MARTINS, Marcelo-Cabaleiro (Haussmannstr. 5, Stuttgart, 70188, DE)
SCHOLICH-TESSMANN, Wolfgang (Silberweg 23, Böblingen, 71032, DE)
MARTINS, Marcelo-Cabaleiro (Haussmannstr. 5, Stuttgart, 70188, DE)
Patentansprüche
1. Vorrichtung (6) zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls (3), umfassend: eine Trägerplatte (7), eine Mehrzahl von ersten temperaturempfindlichen Messelementen (9, 9a bis 9g), insbesondere von Dioden, die an einer Mehrzahl von Messpunkten in einer bevorzugt matrixförmigen Anordnung (8) an einer ersten Seite (7a) der Trägerplatte (7) angebracht sind, und eine Mehrzahl von zweiten temperaturempfindlichen Messelementen (1 1 , 1 1a bis 11 g), insbesondere von Dioden, die in einer weiteren bevorzugt matrixförmigen Anordnung (10) an einer zweiten Seite (7b) der Trägerplatte (7) angebracht sind, wobei jeweils eines der ersten Messelemente (9a bis 9g) einem der zweiten Mesεelemente (I I a bis 11g) gegenüberliegend angeordnet und mit diesem über durch die Trägerplatte (7) hindurch verlaufende Leiterbahnen (12a bis 12g, 13a bis 13g) thermisch gekoppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Trägerplatte (7) mindestens eine thermisch leitende Schicht (16) zur Wärmeabfuhr aufweist, wobei die thermisch leitende Schicht (16) nicht mit den durch die Trägerplatte (7) hindurch verlaufenden Leiterbahnen (12a bis 12g, 13a bis 13g) in Verbindung steht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der einander gegenüberliegende erste und zweite Dioden anti-parallel geschaltet sind, derart, dass die Kathode (K) einer ersten Diode mit der Anode (A) einer zweiten Diode in elektrisch leitender Verbindung steht und umgekehrt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Dioden als SMD-Dioden ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die ersten und/oder die zweiten Messelemente (9, 11 ) in Zeilen (Z1 bis Z16) und Spalten (S1 bis S16) der matrixförmigen Anordnung (8) und/oder der weiteren matrixförmigen Anordnung (10) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
6. Laserbearbeitungsmaschine (1) mit einer Erzeugungseinrichtung (2) zur Erzeugung eines Laserstrahls (3) sowie mit mindestens einer Vorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Analyse des Strahlprofils des erzeugten Laserstrahls (3).
7. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 6, weiter umfassend: einen teildurchlässigen Umlenkspiegel (5) zur Auskopplung eines Teils des Laserstrahls (3) auf die Vorrichtung (6) zur Analyse des Strahlprofils.
8. Verfahren zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls (3), umfassend: Einstrahlen des Laserstrahls (3) auf eine erste Seite (7a) einer Trägerplatte (7), an der eine Mehrzahl von ersten temperaturempfindlichen Messelementen (9, 9a bis 9g), insbesondere von Dioden, an einer Mehrzahl von Messpunkten in einer bevorzugt matrixförmigen Anordnung (8) angebracht sind, sowie
Bestimmen der Intensität des Laserstrahls (3) an einem jeweiligen Messpunkt durch Vergleichen einer temperaturabhängigen Eigenschaft eines ersten Messelements (9, 9a bis 9g) mit einer temperaturabhängigen Eigenschaft eines zweiten temperaturempfindlichen Messelements (11 , 1 1a bis 11g), insbesondere einer Diode, das an einer zweiten Seite (7b) der Trägerplatte (7) dem ersten Messelement (9, 9a bis 9g) gegenüberliegend angebracht und mit dem ersten Messelement (9, 9a bis 9g) über durch die Trägerplatte (7) hindurch verlaufende Leiterbahnen (12a bis 12g, 13a bis 13g) thermisch gekoppelt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Kathode (K) einer jeweiligen ersten Diode mit der Anode (A) einer gegenüberliegend angebrachten zweiten Diode in Verbindung steht und umgekehrt, und bei dem zwischen dem Messen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls der ersten Diode und dem Messen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls der zweiten Diode die Stromrichtung durch die beiden Dioden umgekehrt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die auf die Trägerplatte (7) eingebrachte Wärme durch mindestens eine thermisch leitende Schicht (16) innerhalb der Trägerplatte (7) und/oder durch eine Gasströmung beidseitig der Trägerplatte (7) so abgeführt wird, dass die Kühlwirkung auf beiden Seiten der Trägerplatte (7) symmetrisch ist. |
Vorrichtung zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls
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.
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.
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.
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.
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.
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 Referenzeiement 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.
Aufgabe der Erfindung
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.
Gegenstand der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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 Trägerpiatte 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/(m K)), 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.
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.
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 x 50 mm hergestellt werden, um einen Laserstrahl mit 30 mm Durchmesser zu analysieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und/oder die zweiten Messelemente in Zeilen und Spalten der matrixförmigen Anordnung und/oder der weiteren matrixförmägen 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.
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.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Laserbearbeitungsmaschine einen teildurchlässigen Umlenkspiegel zur Auskoppluπg 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.
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.
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.
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.
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.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Analyse des Strahlprofils,
Fign. 2a-c eine Trägerplatte der Vorrichtung von Fig. 1 mit zwei matrixförmigen Dioden-Anordnungen in einer Ansicht von vorne, von hinten, sowie in einer Schnittdarstellung, und
Fig. 3 ein Schaltbild einer Messeinrichtung zur Bestimmung des temperaturabhängigen Widerstands der Dioden der Fign. 2a-c.
Fig. 1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine 1 mit einem Laserresonator 2 zur Erzeugung eines Laserstrahls 3. Der Laserstrahl 3 wird mittels einer (nicht gezeigten) Strahlfϋhrungsoptik 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 Fign. 2a-c dargestellt ist.
Die Vorrichtung 6 weist eine Platine aus einem Kunststoffmaterial als Trägerplatte 7 auf, an deren Vorderseite 7a, wie in Fig. 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 Laserbearbeituπgsmaschine 1 verwendete Querschnittsfiäche des Laserstrahls 3 gewählt, so dass auch Abweichungen von der in Fig. 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.
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 Fig. 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.
Wie in Fig. 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 11 g 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 11 a bis 11 g 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 11 a bis 11 g über eine jeweilige zweite Leiterbahn 13a bis 13g verbunden.
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. I Ia 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 11 a bis 11g nahezu Null betragen, während bei Auftreffen von Laserstrahlung auf die ersten Dioden eine definierte Temperaturdifferenz zu den zweiten Dioden entsteht.
Wie in Fig. 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 11 d. 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 1 1c bzw. 1 1 e. 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.
Wie in Fig. 2c ebenfalls zu erkennen ist, handelt es sich bei den ersten bzw. zweiten Dioden 9a bis 9g, 11 a 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.
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 Fig. 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 erfoigt und das Messergebnis nicht verfälscht. Wesentlich ist hierbei, dass die Schicht 16 nicht mit den Leiterbahnen 9a bis 9g bzw. 11 a bis 11 g 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.
Mit der in Fign. 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.
Zum Ermitteln der von der Intensität der Laserstrahlung abhängigen Temperatur der ersten bzw. zweiten Dioden 9, 1 1 weist die Vorrichtung 6 eine in Fig. 3 gezeigte Messeinrichtung 17 auf. Die Messeinrichtung 17 umfasst eine Mehrzahl von Schaltelementen, im Bild beispielhaft SW1 bis SW 13, 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 SW 1 bis SW7 liegt hierbei jeweils ein konstanter Strom l const 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 Fig. 3 gezeigt sind. Mittels eines weiteren Schaltelements SWI 3 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 Fig. 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.
Die ersten Schaltelemente SW 1 bis SW7 sind mit ihren Ausgängen ebenfalls mit jeweils einem Anschluss der Diodenpaare 9, 1 1 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, 1 1 in der ersten Zeile Z1 und der ersten Spalte S1. Der hierbei angelegte Gleichstrom l coπst. fließt nur durch eine, z.B. durch die erste Diode 9, da wegen der anti-parallelen Verschattung 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 l const umgekehrt, so fließt der Strom l ∞ nst. 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.
Die oben beschriebene Vorrichtung 6 kann z.B. in der in Zusammenhang mit Fig. 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.
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, 1 1 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.
Next Patent: CONVERTER AND METHOD FOR CONVERTING MECHANICAL ENERGY INTO ELECTRIC ENERGY