen Spannungsabfalls,
an zwei sich gegenüberliegenden Messelementen stellt hierbei
ein Maß für die auf die erste Seite der Vorrichtung
eingestrahlte Laserleistung dar.
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In
einer vorteilhaften Variante steht die Kathode einer jeweiligen
ersten Diode mit der Anode einer gegenüberliegend angebrachten
zweiten Diode in Verbindung und umgekehrt, und zwischen dem Messen
des temperaturabhängigen Spannungsabfalls der ersten Diode
und dem Messen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls
der zweiten Diode wird die Stromrichtung durch die beiden Dioden
um gekehrt. Auf diese Weise kann mittels einer einzigen Verbindungsmatrix
der temperaturabhängige Spannungsabfall der Dioden sowohl
an der Vorderseite als auch an der Rückseite der Trägerplatte
gemessen werden.
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In
einer besonders bevorzugten Variante wird die auf die Trägerplatte
eingebrachte Wärme durch mindestens eine thermisch leitende
Schicht innerhalb der Trägerplatte und/oder durch eine
Gasströmung beidseitig der Trägerplatte so abgeführt, dass
die Kühlwirkung auf beiden Seiten der Trägerplatte
symmetrisch ist. Unter einer symmetrischen Kühlwirkung
wird hierbei verstanden, dass sich die Kühlung auf die
Temperatur von gegenüberliegend angeordneten Messelementen
in gleicher Weise auswirkt, so dass die Kühlung keine Auswirkung
auf die Bestimmung der Intensität des Laserstrahls durch Vergleichen,
insbesondere durch Differenzbildung der temperaturabhängigen
Eigenschaft der gegenüberliegenden Messelemente hat.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die
noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich
oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die
gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht
als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern
haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserbearbeitungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Analyse des Strahlprofils,
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2a–c
eine Trägerplatte der Vorrichtung von 1 mit
zwei matrixförmigen Dioden-Anordnungen in einer Ansicht
von vorne, von hinten, sowie in einer Schnittdarstellung, und
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3 ein
Schaltbild einer Messeinrichtung zur Bestimmung des temperaturabhängigen
Widerstands der Dioden der 2a–c.
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1 zeigt
eine Laserbearbeitungsmaschine 1 mit einem Laserresonator 2 zur
Erzeugung eines Laserstrahls 3. Der Laserstrahl 3 wird
mittels einer (nicht gezeigten) Strahlführungsoptik auf
einem Werkstück 4 fokussiert, um an diesem eine
Laserbearbeitung, z. B. einen Laserschweiß- oder Laserschneidprozess
durchzuführen. Der Laserstrahl 3 wird hierbei
zwischen dem Laserresonator 2 und dem Werkstück 4 an
einem Umlenkspiegel 5 um 90° umgelenkt. Der Umlenkspiegel 5 ist
als Strahlteiler ausgebildet und reflektiert ca. 99% der Intensität
des einfallenden Laserstrahls 3. Die restliche Intensität
(ca. 1%) des Laserstrahls 3 wird vom Umlenkspiegel 5 transmittiert
und trifft auf eine Vorrichtung 6 zur Analyse des Strahlprofils
des Laserstrahls 3, welche im Detail in 2a–c
dargestellt ist.
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Die
Vorrichtung 6 weist eine Platine aus einem Kunststoffmaterial
als Trägerplatte 7 auf, an deren Vorderseite 7a,
wie in 2a gezeigt ist, eine matrixförmige
Anordnung 8 von temperaturempfindlichen Messelementen in
Form von ersten Dioden 9 angebracht ist. Der Laserstrahl 3 trifft
auf die Trägerplatte 7 im Bereich der matrixförmigen
Anordnung 8 auf. Die Fläche, welche von der matrixförmigen
Anordnung 8 auf der Trägerplatte 7 überdeckt
wird, ist hierbei etwas größer als die üblicher
Weise in der Laserbearbeitungsmaschine 1 verwendete Querschnittsfläche
des Laserstrahls 3 gewählt, so dass auch Abweichungen
von der in 2a gezeigten, idealen, d. h.
mittigen Strahllage des Laserstrahls 3 ermittelt werden
können. Die ersten Dioden 9 weisen einen temperaturabhängigen
elektrischen Spannungsabfall auf, der sich in Abhängigkeit
von der Intensität der auftreffenden Laserstrahlung verändert, so
dass die ersten Dioden 9 eine zweidimensionale, matrixförmige
Anordnung 8 von Messpunkten bilden, anhand derer das Strahlprofil,
d. h. die Strahlintensität des Laserstrahls 3 über
den Strahlquerschnitt bestimmt werden kann.
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Zur
Reduktion der thermischen Verkopplung zwischen benachbarten ersten
Dioden 9 sowie zur Reduktion der thermischen Zeitkonstante
der ersten Dioden 9 weist die Trägerplatte 7,
wie in 2b gezeigt, an ihrer Rückseite 7b eine
zweite matrixförmige Anordnung 10 von zweiten
Dioden 11 auf. Die beiden matrixförmigen Anordnungen 8, 10 sind
hierbei identisch ausgebildet und einander direkt gegenüberliegend
auf der Vorderseite 7a bzw. der Rückseite 7b der
Trägerplatte 7 positioniert, so dass jeweils eine der
ersten Dioden 9 der ersten matrixförmigen Anordnung 8 jeweils
einer der zweiten Dioden 11 der zweiten matrixförmigen
Anordnung 10 unmittelbar gegenüberliegend angeordnet
ist.
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Wie
in 2c anhand eines Schnitts durch die Trägerplatte 7 entlang
einer Reihe von ersten bzw. zweiten Dioden 9a bis 9g bzw. 11a bis 11g gezeigt,
ist jeweils eine der ersten Dioden 9a bis 9g mit einer
gegenüberliegenden zweiten Diode 11a bis 11g über
erste und zweite Leiterbahnen 12a, 13a bis 12g, 13g elektrisch
und thermisch leitend verbunden. Die ersten Dioden 9a bis 9g sind
hierbei anti-parallel zu den zweiten Dioden 11a bis 11g verschaltet,
d. h. die Kathode K einer jeweiligen ersten Diode 9a bis 9g ist mit
der Anode A einer gegenüberliegenden zweiten Diode 11a bis 11g über
eine jeweilige erste Leiterbahn 12a bis 12g verbunden
und entsprechend sind die Anoden A der ersten Dioden 9a bis 9g mit
den Kathoden K der zweiten Dioden 11a bis 11g über
eine jeweilige zweite Leiterbahn 13a bis 13g verbunden.
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Unter
einer thermisch leitenden Verbindung wird verstanden, dass über
die Leiterbahnen 12a, 13a bis 12g, 13g ein
Temperaturausgleich zwischen gegenüberliegenden ersten
und zweiten Dioden 9a bis 9g bzw. 11a bis 11g stattfindet.
Insbesondere soll für den Fall, dass keine Laserstrahlung
auf eine jeweilige erste Diode 9a bis 9g auftrifft,
die Temperaturdifferenz zu einer jeweils gegenüberliegenden
zweiten Diode 11a bis 11g nahezu Null betragen,
während bei Auftreffen von Laserstrahlung auf die ersten Dioden
eine definierte Temperaturdifferenz zu den zweiten Dioden entsteht.
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Wie
in 2c dargestellt, trifft bei der Messung ein zur
Vereinfachung räumlich lokalisiert dargestellter Laserstrahl 3 als
Wärmequelle auf eine erste Diode 9d der Vorrichtung 6 und
erwärmt diese, wobei ein Teil der Wärme über
die Trägerplatte 7 auf benachbarte erste Dioden 9c bzw. 9e übertragen
wird. Ein anderer Teil der Wärme überträgt
sich auf die zweite Diode 11d. Die Verkopplung der ersten
Diode 9d auf ihre Nachbarn 9c bzw. 9e ist
gleich groß wie die Verkopplung der zweiten Diode 11d auf
ihre Nachbarn 11c bzw. 11e. Wird für
jeden Messpunkt die Differenz aus den Temperaturmesswerten der Ober-
und der Unterseite gebildet, so reduziert sich im Ergebnis die thermische
Verkopplung zwischen den einzelnen Messpunkten deutlich.
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Wie
in 2c ebenfalls zu erkennen ist, handelt es sich
bei den ersten bzw. zweiten Dioden 9a bis 9g, 11a bis 11g um
SMD-Dioden, die keine Drahtanschlüsse aufweisen und mit
ihren Anschluss-Pins 14a, 14b direkt mit Lötaugen 15a, 15b (engl. „solder pads”)
auf der Trägerplatte 7 verbunden werden, die als
gedruckte Platine (PCB „printed circuit board”) ausgebildet
ist. Die kleinen Abmessungen der SMD-Dioden erlauben es, ein Messfeld
in einer matrixförmige Anordnung von z. B. 50 mm auf 50
mm mit geringem Kostenaufwand herzustellen. Mit einem so dimensionierten
Messfeld kann ein Laserstrahl 3 mit einem Durchmesser von
beispielsweise 30 mm analysiert werden.
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In
die Trägerplatte 7 ist eine Schicht 16 aus Kupfer
eingebracht, das einen hohen Wärmeleitungskoeffizienten
aufweist, um eine effektive Abfuhr der in der Trägerplatte 7 durch
den Laserstrahl 3 erzeugten Wärme hin zu (nicht
gezeigten) Wärmesenken, die an den Rändern der
Trägerplatte vorgesehen sind, zu gewährleisten,
wodurch die Leistungsbeständigkeit der Vorrichtung 6 erhöht
wird. Anders als in 2c gezeigt verläuft
die Schicht 16 typischer Weise mittig in der Trägerplatte 7,
damit die Wärmeabfuhr auf beiden Seiten der Vorrichtung
auf die gleiche Weise erfolgt und das Messergebnis nicht verfälscht.
Wesentlich ist hierbei, dass die Schicht 16 nicht mit den
Leiterbahnen 9a bis 9g bzw. 11a bis 11g in
Verbindung steht, da sonst aufgrund der elektrischen Verbindung
sowohl die Messung des Spannungsabfalls der einzelnen Dioden 9a bis 9g bzw. 11a bis 11g nicht
möglich wäre und darüber hinaus die thermische
Kopplung benachbarter Dioden erhöht würde. Es
versteht sich, dass zusätzlich oder alternativ zu der wärmeleitenden
Schicht 16 auch eine Gaskühlung vorgesehen sein
kann, bei der beide Seiten 7a, 7b der Trägerplatte 7 auf
dieselbe Weise durch Überleiten eines Gas- oder Luftstroms
gekühlt werden. Es versteht sich weiterhin, dass auch andere Arten
der Kühlung möglich sind, wobei allen Arten von
Kühlung gemeinsam ist, dass sie bezüglich der Trägerplatte 7 bzw.
einer Mittelebene der Trägerplatte 7 eine symmetrische
Kühlwirkung aufweisen sollten.
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Mit
der in 2a–c gezeigten Vorrichtung 6 kann
die effektive thermische Zeitkonstante gegenüber einer
Trägerplatte mit einer einzigen matrixförmigen
Anordnung von Dioden, die lediglich an deren Vorderseite 7a angebracht
ist, um einen Faktor 3 bis 5 und die zwischen benachbarten ersten
Dioden 9 bzw. zweiten Dioden 11 gemessene thermische
Verkopplung um einen Faktor 5 reduziert werden.
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Zum
Ermitteln der von der Intensität der Laserstrahlung abhängigen
Temperatur der ersten bzw. zweiten Dioden 9, 11 weist
die Vorrichtung 6 eine in 3 gezeigte
Messeinrichtung 17 auf. Die Messeinrichtung 17 umfasst
eine Mehrzahl von Schaltelementen, im Bild beispielhaft SW1 bis
SW13, in Form von Digitalbausteinen, die jeweils über acht
Ausgänge sowie einen Eingang verfügen, der in
Abhängigkeit von jeweils drei Steuerbits (Control Bits)
mit einem einzigen der acht Ausgänge verbunden wird. Die
Schaltelemente SW1 bis SW13 dienen dazu, einzelne der matrixförmig
verschalteten Dioden 9 bzw. 11 auszuwerten. Im
Bild sind beispielhaft je sechzehn Zeilen Z1 bis Z16 und Spalten
S1 bis S16 mit Dioden 9 bzw. 11 gezeigt. An den
Eingängen der ersten in einer Zeile angeordneten Schaltelemente
SW1 bis SW7 liegt hierbei jeweils ein konstanter Strom Iconst an, der in Abhängigkeit von
drei ersten Steuerbits 1 bis 3 mit einem der Ausgänge verbunden
wird. An jedem Ausgang der Schaltelemente SW1 bis SW7 liegt je eine
Spalten-Leitung mit Dioden 9 bzw. 11, von denen
beispielhaft Spalten S1 bis S16 in 3 gezeigt sind.
Mittels eines weiteren Schaltelements SW13 kann über drei
weitere Kontrollbits 7 bis 9 ein an dessen Eingang
vorhandenes Massepotential an einen jeweiligen Eingang von in einer
Spalte angeordneten, weiteren Schaltelementen, von denen in 3 beispielhaft
fünf (SW8 bis SW12) gezeigt sind, angelegt werden. Mit
Hilfe von drei weiteren Kontrollbits 4 bis 6 kann jeweils einer
der acht Ausgänge der fünf weiteren Schaltelemente
SW8 bis SW12 mit Massepotential beaufschlagt werden. Jeweils einer
der Ausgänge der weiteren Schaltelemente SW8 bis SW12 ist
jeweils mit einer Zeile (beispielhaft Z1 bis Z16) der anti-parallel
verschalteten Paare von ersten und zweiten Dioden 9, 11 elektrisch
leitend verbunden. Es versteht sich, dass die jeweiligen elektrisch
leitenden Verbindungen zwischen nebeneinander angeordneten ersten
Dioden 9 bzw. zweiten Dioden 11 eine thermische
Auslegung aufweisen, welche auf Vorder- und Rückseite jeweils
gleiche Verhältnisse für die Verkopplung zwischen
benachbarten Dioden herstellt, so dass sich über die Differenzbildung
der Temperaturmesswerte der Vorder- und der Rückseite in jedem
Messpunkt die thermische Verkopplung der Messwerte deutlich reduziert.
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Die
ersten Schaltelemente SW1 bis SW7 sind mit ihren Ausgängen
ebenfalls mit jeweils einem Anschluss der Diodenpaare 9, 11 verbunden,
derart, dass über die Kontrollbits 1 bis 9 ein jeweiliges
zu vermessendes Diodenpaar über seine jeweilige Zeile bzw.
Spalte ausgewählt werden kann, z. B. das erste Diodenpaar 9, 11 in
der ersten Zeile Z1 und der ersten Spalte S1. Der hierbei angelegte
Gleichstrom Iconst. fließt nur
durch eine, z. B. durch die erste Diode 9, da wegen der
anti-parallelen Verschaltung der Stromfluss durch die zweite Diode 11 gesperrt
ist, so dass nur eine Spannung über der ersten Diode 9 abfällt.
Wird die Stromrichtung des Stroms Iconst umgekehrt,
so fließt der Strom Iconst . entsprechend nur durch die zweite Diode 11,
so dass die über dieser Diode abfallende Spannung gemessen
werden kann. Die Temperatur der Dioden wird aus dem Spannungsabfall
berechnet. Aus der Differenz zwischen der an der ersten Diode 9 und
der zweiten Diode 11 gemessenen Temperatur ergibt sich
ein Maß für die Intensität des auf die
erste Diode 9 auftreffenden Laserstrahls 3. Durch
die antiparallele elektrische Verbindung der Dioden 9, 11 ist
hierzu eine einzige elektrische Verbindungsmatrix ausreichend, um
sowohl die Dioden 9 an der Vorderseite 7a als
auch die Dioden 11 an der Rückseite 7b der
Trägerplatte 7 auszulesen.
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Die
oben beschriebene Vorrichtung 6 kann z. B. in der in Zusammenhang
mit 1 gezeigten Laserbearbeitungsmaschine 1 eingesetzt
werden, um den Laserstrahl 3 online, d. h. während
der Bearbeitung des Werkstücks 4 zu vermessen
und zu überwachen. Insbesondere kann dabei die Position
des Laserstrahls 3 erfasst werden und das Pointing bzw.
die Strahllage des Laserstrahls 3 durch (nicht gezeigte) Stellglieder
(verkippbare Spiegel etc.) in der Laserbearbeitungsmaschine 1 gezielt
verändert bzw. geregelt werden. Es versteht sich, dass
auf diese Weise auch die Strahlintensität des Laserstrahls 3 bestimmt und
ggf. online geregelt werden kann.
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Es
ist offensichtlich, dass auch Abwandlungen von der oben beschriebenen
Vorrichtung 6 möglich sind, die ebenfalls eine
Messung mit geringer Temperaturkonstante erlauben. So können
an Stelle der Dioden 9, 11 auch andere Typen von
temperaturempfindlichen Messelementen, z. B. Thermoelemente, an
der Trägerplatte 7 vorgesehen werden. Auch ist
nicht zwingend eine äquidistante Anordnung der Messpunkte
bzw. der Dioden 9, 11 erforderlich, um das Strahlprofil
des Laserstrahls zu analysieren. Wesentlich ist jedoch in jedem
Fall, dass über die durch die Träger platte hindurch
verlaufenden Leiterbahnen eine definierte thermische Verbindung
zwischen gegenüberliegenden Messelementen gewährleistet
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 02038931
A [0003]
- - WO 2006/103104 A1 [0004]
- - US 3939706 A [0005]
- - US 4463262 A [0006]