DE102015003697B4

DE102015003697B4 - Strahlprofilmessgerät mit Messung der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls und Laser-Bearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102015003697B4
Application number: DE102015003697.1A
Authority: DE
Inventors: Takashi Izumi
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2035-03-21
Also published as: JP2015190934A; DE102015003697A1; US9304036B2; CN104942429A; US20150276473A1; CN104942429B; JP5911903B2

Abstract

Strahlprofilmessgerät (10), das einen von einem Laseroszillator emittierten Laserstrahl (22) empfängt und eine Intensitätsverteilung des Laserstrahls (22) misst, umfassend:einen teilreflektierenden Spiegel (24), der in einem optischen Pfad des von dem Laseroszillator emittierten Laserstrahls angeordnet ist;mehrere Lichtempfangselemente (26, 28, 30), die jeweils verschiedene Bereiche (22b, 22c, 22d) eines Laserstrahlungsbereichs (22a') eines Laserstrahls (22') empfangen, der durch den teilreflektierenden Spiegel (24) verläuft, wobei die mehreren Lichtempfangselemente ein erstes Lichtempfangselement (30) umfassen, das derart angeordnet ist, dass das Zentrum des ersten Lichtempfangselementes mit einer optischen Achse des Laserstrahls zusammenfällt;mehrere Laserintensitätssensoren (50, 52, 54), die einzeln an den Lichtempfangselementen (26, 28, 30) angebracht sind und die Intensität des von jedem der mehreren Lichtempfangselemente (26, 28, 30) empfangenen Laserstrahls (22') detektieren, undein Bestimmungsteil für eine Abweichung von der optischen Achse (O1), der bestimmt, ob ein erstes Ausgangssignal (e1) von dem Laserintensitätssensor (50), der an dem ersten Laserempfangselement (30) angebracht ist, betragsmäßig das größte Ausgangssignal von den mehreren Laserintensitätssensoren (50, 52, 54) ist, die an den mehreren Lichtempfangselementen (26, 28, 30) angebracht sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Strahlprofilmessgerät, das die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls misst, und eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die das Strahlprofilmessgerät aufweist.
Zum Stand der Technik
Bekannt ist im Stand der Technik die Verwendung eines Strahlprofilmessgeräts, der eine fotoelektrische Einrichtung aufweist, um so die Intensitätsverteilung des Laserstrahls zu messen und auf Basis der Intensitätsverteilung zu ermitteln, ob eine Regelwidrigkeit im emittierten Laserstrahl vorliegt (beispielsweise JP 2010 - 137 264 A ).
Ferner ist aus EP 0 863 390 A1 eine Vorrichtung zur Erfassung einer Verschiebung der Laserstrahlintensität von der optischen Achse mittels zweier Erfassungselemente bekannt. Beide Erfassungselemente sind wiederum in Unterbereiche unterteilt, welche in Umfangsrichtung aneinander angrenzen, beispielsweise bilden vier gleichmäßige Kreissegmente das erste Erfassungselement. Jeder der Unterbereiche ist mit Thermosäulen versehen, wodurch die Laserstrahlintensität bestimmbar ist. Die Vorrichtung ermöglicht somit nicht nur die genaue Bestimmung der Position des Zentrums der Laserstrahlintensität, sondern auch die Bestimmung der Symmetrie des Laserstrahls.
Darüber hinaus sei auf die aus JP 5 324 202 B2 bekannte Laserstrahlvorrichtung mit Messung einer Verteilung der Laserstrahlintensität und die aus JP 2009 - 294 069 A bekannte laserbasierte Profilmessvorrichtung verwiesen.
Bezüglich dieses Strahlprofilmessgeräts besteht das Bedürfnis, das System zu vereinfachen und die Möglichkeit zu eröffnen, mit geringen Kosten festzustellen, ob die Intensitätsverteilung des Laserstrahls passend ist oder nicht.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Merkmalskombination der Erfindung weist ein Strahlformer folgendes auf: einen teilreflektierenden Spiegel; mehrere Lichtempfangselemente, welche einen den teilreflektierenden Spiegel passierenden Laserstrahl empfangen; und mehrere Laserintensitätssensoren, welche einzeln an den mehreren Lichtempfangselementen angebracht sind und die Intensität des Laserstrahls erfassen, der durch die Lichtempfangselemente empfangen wird. Die mehreren Lichtempfangselemente umfassen zumindest ein erstes Lichtempfangselement, welches einen ersten Bereich des Laserstrahlungsbereiches des Laserstrahles empfängt, wobei der erste Bereich einen Zentralabschnitt des Laserstrahls beinhaltet; und ein zweites Lichtempfangselement, welches thermisch vom ersten Lichtempfangselement isoliert ist und einen zweiten Bereich des Laserstrahlungsbereiches empfängt, der vom ersten Bereich verschieden ist.
Der Laserintensitätssensor kann ein Thermoelement, eine Thermosäule, ein Thermistor, oder zum Beispiel auch ein Platin-Widerstandstemperaturdetektor sein. Der Laserintensitätssensor kann auch ein Dehnungsmesser sein. Das erste Lichtempfangselement kann kreisförmig sein. Das zweite Lichtempfangselement kann ringförmig sein, konzentrisch in Bezug auf das erste Lichtempfangselement. Das zweite Lichtempfangselement ist derart relativ zum ersten Lichtempfangselement positioniert, dass ein Zentrum des zweiten Lichtempfangselementes näher an einer äußeren Kante des Laserstrahlungsbereiches liegt als ein Zentrum des ersten Lichtempfangselementes.
Das Strahlprofilmessgerät kann weiterhin eine Laserleistungsberechnungseinheit aufweisen, welche die Laserleistung des Laserstrahles, der von den mehreren Lichtempfangselementen empfangen wird, auf Basis von Ausgangssignalen mehrerer Laserintensitätssensoren berechnet. Das Strahlprofilmessgerät kann weiterhin eine Laserleistungsbestimmungseinheit aufweisen, welche ermittelt, ob die Laserleistung innerhalb eines Bereiches mit vorgegebenem Schwellenwert liegt.
Die Laserleistungsberechnungseinheit kann eine Summe der Ausgänge mehreren Laserintensitätssensoren berechnen. Die Laserleistungsbestimmungseinheit kann ermitteln, ob die Summe in dem Bereich mit dem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Das Strahlprofilmessgerät kann weiterhin eine Verteilungsberechnungseinheit aufweisen, welche eine Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf Basis eines ersten Ausgangs des Laserintensitätssensors berechnet, der am ersten Lichtempfangselement angebracht ist, und auf Basis eines zweiten Ausgangs eines Laserintensitätssensors, der am zweiten Lichtempfangselement angebracht ist.
Das Strahlprofilmessgerät kann weiterhin eine Verteilungsbestimmungseinheit aufweisen, welche prüft, ob eine Intensitätsverteilung des Laserstrahls in dem Bereich mit dem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Die Verteilungsbestimmungseinheit kann ermitteln, ob der erste Ausgang im Bereich eines ersten Schwellenwertes liegt und ermitteln, ob der zweite Ausgang im Bereich eines zweiten Schwellenwertes liegt. Das Strahlprofilmessgerät kann weiterhin eine Warnungserzeugungseinheit aufweisen, welche einem Benutzer eine Warnung gibt wenn die Verteilungsbestimmungseinheit ermittelt, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls nicht im Bereich vorgegebener Schwellenwerte liegt.
Gemäß einer weiteren Merkmalskombination weist ein Laseroszillator einen Ausgangsspiegel auf, welcher einen Laserstrahl emittiert, sowie dem obigen Strahlprofilmessgerä. Der teilweise reflektierende Spiegel des Strahlprofilmessgeräts ist gegenüber dem Ausgangsspiegel angeordnet. Gemäß einer weiteren Merkmalskombination der Erfindung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung bereitgestellt mit einem Laseroszillator und dem obigen Strahlprofilmessgerät. Der teilweise reflektierende Spiegel des
Strahlprofilmessgeräts ist auf einem optischen Weg des Laserstrahls, der vom Laseroszillator emittiert wird, angeordnet. Dieser Laseroszillator ist der obige.
Figurenliste
Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung aufschlussreicher Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Blick auf die Figuren:

1 ist ein Blockdiagramm eines Strahlprofilmessgeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2A ist eine Vorderansicht eines Laserstrahldetektors entsprechend 1;
2B ist eine Rückansicht eines Laserstrahldetektors gemäß 2A;
2C ist ein Seitenquerschnitt des Laserstrahldetektors entsprechen 2A;
3A zeigt ein Beispiel für eine geeignete Intensitätsverteilung eines Laserstrahls (d.h. Referenzwertverteilung);
3B zeigt ein weiteres Beispiel einer passenden Intensitätsverteilung eines Laserstrahls (d.h. Referenzwertverteilung);
3C zeigt ein weiteres Beispiel einer geeigneten Intensitätsverteilung eines Laserstrahls (d.h. Referenzwertverteilung);
4A zeigt ein Beispiel einer ungeeigneten Intensitätsverteilung eines Laserstrahls;
4B zeigt ein weiteres Beispiel einer ungeeigneten Intensitätsverteilung eines Laserstrahls;
5A ist eine Vorderansicht eines Laserstrahldetektors entsprechend 1;
5B ist eine Rückansicht des Laserstrahldetektors gemäß 5A;
5C ist ein Seitenquerschnitt des Laserstrahldetektors gemäß 5A;
6A zeigt ein Beispiel für eine ungeeignete Intensitätsverteilung eines Laserstrahls;
6B zeigt ein Beispiel für eine ungeeignete Intensitätsverteilung eines Laserstrahls;
6C zeigt ein weiteres Beispiel für eine ungeeignete Intensitätsverteilung eines Laserstrahls;
7A zeigt eine Vorderansicht eines Laserstrahldetektors entsprechend 1;
7B ist eine Rückansicht des Laserstrahldetektors gemäß 7A;
7C ist ein Seitenquerschnitt des Laserstrahldetektors gemäß 7A;
8A ist eine Vorderansicht eines Laserstrahldetektors entsprechend 1;
8B ist eine Rückansicht des Laserstrahldetektors gemäß 8A;
8C ist ein Seitenquerschnitt des Laserstrahldetektors entsprechend 8A;
9 ist ein Blockdiagramm eines Laseroszillators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 ist ein Blockdiagramm einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 ist ein Blockdiagramm einer Laserbearbeitungsmaschine gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 ist ein Flussdiagramm für den Arbeitsablauf bei einer Laserbearbeitungsmaschine entsprechend 11;
13 ist ein Flussdiagramm für Schritt S3 gemäß 12; und
14 ist ein Flussdiagramm der Schritte S4, S6 und S8 gemäß 12.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Zunächst wird mit Bezug auf 1 ein Strahlprofilmessgerät 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Das Strahlprofilmessgerät 10 hat eine Steuerung 12, einen Laserstrahldetektor 14, einen Speicher 16, eine Anzeigeeinrichtung 18, und einen Lautsprecher 20. Die Steuerung 12 steuert direkt oder indirekt jedes der Elemente, welche das Strahlprofilmessgerät 10 bilden.
Der Speicher 16 ist ein nicht-flüchtiger Speicher mit z.B. einem EEPROM etc., welcher elektrische löschbar und beschreibbar ist. Der Speicher 16 speichert Konstanten, Variablen, Einstellungen, Programme sowie weitere Daten, die erforderlich sind zum Betreiben des Strahlprofilmessgeräts 10. Die Steuerung 12 kommuniziert mit dem Speicher 16, um so dort Daten aufzuzeichnen oder Daten zu löschen.
Die Anzeigeeinrichtung 18 hat zum Beispiel eine Flüssigkristallanzeigeeinrichtung. Die Anzeigeeinrichtung 18 empfängt Bilddaten von der Steuerung 12 und zeigt Bilder an. Der Lautsprecher 20 empfängt Audiodaten von der Steuerung 12 und gibt akustische Signale ab.
Der Laserstrahldetektor 14 empfängt einen Laserstrahl 22 und überträgt Daten bezüglich der Intensität des Laserstrahls 22 an die Steuerung 12. Nunmehr wird mit Blick auf 2A bis 2C der Laserstrahldetektor 14 gemäß diesem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Nachfolgend entspricht die Vorne-Hinten-Richtung der Richtung entlang der optischen Achse O₁ des Laserstrahls 22. Der Laserstrahl 22 verläuft also von vorne nach hinten. Weiterhin entspricht die Radialrichtung der Radialrichtung eines Kreises, dessen Mittelpunkt auf der optischen Achse O₁ des Laserstrahls 22 liegt. Bei der „optischen Achse“ des Laserstrahls handelt sich um eine Achse, die durch einen Zentralabschnitt des Laserstrahls verläuft und sich in Fortpflanzungsrichtung des Laserstrahls erstreckt.
Der Laserstrahldetektor 14 hat einen teilreflektierenden Spiegel 24, eine erste Lichtempfangseinheit 30, eine zweite Lichtempfangseinheit 28, und eine dritte Lichtempfangseinheit 26. Der teilreflektierende Spiegel 24 ist kreisförmig und ist konzentrisch mit der optischen Achse O₁ angeordnet. Der teilreflektierende Spiegel 24 empfängt den Laserstrahl 22 auf seiner Vorderfläche 32 und lässt einen Teil des Laserstrahls 22 durch, sodass ein Teil des Strahls von der rückwärtigen Oberfläche 34 in Form des Laserstrahls 22' emittiert wird. Beispielsweise besteht der teilreflektierende Spiegel 24 aus Germanium und hat einen Reflexionsgrad von 99,5%.
Das dritte Lichtempfangselement 26 ist auf der Rückseite des teilreflektierenden Spiegel 24 angeordnet, sodass es um einen vorgegebenen Abstand vom teilreflektierenden Spiegel 24 getrennt ist. Das dritte Lichtempfangselement 26 ist ringförmig und konzentrisch zur optischen Achse O₁ angeordnet und hat einen zylindrischen äußeren Umfang 36 und einen Innenumfang 38. Ein ringförmiger thermischer Isolator 40 ist zwischen dem teilreflektierenden Spiegel 24 und dem dritten Lichtempfangselement 26 angeordnet. Aufgrund des thermischen Isolators 40 sind der teilreflektierende Spiegel 24 und das dritte Lichtempfangselement 26 thermisch voneinander isoliert.
Das dritte Lichtempfangselement 26 ist auf seiner Oberfläche mit Alunit behandelt und kann 99% oder mehr der empfangenen Laserstrahlung absorbieren. Weiterhin ist das dritte Lichtempfangselement 26 mit einer Wärmesenke (nicht gezeigt) zum Stabilisieren der Temperatur am dritten Lichtempfangselement 26 versehen.
Das zweite Lichtempfangselement 28 ist auf der Rückseite des dritten Lichtempfangselementes 26 so angeordnet, dass es vom dritten Lichtempfangselement 26 um einen vorgegebenen Abstand getrennt ist. Das zweite Lichtempfangselement 28 ist ringförmig und konzentrisch in Bezug auf die optische Achse O₁ angeordnet und es hat einen zylindrischen äußeren Umfang 42 und einen inneren Umfang 44. Der äußere Umfang 42 und der innere Umfang 44 des zweiten Lichtempfangselement 28 haben jeweils Durchmesser, die kleiner sind als der jeweils entsprechende Durchmesser des äußeren Umfangs 36 bzw. des inneren Umfangs 38 des dritten Lichtempfangselementes 26. Ein ringförmiger thermischer Isolator 46 ist zwischen dem dritten Lichtempfangselement 26 und dem zweiten Lichtempfangselement 28 angeordnet. Aufgrund des thermischen Isolators 46 sind das dritte lichtempfindliche Empfangselement 26 und das zweite Lichtempfangselement 28 thermisch voneinander isoliert.
Das zweite Lichtempfangselement 28 ist auch auf seiner Oberfläche mit Alunit behandelt, ähnlich wie das dritte Lichtempfangselement 26, und kann 99% oder mehr des empfangenen Laserstrahls absorbieren. Weiterhin ist das zweite Lichtempfangselement 28 mit einer Wärmesenke (nicht gezeigt) versehen zum Stabilisieren der Temperatur.
Das erste Lichtempfangselement 30 ist auf der Rückseite des zweiten Lichtempfangselementes 28 so angeordnet, dass es von dem zweiten Lichtempfangselement 28 um einen vorgegebenen Abstand getrennt ist. Das erste Lichtempfangselement 30 ist eine kreisförmige Platte und ist konzentrisch in Bezug auf die optische Achse O₁ angeordnet und hat einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des äußeren Umfangs 42 des zweiten Lichtempfangselements 28. Ein ringförmiger thermischer Isolator 48 ist zwischen dem zweiten Lichtempfangselement 28 und dem ersten Lichtempfangselement 30 angeordnet. Aufgrund des thermischen Isolators 48 sind das zweite Lichtempfangselement 38 und das erste Lichtempfangselement 30 thermisch voneinander isoliert.
Das erste Lichtempfangselement 30 ist auch auf seiner Oberfläche mit Alunit behandelt, ähnlich dem zweiten und dritten Lichtempfangselement 28 bzw. 26, und kann 99% oder mehr des empfangenen Laserstrahls absorbieren. Weiterhin ist das erste Lichtempfangselement 30 mit einer Wärmesenke (nicht gezeigt) zum Stabilisieren der Temperatur versehen.
Der auf den teilreflektierenden Spiegel 24 auftreffende Laserstrahl 22 bildet einen Laserstrahlungsbereich 22a auf der Vorderfläche 32 des teilreflektierenden Spiegels 24, wie in 2A mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichnet ist. Der durch den teilreflektierenden Spiegel 24 gehende Laserstrahl 22' bildet einen Laserstrahlungsbereich 22a' auf dem Lichtempfangselement, wie in 2C mit dem Bezugszeichen 23 gekennzeichnet ist. Das erste Lichtempfangselement 30 empfängt einen ersten Bereich 22b, welcher den zentralen Abschnitt des Laserstrahls 22' enthält (d.h. die optische Achse O₁), wie in 2A durch das Bezugszeichen 25 gekennzeichnet ist und in 2B durch das Bezugszeichen 27.
Der erste Bereich 22b des Laserstrahlungsbereiches 22a' ist ein Bereich des Laserstrahlungsbereiches 22a' des Laserstrahls 22', der den teilreflektierenden Spiegel 24 durchläuft, und durchläuft radial innenseitig des inneren Umfanges 44 des zweiten Lichtempfangselementes 28. Deshalb hat der erste Bereich 22b einen Durchmesser, der im Wesentlichen gleich ist dem Durchmesser des Umfanges 44.
Das zweite Lichtempfangselement 28 empfängt einen zweiten Strahlungsbereich 22c, der verschieden ist vom ersten Bereich 22b des Laserstrahlungsbereiches 22a' des Laserstrahles 22', soweit dieser den teilreflektierenden Spiegel 22 passiert.
Im Einzelnen: der zweite Bereich 22c des Laserstrahlungsbereiches 22a' ist ein Bereich, der radial innerhalb des inneren Umfanges 38 des dritten Lichtempfangselementes 26 durchgeht, sodass er auf der Oberfläche 28a des zweiten Lichtempfangselementes 28 auftrifft, als Teil des Laserstrahles 22' der durch den teilreflektierenden Spiegel 24 verläuft, wie in 2A mit dem Bezugszeichen 29 bezeichnet ist und in 2C mit dem Bezugszeichen 31. Somit ist der zweite Bereich 22c ringförmig mit einem Außendurchmesser, der im Wesentlichen dem Innendurchmesser 38 des dritten Lichtempfangselementes 26 entspricht und einem Innendurchmesser, der dem Innenumfang 44 des zweiten Lichtempfangselementes 28 entspricht, und der so angeordnet ist, dass er radial außenseitig am ersten Bereich 22b angrenzt.
Das dritte Lichtempfangselement 26 empfängt in einem dritten Bereich 22d des Laserstrahlungsbereiches 22a' des Laserstrahles 22', welcher den teil reflektierenden Spiegel 24 passiert, wobei der dritte Bereich verschieden ist vom ersten Bereich 22b und vom zweiten Bereich 22c, wie in 2A mit dem Bezugszeichen 33 und in 2C mit dem Bezugszeichen 25 gekennzeichnet ist. Im Einzelnen: der dritte Bereich 22d des Laserstrahlungsbereiches 22a' entspricht einem Bereich der Oberflächen 26a des dritten Lichtempfangselementes 26, welches den Laserstrahl 22' empfängt und ist im Wesentlichen ein kreisförmiger Bereich, der radial außerhalb am zweiten Bereich 22c angrenzt.
Somit empfangen das erste Lichtempfangselement 30, das zweite Lichtempfangselement 28 und das dritte Lichtempfangselement 26 den ersten Bereich 22b, den zweiten Bereich 22c bzw. den dritten Bereich 22d des Laserstrahlungsbereiches 22a' des Laserstrahles 22' und diese Bereiche sind voneinander verschieden, d.h. vorzugsweise ohne wesentliche Überlappung.
Ein kreisförmiger Intensitätssensor 50 detektiert die Intensität des Laserstrahls und ist an der hinteren Fläche 22a des ersten Lichtempfangselementes 30 angebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Laser-Intensitätssensor 50 ein Temperatursensor mit zum Beispiel einem Thermoelement, einer Thermosäule, einem Thermistor oder einem Platin-Widerstandstemperaturdetektor oder dergleichen. Der Laser-Intensitätssensor 50 wandelt die im ersten Lichtempfangselement 30 entstehende Energie in ein elektrisches Signal und überträgt dies als elektrischer Signalausgang e₁ an die Steuerung 12. In ähnlicher Weise ist ein ringförmiger Laser-Intensitätssensor 52, der die Intensität des Laserstrahls 22' detektiert, an der hinteren Fläche 28b des zweiten Lichtempfangselementes 28 angebracht. Der Laser-Intensitätssensor 52 ist bei diesem Beispiel auch ein Temperatursensor. Der Laser-Intensitätssensor 52 wandelt die im zweiten Lichtempfangselement 28 erzeugte Energie in ein elektrisches Signal und überträgt dieses als elektrischen Signalausgang e₂ an die Steuerung 12.
In ähnlicher Weise ist ein ringförmiger Laser-Intensitätssensor 54, welcher die Intensität des Laserstrahls 22' detektiert, an der hinteren Fläche 26b des dritten Lichtempfangselementes 26 angebracht. Auch der Laser-Intensitätssensor 54 wird als Temperatursensor ausgebildet. Der Laser-Intensitätssensor 54 wandelt die im dritten Lichtempfangselement 26 erzeugte thermische Energie in ein elektrisches Signal und überträgt dieses als elektrischen Signalausgang e₃ an die Steuerung 12.
Nunmehr wird mit Blick auf die 1 bis 4b die Funktion des Strahlprofilmessgeräts 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Das Strahlprofilmessgerät 10 berechnet die Laserleistung und Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 auf Basis der Ausgangssignale e₁, e₂ und e₃ der Laser-Intensitätssensoren 50, 52 bzw. 54 des Laser-Strahldetektors 14.
Tritt der Laserstrahl 22 in den Laserstrahldetektor 14 ein, wird der erste Bereich 22b des Laserstrahlungsbereiches 22a' des den teilreflektierenden Spiegel 24 passierenden Laserstrahls 22' durch das erste Lichtempfangselement 30 empfangen. Bei der Absorption des Laserstrahls 22' im ersten Bereich 22b durch das erste Lichtempfangselement 30 wird dieses aufgeheizt. Der Laser-Intensitätssensor 50, der am ersten Lichtempfangselement 30 angebracht ist, detektiert die thermische Energie im ersten Lichtempfangselement 30 und überträgt das Ausgangssignal e₁ entsprechend dieser thermischen Energie an die Steuerung 12.
In ähnlicher Weise wird der zweite Bereich 22c des Laser-Strahlungsbereiches 22a' des den teilreflektierenden Spiegel 24 passierenden Laserstrahls 22' durch das zweite Lichtempfangselement 38 empfangen. Der am zweiten Lichtempfangselement 38 angebrachte Intensitätssensor 52 detektiert die thermische Energie (Aufheizung) des zweiten Lichtempfangselementes 28 und überträgt das Ausgangssignal e₂ entsprechend dieser thermischen Energie an die Steuerung 12.
In wiederum ähnlicher Weise wird der dritte Bereich 22d des Laser-Strahlungsbereiches 22a' des den teilreflektierenden Spiegel 24 passierenden Laserstrahls 22' durch das dritte Lichtempfangselement 26 empfangen. Der am dritten Lichtempfangselement 26 angebrachte Laser-Intensitätssensor 54 detektiert die thermische Energie (Aufheizung) im dritten Lichtempfangselement 26 und überträgt das entsprechende Ausgangssignal e₃ entsprechend dieser thermischen Energie an die Steuerung 12.
Die Steuerung 12 empfängt die Ausgangssignale e₁, e₂ und e₃ von den Laser-Intensitätssensoren 50, 52 bzw. 54. Diese Ausgänge e₁, e₂ und e₃ sind jeweils Daten, die korreliert sind zu der Intensität des Laserstrahls 22', welche das erste Lichtempfangselement 30, das zweite Lichtempfangselement 28 bzw. das dritte Lichtempfangselement 26 empfangen. Bei diesem Ausführungsbeispiel multipliziert die Steuerung 12 die Ausgangssignale e₁, e₂ und e₃ mit vorgegebenen Koeffizienten α, β bzw. γ und speichert die Ergebnisse als αe₁, βe₂ und γe₃ im Speicher 16.
Der Koeffizient α wird so eingestellt, dass der obige Wert αe₁ der Laserleistung des Teils des Laserstrahls, der den teilreflektierenden Spiegel 24 passiert und auf das erste Lichtempfangselement 30 trifft, entspricht. In ähnlicher Weise werden die Koeffizienten βund γ so eingestellt, dass der obige Wert βe₂ und der Wert γe₃ den Laserleistungen derjenigen Teile des den teilreflektierenden Spiegel 24 passierenden Laserstrahls, der auf das zweite Lichtempfangselement 28 bzw. das dritte Lichtempfangselement 26 trifft, entspricht.
Die Steuerung 12 dient als Laserleistungsberechnungseinheit 56 (1), welche die Laserleistung des Laserstrahls 22, welcher den Laserstrahldetektor 14 erreicht, auf Basis dieser Wert αe₁, βe₂ und γe₃. Im Einzelnen: die Steuerung 12 berechnet die Summe der Werte αe₁, βe₂ und γe₃ (d.h. Σe= αe₁+βe₂+γe₃). Der Wert Σe entspricht der Laserleistung des Laserstrahls 22, der in den Laserstrahldetektor 14 eintritt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird Σe eingesetzt, um quantitativ die Laserstrahlungsleistung des Laserstrahls 22 zu ermitteln.
Die Steuerung 12 dient auch als Laserleistung-Bestimmungseinrichtung 58 (1), welche ermittelt, ob die Laserleistung Σe des Laserstrahls 22 gemäß der obigen Berechnung angemessen (geeignet) ist. Im Einzelnen: die Steuerung 12 vergleicht Vergleichsdaten, die im Speicher 16 vorab abgelegt sind und ermittelt, ob Σe angemessen ist. Einzelheiten dieses Vorganges werden weiter unten noch näher erläutert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel arbeitet die Steuerung 12 auch als Verteilungsberechnungseinheit 60, welche die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 auf Basis der Werte αe₁, βe₂ und γe₃ berechnet, welche wie oben beschrieben gewonnen werden. Im Einzelnen berechnet die Steuerung 12 e_vec1 (αe₁, βe₂ und γe₃) und/oder e_vec2 (1, (βe₂/αe₁), (γe₃/αe₁))(1, n, m) der Werte αe₁, βe₂ und γe₃. Das vorliegende Ausführungsbeispiel verwendet e_vec1 (oder e_vec2) zum quantitativen Ermitteln der Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22.
Die Steuerung 12 arbeitet auch als Verteilungsbestimmungseinheit 62 (1), welche bestimmt, ob die so berechnete Größe e_vec1 (oder e_vec2) einen passenden Wert hat. Im Einzelnen bezieht sich dabei die Steuerung 12 auf Referenzdaten, die im Speicher 16 vorab aufgezeichnet sind und bestimmt, ob die Werte von e_vec1 (oder e_vec2) passen. Dies wird weiter unten noch weiter erläutert.
Wie oben dargestellt ist, greift die Steuerung 12 auf vorab im Speicher 16 aufgezeichnete Referenzdaten zurück und ermittelt, ob die Laserleistung und die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 (für den gewünschten Zweck) geeignet (passend) sind. Diese Bezugsdaten werden mit Blick auf die 3A bis 3C näher erläutert. Im Speicher 16 werden im Voraus die Bezugswerte R₁, R₂ und R₃ abgespeichert. Diese Referenzwerte R₁, R₂ und R₃ sind Bezugsdaten, die jeweils den oben erläuterten Werten αe₁, βe₂ und γe₃ entsprechen.
Im Einzelnen: der Referenzwert R₁ wird gewonnen durch Multiplikation des Ausgangs (Ausgangssignals) des Laserintensitätssensors 50 mit dem Koeffizienten α wenn ein Laserstrahl mit einer passenden Laserintensitätsverteilung das erste Lichtempfangselement 30 erreicht und die Temperatur des ersten Lichtempfangselementes 30 in einem Sättigungszustand kommt.
In ähnlicher Weise werden die Referenzwerte R₂ und R₃ jeweils gewonnen durch Multiplikation der Ausgänge der Laserintensitätssensoren 52 bzw. 54 mit den Koeffizienten β bzw. γ wenn ein Laserstrahl mit geeigneter Laserintensitätsverteilung das zweite Lichtempfangselement 28 bzw. das dritte Lichtempfangselement 26 erreicht und die Temperaturen des zweiten Lichtempfangselementes 28 und des dritten Lichtempfangselementes 26 in den Sättigungszustand kommen.
Beispiele für solche Referenzwerte R₁, R₂ und R₃ sind in den 3A bis 3C bezeichnet. In den 3A bis 3C zeigen die Ordinaten die Laserleistung des Laserstrahls, während die Abszisse den radialen Abstand der Laserstrahlungsbereiche des Laserstrahls von der optischen Achse O₁ zeigt. 3A zeigt eine Laserstrahlintensitätsverteilung mit Bezugswerten R₁, R₂ und R₃ bei einem Laserstrahl 20, der mit einer Laserleistung von 4kW den Laserstrahldetektor 14 erreicht. 3B zeigt eine Laserstrahlintensitätsverteilung mit Referenzwerten R₁, R₂ und R₃ wenn ein Laserstrahl 22 mit einer Laserleistung von 3kW den Laserstrahldetektor 14 erreicht, während 3C den Fall mit einer Laserleistung von 2kW zeigt.

Spezielle Beispiele für die Referenzwerte R₁, R₂ und R₃, die Summe ΣR=R₁+R₂+R₃ der Referenzwerte R₁, R₂ und R₃ (d.h. die Referenzlaserleistung), und R_vec1 (R₁, R₂, R₃) und R_vec2 (1,(R₂/R₁,(R₃/R₁)) der Referenzwert R₁, R₂ und R₃, entsprechend den 3A bis 3C sind in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

	4kW (3A)	3kW (3B)	2kW (3C)
R1	2227	1624	1124
R2	1364	1083	674
R3	409	293	202
Eingestellte Laserleistung [W] (ΣR=R1+R2+R3)	4000	3000	2000
R_vec1(R1,R2, R3)	(2227, 1364, 409)	(1624, 1083, 293)	(1124, 674, 202)
R_vec2 (1, (R2/R1), (R3/R1)	(1, 0,61, 0,18)	(1, 0,67, 0,18)	(1, 0,6, 0,18)

Im Falle eines geeigneten Laserstrahls 22 mit 4kW entsprechend 3A gilt beispielsweise R₁=2227, R₂=1364 und R₃=409. Deshalb wird die Referenzlaserleistung ΣR4000[W]. Deshalb entspricht die Referenzlaserleistung ΣR dieses Ausführungsbeispieles der eingestellten Laserleistung (4kW). Weiter gilt: R_vec1(R₁, R₂, R₃)=(2227, 1364, 409). Wird R_vec1 mit dem Referenzwert R₁ bezüglich der optischen Achse O1 normiert, ergibt sich R_vec2(1, (R₂/R₁), (R₃/R₁)) = (1, 0,61, 0,18).
Weiter ergibt sich beispielsweise für einen geeigneten Laserstrahl 22 mit 3kW entsprechen 3B R₁=1624, R₂=1083 und R₃=293. Deshalb ergibt sich ΣR=3000, R_vec1 (R₁, R₂, R₃)=(1624, 1083, 293), R_vec2(1, 0,67, 0,18). Im Falle eines geeigneten Laserstrahls 22 mit 2kW Leistung entsprechend 3C ergeben sich beispielsweise R₁= 1124, R₂=674 und R₃=202. Somit ergibt sich weiterhin ΣR=2000, R_vec1(R₁, R₂, R₃)=(1124, 674, 202), R_vec2(1, 0,6, 0,18).
Im Speicher 16 werden die in den 3A bis 3C gezeigten Daten vorab gespeichert als geeignete Laserstrahlungsverteilungen des Laserstrahls. Die Steuerung 12 arbeitet als Laserleistungsbestimmungseinheit 58 und vergleicht die Laserleistung Σe des Laserstrahls 22, wie oben erläutert berechnet, mit der eingestellten Laserleistung (d.h. die Referenzlaserleistung ΣR), um so zu ermitteln, ob die Laserleistung des Laserstrahls 22 (für den gewünschten Zweck) geeignet ist.
Im Einzelnen: die Steuerung 12 vergleicht Σe mit der eingestellten Laserleistung und ermittelt, ob der Wert von Σe im Bereich vorgegebener Schwellenwerte bezüglich der eingestellten Laserleistung liegt. Beispielsweise wird der Schwellenwert eingestellt mit Bezug die eingestellte Laserleistung ± 10%. Das heißt, der Bereich wird eingestellt auf {eingestellte Laserleistung (ΣR) × 0,9 - eingestellte Laserleistung {ΣR) × 1,1}. Die Steuerung 12 stellt fest, dass die Laserleistung des Laserstrahls 22 geeignet ist wenn der Wert von Σe im Bereich der Schwellenwerte liegt, wohingegen festgestellt wird, dass die Laserleistung des Laserstrahls 22 nicht geeignet ist wenn der Wert von Σe nicht im Bereich der Schwellenwerte liegt. Die Steuerung 12 arbeitet auch als Warnungserzeugungseinrichtung 28 (1). Wird festgestellt, dass die Laserleistung des Laserstrahls 22 nicht geeignet ist, wirkt die Steuerung 12 als Warnungserzeugungseinrichtung 68 und erzeugt eine Warnung für die Bedienungsperson. Im Einzelnen: die Steuerung 12 erzeugt Bilddaten für die Unterrichtung der Bedienungsperson, das die Laserleistung des Laserstrahls 22 ungeeignet ist und zeigt dies auf der Anzeigeeinrichtung 18 an. Die Anzeigeeinrichtung 18 zeigt also ein Warnbild.
Weiterhin erzeugt die Steuerung 12 Audiodaten für die Unterrichtung der Bedienungsperson, dass der Laserstrahl 22 ungeeignet ist und sendet entsprechende Daten an einen Lautsprecher 20. Der Lautsprecher 20 gibt entsprechende Schallwellen ab.
Weiterhin wirkt die Steuerung 12 als Verteilungsberechnungseinheit 60 und Verteilungsbestimmungseinheit 62, wie oben erläutert, und berechnet die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 und bestimmt dann, ob die Intensitätsverteilung (für den gewünschten Zweck) geeignet ist. Im Einzelnen: die Steuerung 12 berechnet e_vec2(1, (βe₂/αe₁), (γe₃/αe₁))=(1, n, m). Weiterhin ermittelt die Steuerung 12, ob jeder der obigen Werte „n“ (=βe₂/αe₁) und der Wert „m“ (=γe₃/αe₁) im vorgegebenen Schwellenwertbereich liegt.
Beispielsweise sei der Schwellenwert auf R_vec2±10% gesetzt. Für einen Laserstrahl mit 4kW Leistung wird entsprechend der Spalte „4kW“ von Tabelle 1 der Schwellenwertbereich für den Wert „n“ auf 0,61 × 0,9 =0,55 bis 0,61 × 1,1 = 0,67 gesetzt. Weiterhin wird der Schwellenwertbereich für den Wert „m“ auf von 0,18 × 0,9 = 0,16 bis 0,18 × 1,1 = 0,2 gesetzt. Die Steuerung 12 bestimmt, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 geeignet ist, wenn die Werte „n“ und „m“ in den jeweiligen Schwellenwertbereichen liegen, wohingegen festgestellt wird, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 ungeeignet ist, wenn die Wert „n“ und „m“ nicht in den jeweiligen Schwellenwertbereichen liegen.

Die 4A und 4B zeigen Beispiele ungeeigneter Intensitätsverteilungen eines Laserstrahls. In 4A ist der Wert von αe₁ anormal größer als βe₂ und γe₃. Andererseits sind beim Beispiel gemäß 4B die Wert von ae₁, βe₂ und γe₃ nahe beieinander und die Differenzen dazwischen sind anormal klein. Spezielle Beispiele für die Werte αe₁, βe₂ und γe₃ gemäß den 4A und 4B, die Summe Σe von ae₁, βe₂ und γe₃ sowie die Werte e_vec1 und e_vec2 von ae₁, βe₂ und γe₃ sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt. Tabelle 2

	Problematisches Muster (4A)	Problematisches Muster ( 4B)
αe₁	3227	1636
βe₂	659	1522
γe₃	136	727
Σe= αe₁, βe₂ und γe3	4022	3885
e_vec1 (ae₁, βe₂ und γe3)	(3227, 659, 136)	(1636, 1522, 727)
e_vec2 (1, βe₁/αe₁), (γe₃/αe₁ )	(1, 0,2, 0,04)	(1, 0,93, 0,44)

Solche Anormalitäten in der Intensitätsverteilung werden typischerweise detektiert wenn der Ausgangsspiegel oder der Rückspiegel des Laseroszillators oder der reflektierende Spiegel im optischen Pfad verschmutzt oder beschädigt sind.
Die Steuerung 12 verwendet die obige Größe e_vec und den Referenzwert R_vec zur Bestimmung, ob der den Laserstrahldetektor 14 erreichende Laserstrahl 22 eine Anormalität hinsichtlich der Intensitätsverteilung gemäß zum Beispiel den 4A und 4B hat. Ermittelt die Steuerung 12, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 ungeeignet ist, erzeugt die Steuerung 12, als Warnungserzeugungseinrichtung 68, entsprechende Signale auf der Anzeige 18 und/oder mittels des Lautsprechers 20.
Somit bestimmt das Strahlprofilmessgerät 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel, ob die Laserleistung und die Intensitätsverteilung der Laserleistung des Laserstrahls 22 geeignet ist unter Verwendung der thermischen Energie, die in den Elementen 30, 28 und 26 erzeugt wird, welche so angeordnet sind, dass sie unterschiedliche Bereiche 22b, 22c, 22d des Laserstrahlungsbereiches 22a' empfangen, wobei deren Daten verwendet werden für eine quantitative Ermittlung der Intensität und Verteilung des Laserstrahls 22. Mit diesem Aufbau ist es möglich die Datenmenge signifikant zu reduzieren, die erforderlich ist zur Bestimmung, ob die Laserleistung und die Intensitätsverteilung geeignet sind. Damit ist es möglich, die Hardware (Komponenten) des Strahlprofilmessgeräts 10 zu vereinfachen und somit auch dessen Kosten.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind das erste Lichtempfangselement 30 und das zweite Lichtempfangselement 28 räumlich durch einen thermischen Isolator 48 beabstandet. Weiterhin sind das zweite Lichtempfangselement 28 und das dritte Lichtempfangselement 26 voneinander ebenfalls durch einen thermischen Isolator 46 räumlich beabstandet. Das dritte Lichtempfangselement 26 und der teilreflektierende Spiegel 24 sind über einen thermischen Isolator 40 ebenfalls räumlich voneinander beabstandet.
Somit sind das erste Lichtempfangselement 30 und das zweite Lichtempfangselement 28, sowie das zweite Lichtempfangselement 28 und das dritte Lichtempfangselement 26, sowie das dritte Lichtempfangselement 26 und der teilreflektierende Spiegel 24 thermisch voneinander isoliert. Deshalb können die Wärmemengen bezüglich des ersten Lichtempfangselementes 30, des zweiten Lichtempfangselementes 28 und des dritten Lichtempfangselementes 26 präzise durch die Laserintensitätssensoren 40, 52 bzw. 54 detektiert werden. Auf diese Weise kann die Laserleistung und die Laserleistungsverteilung des Laserstrahls 22 sehr genau berechnet werden. Hier bedeutet die Aussage, dass die Lichtempfangselemente „thermisch isoliert“ seien, dass die Menge an Wärmeenergie, die zwischen den Lichtempfangselementen übertragen wird, sehr klein ist in Bezug auf die thermische Energie, die durch den Laserstrahl in den Lichtempfangselementen erzeugt wird, sodass die erstgenannten Größen vernachlässigbar sind bezüglich der Maßnahmen der vorliegenden Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel bestimmt die Steuerung 12 die Eignung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 durch Berechnung von e_vec2 und Vergleich von e_vec2 mit R_vec2. Die Erfindung ist aber nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Steuerung 12 kann auch direkt αe₁, βe₂ und γe₃ mit Referenzwerten R₁, R₂ bzw. R₃ vergleichen, um die Eignung der Intensitätsverteilung zu ermitteln. Das heißt, die Steuerung 12 kann e_vec1 (ae₁, βe₂ und ye₃) mit R_vec1 (R₁, R₂, R₃) vergleichen, um so die Eignung der Intensitätsverteilung zu prüfen.
In diesem Falle ermittelt die Steuerung 12, ob αe₁, βe₂ bzw. γe₃ in den Schwellenwertbereichen liegen entsprechend den Referenzwerten R₁, R₂ und R₃. Beispielsweise könnend die Schwellenwerte gesetzt werden auf R₁, R₂ und R₃ ± 10%. Das heißt, die Steuerung 12 bestimmt, ob αe₁, βe₂ bzw. γe₃ im Bereich von R₁ × 0,9 bis R₁ × 1,1, im Bereich von R₂ × 0,9 bis R₂ × 1,1 bzw. im Bereich von R₃ × 0,9 bis R₃ × 1,1 liegen.
Die Steuerung 12 bestimmt, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 geeignet ist wenn αe₁, βe₂ bzw. γe₃ jeweils in den zugeordneten Schwellenwertbereichen liegen. Wenn andererseits ae₁, βe₂ und γe₃ nicht in den Schwellenwertbereichen liegen, bestimmt die Steuerung 12, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 ungeeignet ist.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Ausgänge e₁, e₂ und e₃ jeweils mit zugeordneten Koeffizienten α, βbzw. γ multipliziert zur Konversion in Werte entsprechend der Laserleistung (Einheit: [W]) und diese Werte ae₁, βe₂ und γe₃ werden verwendet zur Bestimmung der Eignung der Laserleistung und der Laserintensitätsverteilung des Laserstrahls 22. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt. Die Steuerung 12 kann auch die Ausgänge e₁, e₂ und e₃ (Einheiten: [V]) verwenden zur Bestimmung der Eignung der Laserleistung und der Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22.
In diesem Falle werden im Speicher 16 vorab Bezugswerte R₁', R₂' und R₃' (Einheiten: [V]) abgespeichert, welche jeweils den Ausgängen e₁, e₂ bzw. e₃ zugeordnet werden. Die Steuerung 12 berechnet dann als Laserleistungsberechnungseinheit 56 die Summe Σe' = e1 + e₂ + e₃ und vergleicht dann Σe' mit ΣR' = R₁' + R₂' + R3'. Weiterhin berechnet die Steuerung 12 als Verteilungsberechnungseinheit 60 e_vec' (1, (e₂/e₁), (e₃/e₁)) = (1, n', m'), und bestimmt dann als Verteilungsbestimmungseinheiten 62, ob jeder der Werte n' und m' im zugeordneten, vorgegebenen Schwellenwertbereich liegt.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde erläutert, dass es sich bei dem Laserintensitätssensor 50 um ein Thermoelement, eine Thermosäule, einen Thermistor, oder um einen Platin-Widerstandstemperaturdetektor handeln kann. Jedoch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Der Laserintensitätssensor 50 kann auch zum Beispiel ein Dehnungsmesser sein zum Detektieren von Längenänderungen der Lichtempfangselemente 30, 28 und 26.
Wenn nämlich die Lichtempfangselemente 30, 28, 26 den Laserstrahl 22' absorbieren, werden sie erhitzt und deformieren geringfügig aufgrund der Wärmeexpansion etc. Die hierdurch verursachte Deformation hat Werte, die korreliert sind zur Intensität des Laserstrahls 22, der auf den Laserstrahldetektor 14 trifft.
Somit ist es möglich Relativwerte bezüglich der Intensität des Laserstrahls 22 zu ermitteln, der auf den Laserstrahldetektor 14 auftrifft, und zwar durch Messung der Deformationen der Lichtempfangselemente 30, 28 und 26 mit einem Dehnungsmesser. In diesem Falle werden im Speicher 16 vorab Deformationsdaten bezüglich der Lichtempfangselemente 30, 28, 26 als Bezugsdaten aufgezeichnet mit einem Laserstrahl geeigneter Laserleistung und Intensitätsverteilung.
Nunmehr wird mit Blick auf die 1 und 5A bis SC ein Strahlprofilmessgerät 11 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Dabei sind Elemente, die beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel gleich oder ähnlich sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine wiederholte Beschreibung ist deshalb weggelassen. Das Strahlprofilmessgerät 11 hat eine Steuerung 12, einen Laserstrahldetektor 15, einen Speicher 16, eine Anzeigeeinrichtung 18 und Lautsprecher 20.
Wie die 5A bis 5C zeigen, hat der Laserstrahldetektor 15 einen teilreflektierenden Spiegel 24, ein erstes Lichtempfangselement 30, ein zweites Lichtempfangselement 28 und ein drittes Lichtempfangselement 26, ähnlich dem obigen Laserstrahldetektor 14. Thermische Isolatoren 40, 46 bzw. 48 sind zwischen dem teilreflektierenden Spiegel 24 und dem dritten Lichtempfangselement 26, zwischen dem dritten Lichtempfangselement 26 und dem zweiten Lichtempfangselement 28, bzw. zwischen dem zweiten Lichtempfangselement 28 und dem ersten Lichtempfangselement angeordnet. Ein Laserintensitätssensor 50 ist an der Rückseite 30a des ersten Lichtempfangselementes 30 angebracht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Laserintensitätssensoren 52a und 52b an der Rückseite 28b des zweiten Lichtempfangselementes 28 angebracht. Die Laserintensitätssensoren 52a und 52b sind zueinander symmetrisch in Bezug auf die optische Achse O₁ angeordnet. Die Laserintensitätssensoren 52a und 52b wandeln die im zweiten Lichtempfangselement 28 erzeugte thermische Energie in elektrische Signale und übertragen sie als elektrische Ausgangssignale („Ausgänge“) e_2a und e_2b zur Steuerung.
Weiterhin sind in ähnlicher Weise zwei Laserintensitätssensoren 54a und 54b auf der Rückseite 26b des dritten Lichtempfangselementes 26 angebracht. Die Laser-intensitätssensoren 54a und 54b sind symmetrisch in Bezug auf die optische Achse O₁ angeordnet. Die Laserintensitätssensoren 54a und 54b wandeln jeweils die im dritten Lichtempfangselement 26 erzeugte thermische Energie in elektrische Signale um und übertragen diese als elektrische Signalausgänge („Ausgänge“) e_3a und e_3b an die Steuerung 12.
Nunmehr wird die Funktion des Strahlprofilmessgeräts 11 gemäß diesem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Das Strahlprofilmessgerät 11 berechnet die Laserleistung und Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 auf Basis der Ausgänge e₁, e_2a, e_2b, e_3a und e_3b der Laserintensitätssensoren 50, 52a, 52b, 54a bzw. 54b.
Im Einzelnen: Die Steuerung 12 empfängt die Ausgänge e₁, e_2a, e_2b, e_3a und e_3b von den Intensitätssensoren 50, 52a, 52b, 54a bzw. 54b, multipliziert diese Ausgänge mit den Koeffizienten α, β1, β₂ und γ₁, bzw. γ₂ und zeichnet die Ergebnisse als Werte αe₁, β₁e_2a, β₂e_2b, γ₁e_3a, und γ₂e_3b im Speicher 16 auf. Die Steuerung 12 berechnet dann als Laserleistungsberechnungseinheit 56 die Laserleistung Σe = αe₁ + β₁e_2a + ß₂e_2b+ γ₁e_3a + y₂e_3b.
Andererseits sind im Speicher 16 die Referenzwerte R₁, R₂ und R₃ gemäß den 3A bis 3C und die Referenz-Laserleistung ΣR = R₁ + 2R₂ + 2R₃ aufgezeichnet. Die Steuerung 12 vergleicht dann als Laserleistungsbestimmungseinheit 28 Σe und ΣR und bestimmt, ob die Laserleistung des Laserstrahls 22 geeignet ist.
Weiterhin berechnet die Steuerung 12 als Verteilungsberechnungseinheit 60 einen Vektor aus αe₁, β₁e_2a, β₂e_2b, γ₁e_3a und γ₂e_3b. Im Einzelnen berechnet die Steuerung e_vec1, (αe₁, β₁e_2a, β₂e_2b, γ₁e_3a und γ₂e_3b) und/oder e_vec2 (1, (β₁e_2a/α_e1), (γ₁e_3a/α_e1), (γ₂e_3b/α_e1)) = (1, n₁, n₂, m₁, m₂).
Weiterhin sind im Speicher 16 die Referenzwerte Rvec1 (R1, R2, R2, R3, R3) entsprechend e_vec1 und/oder R_vec2 (1, (R₂/R₁), (R₂/R₁), (R₃/R₁), (R₃/R₁)) entsprechend e_vec2 aufgezeichnet. Beispielsweise vergleicht die Steuerung 12 als Verteilungsbestimmungseinheit 62 e_vec1 und R_vec1, zur Bestimmung, ob aei im Schwellenwertbereich liegt, der für R₁ eingestellt ist (beispielsweise R₁ × 0,9 bis R₁ × 1,1), um zu ermitteln, ob β₁e_2a und β₂e_2b im Bereich der Schwellenwerte liegt, welche für R₂ eingestellt sind (beispielsweise R₂ × 0,9 bis R₂ × 1,1) und bestimmt, ob γ₁e_3a und γ₂e_3b im Bereich der Schwellenwerte liegt, die für R₃ eingestellt sind (beispielsweise R₂ × 0,9 bis R₃ × 1,1).
Gemäß einer Variante vergleicht die Steuerung 12 e_vec2 und R_vec2 und ermittelt, ob die obigen Werte n1 und n₂ im Bereich der vorgegebenen Schwellenwerte bezüglich (R₂/R₁) liegen. Beispielsweise bestimmt die Steuerung 12 im Falle des Laserstrahls mit 4kW Leistung gemäß 3A und Tabelle 1, dass n₁ und n₂ zwischen 0,55 und 0,67 liegen sollen.
In ähnlicher Weise bestimmt die Steuerung 12, ob m₁ und m₂ im vorgegebenen Schwellenwertbereich bezüglich (R₃/R₁) liegen. Beispielsweise bestimmt die Steuerung 12 im Falle des Laserstrahls mit 4kW Leistung gemäß 3A und Tabelle 1, dass die Werte m₁ und m₂ zwischen 0,16 und 0,2 liegen sollen.
Die 6A bis 6C zeigen Beispiele ungeeignete Intensitätsverteilungen des Laserstrahls. 6A entspricht der obigen 4A. Der Wert von αe₁ an der optische Achse O₁ wird anormal hoch. 6B entspricht 4B. Die Werte αe₁, β₁e_2a, β₂e_2b, γ₁e_3a und γ₂e_3b sind nahe beeinander und die Differenz zwischen ihnen ist extrem klein. Solche Anormalitäten der Intensitätsverteilung werden typischerweise detektiert wenn der Ausgangsspiegel oder der Rückspiegel im Laseroszillator oder der reflektierende Spiegel im optischen Weg der Laserbearbeitungsvorrichtung verschmutzt oder beschädigt sind.
In 6C ist der Wert βle2a des Laserintensitätssensors 52a des zweiten Lichtempfangselementes 28 größer als der Wert αe₁ des Laserintensitätssensors 50 des ersten Lichtempfangselementes 30. Eine solche anormale Intensitätsverteilung tritt typischerweise auf wenn die optische Achse des vom Ausgangsspiegel des Laseroszillators emittierten Laserstrahls oder der reflektierende Spiegel im optischen Weg der Laserbearbeitungseinrichtung dejustiert sind.
Somit ist es mit dem Strahlprofilmessgerät 11 dieses Ausführungsbeispieles möglich, nicht nur Anormalitäten der Intensitätsverteilung aufgrund von Verschmutzungen oder Beschädigungen oder dergleichen bezüglich des Ausgangsspiegels oder Rückspiegels des Laseroszillators oder des reflektierenden Spiegels im optischen Weg der Laserbearbeitungsvorrichtung zu detektieren (6A und 6B), sondern auch Anormalitäten zu erkennen aufgrund einer Dejustierung der optischen Achse des Laserstrahls.
Nunmehr wird mit Blick auf die 1 und 7A bis 7C ein Strahlprofilmessgerät 70 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Ähnliche oder gleiche Komponenten wie bei den obigen Ausführungsbeispielen tragen die gleichen Bezugszeichen und deshalb wird eine wiederholte Beschreibung weggelassen. Das Strahlprofilmessgerät 70 hat eine Steuerung 12, einen Laserstrahldetektor 72, einen Speicher 16, eine Anzeigeeinrichtung 18 und einen Lautsprecher 20.
Gemäß den 7A bis 7C hat der Laserstrahldetektor 72 einen teilreflektierenden Spiegel 24, ein erstes Lichtempfangselement 74, ein zweites Lichtempfangselement 76 und einen Dämpfer 78. Der Dämpfer 78 ist auf der Rückseite des teilreflektierenden Spiegel 24 angebracht, derart, dass er getrennt ist vom teilreflektierenden Spiegel 24 durch einen vorgegebenen Abstand. Der Dämpfer 78 ist ein kreisförmiges Bauteil und konzentrisch in Bezug auf die optische Achse O₁ angeordnet. Er kann 99% oder mehr der Leistung des Laserstrahls 22' absorbieren.
Der Dämpfer 78 hat ein zentrales durchgehendes Loch 80 und ein durchgehendes Loch 82, das radial vom zentralen Loch 80 getrennt ist. Ein ringförmiger thermischer Isolator 85 liegt zwischen dem Dämpfer 78 und dem teilreflektierenden Spiegel 24. Aufgrund des thermischen Isolators 85 sind der Dämpfer 78 und der teilreflektierende Spiegel 24 thermisch voneinander isoliert.
Das erste Lichtempfangselement 74 ist auf der Rückseite des Dämpfers 78 so angebracht, dass es vom Dämpfer 78 um einen vorgegebenen Abstand getrennt ist. Das erste Lichtempfangselement 74 ist kreisförmig und konzentrisch in Bezug auf die optische Achse O₁ angeordnet. Es kann 99% oder mehr der Leistung des Laserstrahls 22' absorbieren. Ein ringförmiger thermischer Isolator 84 ist zwischen dem ersten Lichtempfangselement 74 und dem Dämpfer 78 angeordnet. Aufgrund des thermischen Isolators 84 sind das erste Lichtempfangselement 75 und der Dämpfer thermisch voneinander isoliert. Das erste Lichtempfangselement 74 hat eine Wärmesenke (nicht gezeigt) zur Stabilisierung der Temperatur.
Das zweite Lichtempfangselement 76 ist kreisförmig und absorbiert 99% oder mehr des Laserstrahls 22'. Das zweite Lichtempfangselement 76 ist an einem Ort in Richtung der optischen Achse angeordnet, der im Wesentlichen dem Ort des ersten Lichtempfangselementes auf der Rückseite des Dämpfers 78 entspricht, und die Position ist radial nach außen getrennt von der Position des ersten Lichtempfangselementes 74 um exakt eine vorgegebene Strecke. Deshalb liegt das Zentrum O₂ des zweiten Lichtempfangselementes 76 näher an der äußeren Kante 22g des Laserstrahlungsbereiches 22a' als das Zentrum des ersten Lichtempfangselementes 74 (d.h. die optische Achse 01).
Ein ringförmiger thermischer Isolator 86 liegt zwischen dem Dämpfer 78 und dem zweiten Lichtempfangselement 76. Wegen des thermischen Isolators 86 sind das zweite Lichtempfangselement 76 und der Dämpfer 78 thermisch voneinander isoliert. Weiterhin ist das zweite Lichtempfangselement 76 räumlich getrennt vom ersten Lichtempfangselement 74, wodurch es auch thermisch vom ersten Lichtempfangselement 74 isoliert ist. Das zweite Lichtempfangselement 76 hat eine Wärmesenke (nicht gezeigt), zur Stabilisierung der Temperatur.
Der auf den teilreflektierenden Spiegel 24 auftreffende Laserstrahl 22 erzeugt den Laserstrahlungsbereich 22a auf der Vorderfläche 32 des teilreflektierenden Spiegels 24, wie in 7A mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichnet ist. Der durch den teilreflektierenden Spiegel 24 durchlaufende Laserstrahl 22' bildet den Laserstrahlungsbereich 22a' entsprechend Bezugszeichen 23 auf den Lichtempfangselementen. Das erste Lichtempfangselement 74 empfängt einen ersten Bereich 22e einschließlich der optische Achse O₁ entsprechend Bezugszeichen 75 in 7A und Bezugszeichen 77 in 7e.
Der erste Bereich 22e des Laserstrahlungsbereiches 22a' entspricht dem Laserstrahlungsbereich des Laserstrahles 22', der durch das zentrale Loch 80 des Dämpfers 78 geht, als Teil des den teil reflektierenden Spiegel 24 passierenden Laserstrahls 22'. Deshalb hat der erste Bereich 22e den gleichen Durchmesser wie das zentrale durchgehende Loch 80.
Das zweite Lichtempfangselement 76 empfängt einen zweiten Bereich 22f, der radial außerhalb des ersten Bereiches 22e liegt, beide im Laserstrahlungsbereich 22a' des Laserstrahls 22', der den teilreflektierenden Spiegel 24 passiert, wie in 7A mit dem Bezugszeichen 79 gekennzeichnet ist und in 7C mit dem Bezugszeichen 81. Der zweite Bereich 22f des Laserstrahlungsbereiches 22a' ist ein Laserstrahlungsbereich des Laserstrahls 22', der das Loch 82 des Dämpfers 78 passiert. Deshalb hat der zweite Bereich 22f einen Durchmesser, der gleich ist dem des durchgehenden Loches 82.
Ein Laserintensitätssensor 88 ist auf der Rückseite 74a des ersten Lichtempfangselementes 74 angebracht. Ähnlich ist ein Laserintensitätssensor 90 an der Rückseite 76a des zweiten Lichtempfangselementes 76 angebracht. Jeder der Laser-intensitätssensoren 88 und 90 wird durch einen Temperatursensor gebildet, wie einem Thermoelement, einer Thermosäule, einem Thermistor oder einem Platin-Widerstandstemperaturdetektor etc. Die Laserintensitätssensoren 88 bzw. 90 wandeln im ersten Lichtempfangselement 74 bzw. im zweiten Lichtempfangselement 76 erzeugte Wärme in elektrische Signale um und senden diese als Ausgänge e₁₁ und e₁₂ an die Steuerung 12 gemäß 1.
Die Steuerung 12 empfängt die Ausgänge e₁₁ und e₁₂ der Laserintensitätssensoren 88 bzw. 90, multipliziert diese mit den Koeffizienten α₁₁ und β₁₂, und zeichnet die Ergebnisse als Werte α₁₁e₁₁ und β₁₂e₁₂ im Speicher 16 auf. Dann bestimmt die Steuerung 12, ob die Laserleistung und die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 geeignet sind, und zwar auf Basis von α₁₁e₁₁ und β₁₂e₁₂ in gleicher Weise wie oben beschrieben ist.
Im Einzelnen: die Steuerung 12 berechnet als Laserleistungsberechnungseinheit 56 die Summe (Σe=α₁₁e₁₁ + β₁₂e₁₂) von α₁₁e₁₁ und β₁₂e₁₂. Weiterhin berechnet die Steuerung als Verteilungsberechnungseinheit 60 den Wert e_vec1 (α₁₁e₁₁, β₁₂e₁₂) von a₁₁e₁₁ und β₁₂e₁₂ und/oder evec2 (1, (β₁₂e₁₂/ α₁₁e₁₁)) = (1, k).
Im Speicher 16 sind Referenzwerte R₁₁ und R₁₂ abgespeichert, die den Werten α₁₁e₁₁ bzw. β₁₂e₁₂ zugeordnet sind. Die Steuerung 12 vergleicht als Laserleistungsbestimmungseinheit 58 Σe= a₁₁e₁₁+β₁₂e₁₂ und R=r₁₁ +r₁₂ und bestimmt, ob der Wert Σe im vorgegebenen Schwellenwertbereich mit Bezug auf ΣR liegt. Weiterhin vergleicht die Steuerung 12 als Verteilungsbestimmungseinheit 62 e_vec mit R_vec, und bestimmt, ob e_vec im Bereich der vorgegebenen Schwellenwerte liegt. Beispielsweise bestimmt die Steuerung 12, dass der obige Wert k gleich ß₁₂e₁₂/ a₁₁e₁₁ liegt (beispielsweise R₁₂/R₁₁ × 0,9 bis R₁₂/R₁₁ × 1,1).
Auf diese Weise ist es mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, die Eignung des Laserstrahls 22 hinsichtlich Leistung und Intensitätsverteilung durch Einsatz der in den Lichtempfangselementen 74 und 76 erzeugten Wärme zu bestimmen, wobei die Daten für eine quantitative Ermittlung der Intensität und Verteilung des Laserstrahls 22 eingesetzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Datenverarbeitungsaufwand signifikant zu reduzieren, der erforderlich ist zur Bestimmung der Eignung der Laserleistung und der Intensitätsverteilung. Somit ist es auch möglich, die Eignung der optischen Eigenschaften des Laserstrahls 22 für den vorgesehenen Prozess mit relativ geringen Kosten zu überprüfen.
Die Laserintensitätssensoren 88 und 90 gemäß 7A bis 7C können Sensoren unterschiedlicher Art sein. Beispielsweise kann der Sensor 88 als Thermoelement ausgebildet sein, während der Laserintensitätssensor 90 ein Platin-Widerstandstemperaturdetektor ist. In diesem Fall berechnet die Steuerung 12 als Laserleistungsberechnungseinheit 56 zur Bestimmung der Laserleistung des Laserstrahls 22 die Summe (Σe=δe₁₁ +εe₁₂) der Werte, die gewonnen werden durch Multiplikation des vom Laserintensitätssensor 88 gewonnenen Wertes e₁₁, mit einem ersten Koeffizienten δ und des Wertes, der gewonnen wird durch Multiplikation des mit dem Laserintensitätssensor 90 gewonnenen Wertes e₁₂ mit zweiten Koeffizienten ε. Sodann multipliziert die Steuerung 12 den Wert Σe mit einem dritten Koeffizienten ζ zur Berechnung des Wertes ζΣe. Basierend auf diesem Wert ζΣe wird die Leistung des Laserstrahls 22 quantitativ ermittelt. Die Koeffizienten δ, ε und ζ werden so eingestellt, dass ζΣ_e der Leistung des Laserstrahls 22 entspricht.
In diesem Fall wird im Speicher 16 die Referenzlaserleistung ζR = R₁₁' + R₁₂' vorab gespeichert (entsprechend der eingestellten Laserleistung [W]), welche der Laserleistung ζΣe entspricht. Die Steuerung 12 vergleicht als Laserleistungsbestimmungseinheit 58 ζΣ_e mit ΣR und ermittelt, ob der Wert von ζΣe im Bereich der zugelassenen Schwellenwerte bezüglich ΣR liegt.
Weiterhin berechnet die Steuerung als Verteilungsberechnungseinheit 60 einen Vektor aus δe₁₁ und εe₁₂ und/oder e_vec2 (1, (εe₁₂/δe₁₁)) = (1, k').
Die Steuerung 12 ermittelt als Verteilungsbestimmungseinheit 62, ob der Wert k'im Bereich eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt. Beispielsweise bestimmt die Steuerung 12, dass der Wert k'im vorgegebenen Schwellenwertbereich (beispielsweise R₁₂'/R₁₁' × 0,9 bis R₁₂'/R₁₁' × 1,1) liegt.
Nunmehr wird mit Blick auf die 1 und 8A bis 8C ein Strahlprofilmessgerät 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Komponenten, die entsprechenden Komponenten der Ausführungsbeispiele gleich oder ähnlich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und deshalb wird eine wiederholte Beschreibung weggelassen. Das Strahlprofilmessgerät 100 hat eine Steuerung 12, einen Laserstrahldetektor 102, einen Speicher 16, eine Anzeigeeinrichtung 18, und einen Lautsprecher 20. Wie die 8A bis 8C zeigen, hat der Laserstrahldetektor 102 einen teilreflektierenden Spiegel 24, ein erstes Lichtempfangselement 104, ein zweites Lichtempfangselement 106, ein drittes Lichtempfangselement 108, ein viertes Lichtempfangselement 110 und ein fünftes Lichtempfangselement 112.
Das vierte Lichtempfangselement 110 und das fünfte Lichtempfangselement 112 sind auf der rückwärtigen Seite des teilreflektierenden Spiegels 24 so angeordnet, dass sie um einen vorgegebenen Abstand vom teilreflektierenden Spiegel 24 beabstandet sind. Das vierte Lichtempfangselement 110 und das fünfte Lichtempfangselement 112 sind in Bezug auf die Richtung der optischen Achse 01 in gleicher Position angeordnet, derart, dass sie in Bezug auf die optische Achse 01 auch symmetrisch zueinander stehen.
Das vierte Lichtempfangselement 110 und das fünfte Lichtempfangselement 112 sind dünne, plattenförmige rechtwinklige Bauteile, die 99% oder mehr des Laserstrahls 22' absorbieren können. Thermische Isolatoren 114 und 116, die sich in den Längsrichtungen des vierten Lichtempfangselementes 110 und des fünften Lichtempfangselementes 112 erstrecken, sind jeweils zwischen dem vierten Lichtempfangselement 110 und dem teilreflektierenden Spiegel 24 und zwischen dem fünften Lichtempfangselement 112 und dem teil reflektierenden Spiegel 24 angeordnet.
Das zweite Lichtempfangselement 106 ist eine dünne, rechteckige Platte, die auf der Rückseite des vierten Lichtempfangselementes 110 so angeordnet ist, dass sie vom vierten Lichtempfangselement 110 einen vorgegebenen Abstand hat. Das zweite Lichtempfangselement 106 kann 99% oder mehr des Laserstrahls 22' absorbieren. Das Zentrum O₁₂ des zweiten Lichtempfangselementes 106 ist so angeordnet, dass es näher an der optischen Achse O₁ liegt als das Zentrum O₁₄ des vierten Lichtempfangselementes 110. Ein thermischer Isolator 118 liegt zwischen dem zweiten Lichtempfangselement 106 und dem vierten Lichtempfangselement 110.
Das dritte Lichtempfangselement 108 ist eine dünne, rechtwinklige Platte, die so angeordnet ist, dass sie symmetrisch ist in Bezug auf die optische Achse O₁ zum zweiten Lichtempfangselement 106 und sie kann 99% oder mehr des Laserstrahls 22' absorbieren. Ein thermischer Isolator 120 liegt zwischen dem dritten Lichtempfangselement 108 und dem vierten Lichtempfangselement 112. Das Zentrum O₁₃ des dritten Lichtempfangselementes 108 ist so angeordnet, dass es näher an der optischen Achse O₁ liegt als das Zentrum O₁₅ des fünften Lichtempfangselementes 112.
Das erste Lichtempfangselement 104 ist eine dünne, rechteckige Platte, die auf der Rückseite des zweiten Lichtempfangselementes 106 und des dritten Lichtempfangselementes 108 so angeordnet ist, dass sie vom zweiten Lichtempfangselement 106 und vom dritten Lichtempfangselement 108 einen vorgegebenen Abstand hat derart, dass das Zentrum des ersten Lichtempfangselementes 104 im Wesentlichen auf der optischen O₁ liegt. Das erste Lichtempfangselement 104 kann 99% oder mehr des Laserstrahls 22' absorbieren. Das Zentrum O₁₂ des zweiten Lichtempfangselementes 106 und das Zentrum O₁₃ des dritten Lichtempfangselementes 108 sind so angeordnet, dass sie näher an der äußeren Kante 22g des Laserstrahlungsbereiches 22a' liegen als das Zentrum des ersten Lichtempfangselementes 104 (d.h. die optische Achse O₁).
Thermische Isolatoren 122 bzw. 124 sind zwischen das erste Lichtempfangselement 104 und das zweite Lichtempfangselement 106 gelegt, sowie zwischen das Lichtempfangselement 104 und das dritte Lichtempfangselement 108. Das erste Lichtempfangselement 104, das zweite Lichtempfangselement 106, das dritte Lichtempfangselement 108, das vierte Lichtempfangselement 110 und das fünfte Lichtempfangselement 112 sind so angeordnet, dass ihre Achsen in Longitudinalrichtung parallel sind.
Der auf den teilreflektierenden Spiegel 24 auffallende Laserstrahl 22 erzeugt den Laserstrahlungsbereich 22a auf der Vorderfläche 32 des teilreflektierenden Spiegels 24, wie in 8A mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichnet ist. Der den teilreflektierenden Spiegel 24 passierende Laserstrahl 22' erzeugt den Laserstrahlungsbereich 22a', wie in 8C mit dem Bezugszeichen 23 gekennzeichnet ist, und dieser Laserstrahlungsbereich liegt auf den Lichtempfangselementen. Das erste Lichtempfangselement 104 empfängt den ersten Bereich 22h, welcher die optische Achse O₁ enthält, wie in 8A mit dem Bezugszeichen 105 gekennzeichnet ist und in 8C mit dem Bezugszeichen 107. Der erste Bereich 22h des Laserstrahlungsbereiches 22a' ist ein Laserstrahlungsbereich des Laserstrahls 22', der durch eine Lücke (Öffnung) 126 zwischen dem zweiten Lichtempfangselement 106 und dem dritten Lichtempfangselement 108 durchtritt, als Teil des Laserstrahls 22', der den teilreflektierenden Spiegel 24 passiert.
Das zweite Lichtempfangselement 106 empfängt den zweiten Bereich 22i des Laserstrahlungsbereiches 22a' des Laserstrahls 22', der durch den teilreflektierenden Spiegel 24 tritt, wie in 8A mit dem Bezugszeichen 109 und in 8C mit dem Bezugszeichen 112 gekennzeichnet ist. Der zweite Bereich 22i des Laserstrahlungsbereiches 22a' ist ein Strahlungsbereich des Laserstrahls 22', der durch die Lücke (Öffnung) 128 zwischen dem vierten Lichtempfangselement 110 und dem fünften Lichtempfangselement 112 durchtritt und in das zweite Lichtempfangselement 106 eintritt.
Das dritte Lichtempfangselement 108 empfängt den dritten Bereich 22j des Laserstrahlungsbereiches 22a' des Laserstrahls 22', der durch den teilreflektierenden Spiegel 24 durchtritt, wie in 8A durch das Bezugszeichen 113 und in 8C durch das Bezugszeichen 115 gekennzeichnet ist. Der dritte Bereich 22j des Laser-strahlungsbereiches 22a' ist ein Bereich des Laserstrahls 22', welcher durch die Lücke (Öffnung) 128 durchtritt und in das dritte Lichtempfangselement 108 eintritt, als Teil des Laserstrahls 22', der den teilreflektierenden Spiegel 24 passiert.
Das vierte Lichtempfangselement 110 empfängt den vierten Bereich 22k, der in 8A mit dem Bezugszeichen 117 und in 8C mit dem Bezugszeichen 119 gekennzeichnet ist. Das fünfte Lichtempfangselement 112 empfängt den fünften Bereich 22t gemäß Bezugszeichen 121 in 8A und Bezugszeichen 122 in 8C.
Laserintensitätssensoren 130, 132, 134, 136 und 138 sind jeweils an den Rückflächen des ersten Lichtempfangselementes 104, des zweiten Lichtempfangselementes 106, des dritten Lichtempfangselementes 108, des vierten Lichtempfangselementes 110 bzw. des fünften Lichtempfangselementes 112 angebracht. Die Laserintensitätssensoren 130, 132, 134, 136 und 138 sind Dehnungsmesser.
Die Laserintensitätssensoren 130, 132, 134, 136 und 138 detektieren jeweils die Dehnungen, die an den jeweiligen Lichtempfangselementen aufgrund der durch den Laserstrahls 22' erzeugten thermischen Erhitzung dort entstehen. Die Laserintensitätssensoren 130, 132, 134, 136 und 138 übertragen elektrische Signalausgänge e₂₁, e₂₂, e₂₃, e₂₄ und e₂₅ entsprechend den Dehnungen an die Steuerung 12 gemäß 1.
Die Steuerung 12 empfängt die Ausgänge e₂₁, e₂₂, e₂₃, e₂₄ bzw. e₂₅, multipliziert diese Ausgänge mit Koeffizienten α₂₁, β₂₂, β₂₃, γ₂₄ und γ₂₅ und zeichnet die Ergebnisse als Werte α₂₁e₂₁, β₂₂e₂₂, β₂₃e₂₃, γ₂₄e₂₄ und γ₂₅e₂₅, im Speicher 16 auf. Diese Koeffizienten α₂₁, β₂₂, β₂₃, γ₂₄ und γ₂₅ sind so gesetzt, dass die Werte α₂₁e₂₁, β₂₂e₂₂, β₂₃e₂₃, γ₂₄e₂₄ bzw. γ₂₅e₂₅ den Laserleistungen derjenigen Teile des Laserstrahls 22 entsprechen, welche den teilreflektierenden Spiegel 24 passieren und zum ersten Lichtempfangselement 104, zweiten Lichtempfangselement 106, dritten Lichtempfangselement 108, vierten Lichtempfangselement 110 und fünften Lichtempfangselement 112 gelangen. Die Steuerung 12 bestimmt, ob die Laserleistung und die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 geeignet sind auf Basis dieser Werte α₂₁e₂₁, β₂₂e₂₂, β₂₃e₂₃, γ₂₄e₂₄ und γ₂₅e₂₅ so, wie bei den oben beschriebenen Strahlprofilmessgeräten 11.
Somit ist es mit diesem Ausführungsbeispiel möglich, die Eignung der Laserleistung und der Intensitätsverteilung des Laserstrahls 22 aufgrund von Dehnungen zu beurteilen, die in den Lichtempfangselementen 104, 106, 108, 110 und 112 auftreten, wobei diese Daten für eine quantitative Ermittlung der Intensität des Laserstrahls 22 dienen. Damit ist es möglich, den Datenverarbeitungsaufwand für die Bestimmung der Eignung der Laserleistung und der Intensitätsverteilung beträchtlich zu reduzieren. Somit ist es weiterhin möglich, die Eignung der optischen Eigenschaften des Laserstrahls 22 zu geringen Kosten zu prüfen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Lichtempfangselemente 104, 106, 108, 110 und 112 als rechteckförmige dünne Platten mit Longitudinalerstreckung konfiguriert. Aufgrund dieser Formen kann die Intensität des Laserstrahls 22 präzise detektiert werden da die Lichtempfangselemente bei Erwärmung sich deutlich deformieren.
Nunmehr wird mit Blick auf 9 ein Laseroszillator 140 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Die Komponenten, die obigen Ausführungsbeispielen entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und deshalb erübrigt sich insoweit eine wiederholte Beschreibung. Der Laseroszillator 140 hat eine Laseroszillatorsteuerung 142, einen Resonator 146 mit einem Ausgangsspiegel 144, welcher den Laserstrahls 148 emittiert, und ein Strahlprofilmessgerät 150.
Die Laseroszillatorsteuerung 142 steuert die Erzeugung des Laserstrahls 148a im Resonator 146. Der Resonator 146 ist mit Lasergas gefüllt und weist Entladungselektroden auf, die einander gegenüberliegend angeordnet sind (nicht gezeigt). Werden vorgegebene Wechselspannungen an die Entladungselektroden angelegt, wird das Lasergas angeregt zur Erzeugung des Laserstrahls 148a. Der laserstrahl 148a wird durch Resonanz zwischen dem Ausgangsspiegel und dem Rückspiegel verstärkt und als Laserstrahl durch den Ausgangsspiegel 144 abgegeben.
Das Strahlprofilmessgerät 150 hat einen Aufbau ähnlich dem oben beschriebenen Strahlprofilmessgerät 10. Im Einzelnen: das Strahlprofilmessgerät 150 hat eine Strahlprofilmessgerätsteuerung 12, einen Laserstrahldetektor 14, einen Speicher 16, eine Anzeigeeinrichtung 18 und einen Lautsprecher 20. Bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Laseroszillatorsteuerung 142 auch als Strahlprofilmessgerätsteuerung 12. Der Laserstrahldetektor 14 ist im Resonator 146 eingebaut. Der teilweise reflektierende Spiegel 24 des Laserstrahldetektors 14 ist gegenüber dem Ausgangsspiegel 144 angeordnet.
Der teilreflektierende Spiegel 24 dient (auch) als reflektierender Spiegel (sogenannter „Rückspiegel“) für die im Resonator 146 erzeugte Laserstrahlung, also für die Erzeugung der Resonanz mit dem Ausgangsspiegel 144. Der teilreflektierende Spiegel 24 lässt einen Teil des Laserstrahls 148a durch (d.h. so wie beim oben erläuterten Laserstrahl 22'), der im Resonator 146 erzeugt wird, und zwar in Richtung auf das erste Lichtempfangselement 30, das zweite Lichtempfangselement 28 und das dritte Lichtempfangselement 26.
Die Laseroszillatorsteuerung 142 dient als Strahlprofilmessgerätsteuerung 12 zum Empfang der Ausgänge e₁, e₂, und e₃ vom Laserstrahldetektor 14 und bestimmt, ob die Laserleistung und die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 148a geeignet sind. Im Einzelnen: Die Laseroszillatorsteuerung 142 empfängt die Ausgänge e₁, e₂, und e₃, speichert sie gemäß den Werten αe₁, βe₂, und γe₃ im Speicher 16, und berechnet die Laserleistung Σe = αe₁+βe₂+γe₃ [W] des Laserstrahls 148a. Weiterhin berechnet die Laseroszillatorsteuerung 142 e_vec1 (ae₁, βe₂, γe₃) und/oder e_vec2 (1, (βe_2/ αe₁), (γe₃/αe₁)) = (1, n, m).
Die Laseroszillatorsteuerung 142 vergleicht die Werte mit der eingestellten Laserleistung (oder der Referenzlaserleistung ΣR) [W], um so zu ermitteln, ob die Laserleistung des Laserstrahls 148a geeignet ist. Ist die Laserleistung Σe des Laserstrahls 148a nicht geeignet, führt die Laseroszillatorsteuerung 142 eine Rückkoppel-Steuerung bezüglich der Erzeugung des Laserstrahls 148a entsprechend der Differenz zwischen der Laserleistung Σe und der eingestellten Laserleistung (Referenzlaserleistung ΣR) aus bis die Laserleistung Σe einen geeigneten Wert annimmt. Somit funktioniert bei diesem Ausführungsbeispiel der Laserstrahldetektor 14 als Laserleistungssensor zum Messen der Laserleistung des Laserstrahls 148a.
Mit dem Laseroszillator 140 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine Verschmutzung oder Beschädigung des Ausgangsspiegels 144 oder des teilreflektierenden Spiegels 24, der als Rückspiegel funktioniert, durch das Strahlprofilmessgerät 150 zu detektieren. Ist beispielsweise der Ausgangsspiegel 144 oder der teilreflektierende Spiegel 24 kontaminiert, nimmt die durch das Strahlprofilmessgerät 150 berechnete Intensitätsverteilung die in 4A gezeigte Form an. Falls Staub oder dergleichen sich in einem mittleren Abschnitt des Ausgangspiegels 144 absetzt oder auf dem teilreflektierenden Spiegel 24, nimmt die durch das Strahlprofilmessgerät 150 berechnete Intensitätsverteilung die in 4B gezeigte Form an.
Bei Detektion einer derartigen Intensitätsverteilung kann die Laseroszillatorsteuerung 142 eine Warnung an eine Bedienungsperson erzeugen, um diese darauf hinzuweisen, dass eine Wartung des Ausgangsspiegels 144 oder des teilreflektierenden Spiegels 24 erforderlich ist, wobei diese Warnung zum Beispiel über die Anzeigeeinrichtung 18 und/oder den Lautsprecher 20 erfolgen kann. Wie oben erläutert ist, ist das Strahlprofilmessgerät 150 einfach aufgebaut, wodurch er in einem Laseroszillator 140 einbaubar ist. Somit kann ein Laseroszillator 140 eingerichtet werden, der in der Lage ist, den Zustand des Ausgangsspiegels 144 und/oder des teilreflektierenden Spiegels 24 zu geringen Kosten zu überprüfen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde der Fall näher erläutert, bei dem das Strahlprofilmessgerät 150 mit einer Einrichtung ähnlich dem obigen Strahlprofilmessgerät 10 versehen ist. Allerdings kann das Strahlprofilmessgerät 150 auch mit den Einrichtungen entsprechend den obigen Strahlprofilmessgeräten 11, 70 oder 100 versehen werden.
Nunmehr wird mit Blick auf 10 eine Laserbearbeitungsvorrichtung 160 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Komponenten, die entsprechenden Komponenten bei obigen Ausführungsbeispielen entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen und es erübrigt sich insoweit eine erneute Beschreibung. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 160 hat eine Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 168, einen Laseroszillator 162, einen Lichtleiter 166, und ein Strahlprofilmessgerät 150.
Der Laseroszillator 162 hat einen Resonator 174 mit einem Ausgangsspiegel 144 und einem Rückspiegel 172. Der Rückspiegel 172 ist dem Ausgangsspiegel 144 gegenüberliegend angeordnet. Die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 168 steuert die Erzeugung des Laserstrahls 164 im Resonator 174. Der Resonator 174 regt Lasergas an zur Erzeugung eines Laserstrahls 164a, verstärkt diesen durch optische Resonanz zwischen Rückspiegel 172 und Ausgangsspiegel 144 und emittiert den Laserstrahls 164 aus dem Ausgangsspiegel 144 entsprechend dem Befehl durch die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 168. Der Lichtleiter 166 enthält z.B. einen reflektierenden Spiegel (nicht gezeigt) und leitet den vom Laseroszillator 162 emittierten Laserstrahls 164 zum Werkstück (nicht gezeigt).
Das Strahlprofilmessgerät 150 hat einen ähnlichen Aufbau wie der obige Strahlformer 11. Im Einzelnen: Das Strahlprofilmessgerät 150 hat eine Strahlprofilmessgerätsteuerung 12, einen Laserstrahldetektor 15, einen Speicher 16, eine Anzeigeeinrichtung 18 und einen Lautsprecher 20. Die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 168 dient als Strahlprofilmessgerätsteuerung 12. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Laserstrahldetektor 15 am Lichtleiter 166 angebracht. Insbesondere ist der teilreflektierende Spiegel 24 des Laserstrahldetektors 15 im optischen Weg des Laserstrahls 164 angeordnet, der vom Resonator 174 emittiert wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt der teilreflektierende Spiegel 24 als reflektierender Spiegel, der den Lichtleiter 166 bildet. Andererseits lässt der teilreflektierende Spiegel 24 einen Teil des Laserstrahls 164 durch (entsprechend dem obigen Laserstrahl 22'), der vom Resonator 174 in Richtung auf das erste Lichtempfangselement 30, das zweite Lichtempfangselement 28 und das dritte Lichtempfangselement 26 emittiert wird.
Die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 168 empfängt die Ausgänge e₁, e_2a, e_2b, e_3a und e_3b vom Laserstrahldetektor 15 und ermittelt, ob die Laserleistung und die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 164 geeignet sind. Mit der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine Anormalität bezüglich der Eigenschaften des Laserstrahls 164 mittels des Strahlprofilmessgeräts 150 zu ermitteln.
Liegt beispielsweise eine Verschmutzung oder eine andere Störung am Rückspiegel 172 und/oder am Ausgangsspiegel 144 vor, kann die durch das Strahlprofilmessgerät 150 berechnete Intensitätsverteilung die in den 6A oder 6B gezeigte Form annehmen. Wird eine solche Intensitätsverteilung detektiert, kann die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 168 eine Warnung für die Bedienungsperson erzeugen und unterrichten, dass eine Wartung am Rückspiegel 172 und/oder Ausgangsspiegel 144 erforderlich ist, wozu die Anzeigeeinrichtung 18 und/oder der Lautsprecher 20 dienen.
Ist die Position des in der Laserbearbeitungsvorrichtung montierten Laseroszillators gestört aufgrund z.B. einer Lockerung von Schrauben oder dergleichen, dann ist auch die optische Achse des über den Ausgangsspiegel 144 emittierten Laserstrahls 164 dejustiert. In diesem Fall wird die vom Strahlprofilmessgerät 150 berechnete Intensitätsverteilung eine Form gemäß 6C annehmen. Wird eine solche Intensitätsverteilung detektiert, kann die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 168 eine Warnung an die Bedienungsperson abgeben, dass eine Korrektur der Justierung des Laseroszillators 162 erforderlich ist, wiederum zum Beispiel über die Anzeigevorrichtung 18 und/oder den Lautsprecher 20. Nunmehr wird mit Blick auf 11 eine Laserbearbeitungsvorrichtung 118 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Komponenten, die denen der obigen Ausführungsbeispiele entsprechen, haben das gleiche Bezugszeichen, sodass sich eine wiederholte Beschreibung erübrigt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 180 hat eine Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, einen Laseroszillator 182, einen Lichtleiter 186, und ein Strahlprofilmessgerät 190.
Der Laseroszillator 182 hat einen Resonator 146 mit einem Ausgangsspiegel 144, über den der Laserstrahls 184 emittiert wird. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 188 steuert die Erzeugung eines Laserstrahls 184a im Resonator 146. Der Lichtleiter 186 hat einen reflektierenden Spiegel 192, der im optischen Weg des Laserstrahls 180 angeordnet ist, und führt den über den Ausgangsspiegel 144 emittierten Laserstrahls 184 zum Werkstück W. Eine Sammellinse 194 ist am Ausgang des Lichtleiters 186 vorgesehen. Der vom Lichtleiter 186 geleitete Laserstrahls 184 wird auf das Werkstück W über die Sammellinse 194 fokussiert und bearbeitet das Werkstück W.
Das Strahlprofilmessgerät 190 dieses Ausführungsbeispieles hat eine Strahlprofilmessgerätsteuerung 12, einen Speicher 16, eine Anzeigeeinrichtung 18, einen Lautsprecher 20, einen ersten Laserstrahldetektor 15a, einen zweiten Laserstrahldetektor 15b, und einen dritten Laserstrahldetektor 15c. Die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 dient auch als Strahlprofilmessgerätsteuerung 12. Der Laserstrahldetektor 15a, der zweite Laserstrahldetektor 15b und der dritte Laserstrahldetektor 15c sind ähnlich dem Laserstrahldetektor 15 gemäß den 5A bis 5C gestaltet.
Der erste Laserstrahldetektor 15a ist in den Resonator 164 eingebaut. Der teilreflektierende Spiegel 24 des ersten Laserstrahldetektors 15a ist gegenüber dem Ausgangsspiegel 144 angeordnet. Andererseits sind der zweite Laserstrahldetektor 15b und der dritte Laserstrahldetektor 15c am Lichtleiter 186 angebracht.
Im Einzelnen: der teilreflektierende Spiegel 24 des zweiten Laserstrahldetektors 15b ist an einer Stelle zwischen dem Ausgangsspiegel 144 und dem reflektierenden Spiegel 192 am Lichtleiter 186 angeordnet. Der teilreflektierende Spiegel 24 des dritten Laserstrahldetektors 15c ist an einer Stelle zwischen dem reflektierenden Spiegel 192 und der Sammellinse 124 am Lichtleiter 186 angeordnet.
Der erste Laserstrahldetektor 15a empfängt den im Resonator 146 erzeugten Laserstrahl 84a und überträgt die Ausgänge e₁, e_2a, e_2b, e_3a und e_3b an die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188. Diese empfängt diese Ausgänge und speichert sie entsprechend den Werten α₁e₁, β₁e_2a, β₁e_2b, γ₁e_3a und γ₁₂e_3b im Speicher 16. Die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 berechnet die Laserleistung Σe = α₁e₁+β₁₁e_2a+β₁₂e_2b, γ₁₁e_3a+γ₁₂e_3b [W] des Laserstrahls 184a.
Die Laserbearbeitungsvorrichtungsssteueurung 188 vergleicht das Ergebnis mit der eingestellten Laserleistung (Referenzlaserleistung ΣR) [W], um so zu ermitteln, ob die Laserleistung des Laserstrahls 184a geeignet ist. Wird festgestellt, dass die Laserleistung Σe des Laserstrahls 184a nicht geeignet ist, führt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 eine Rückkoppelsteuerung bezüglich der Erzeugung des Laserstrahls 184a auf Basis der Differenz zwischen der Laserleistung Σe und der eingestellten Laserleistung (Referenzlaserleistung ΣR) aus bis die Laserleistung Σe einen geeigneten Wert annimmt.
Weiterhin berechnet die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 e_vec2 (1, (β₁₁e_2a/α₁e₁), (β₁₂e_2b/α₁e₁), (γ₁₂e_3a/α₁e₁), (γ₁₂e_3b/α₁e₁)) = (1, n₁, n₂, m₁, m₂). Die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 ermittelt, ob die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184a geeignet ist durch Ermittlung, ob die Werte n₁, n₂, m₁ und m₂ innerhalb der Schwellenwerte liegen. Hierdurch kann die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 eine Verschmutzung oder eine Beschädigung am Ausgangsspiegel 144 oder am teilreflektierenden Spiegel 24 detektieren, wobei Letztere als Rückspiegel im Resonator 146 wirkt.
Der zweite Laserstrahldetektor 15b empfängt den über den Ausgangsspiegel 144 emittierten Laserstrahls 184 und überträgt die Ausgänge e₁, e_2a, e_2b, e_3a und e_3b an die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188. Die Laserbearbeitungssteuerungsvorrichtung 188 detektiert auf Basis der Ausgänge e₁, e_2a, e_2b, e_3a und e_3b des zweiten Laserstrahldetektors 15b eine Verschmutzung oder Beschädigung an der äußeren Oberfläche des Ausgangsspiegels 144, Fremdkörper oder Gas im Lichtleiter 186, und eine Dejustierung der optischen Achse des Laserstrahls 184.
Der dritte Laserstrahldetektor 15c empfängt den Laserstrahl 184, der am reflektierenden Spiegel 192 reflektiert wird, und überträgt die Ausgänge e₁, e_2a, e_2b, e_3a und e_3b an die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188. Die Laserbearbeitungssteuerungsvorrichtung 188 detektiert eine Beschädigung oder Verschmutzung am reflektierenden Spiegel 192, Fremdkörper oder Gas im Lichtleiter 186, und eine Dejustierung der optischen Achse des Laserstrahls 184, der am reflektierenden Spiegel 192 reflektiert wird, auf Basis der Ausgänge e₁, e_2a, e_2b, e_3a und e_3b des dritten Laser-strahldetektors 15c.
Mit diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Eignung der Laserleistungen und der Intensitätsverteilungen der Laserstrahlen 184a, 184 in unterschiedlichen Positionen des Laseroszillators 182 und des Lichtleiters 186 zu bestimmen mittels der Mehrzahl von Laserstrahldetektoren 15a, 15b, 15c, die am Laseroszillator 182 oder dem Lichtleiter 186 angebracht sind. Deshalb kann der Benutzer feststellen, ob eine Wartung am Ausgangsspiegel 144 oder am teilreflektierenden Spiegel 26 im Laseroszillator 182 erforderlich ist oder eine Justierung am reflektierenden Spiegel 192 am Lichtleiter 186 mit höchster Genauigkeit.
Nunmehr wird mit Blick auf 12 der Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung 180 gemäß 11 näher erläutert. Der Betriebsablauf gemäß 12 beginnt wenn die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 einen Laserbearbeitungsbefehl vom Benutzer erhält und die Laserbearbeitungsvorrichtung 180 beginnt, das Werkstück W zu bearbeiten. In Schritt S1 sendet die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 einen Befehl an den Resonator 146 zur Erzeugung des Laserstrahls 184a.
In Schritt S2 gewinnt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 die Ausgänge e₁, e_2a, e_2b, e_3a und e_3b bezüglich der Intensität des Laserstrahls 184a vom ersten Laserstrahldetektor 50a und zeichnet sie als Werte α₁e₁,β₁₁e^2a, β₁₂e_2b, γ₁₁e_3a und γ₁₂e_3b im Speicher 16 auf. In Schritt S3 ermittelt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, ob die Laserleistung des Laserstrahls 184a geeignet ist. Dieser Schritt S3 wird mit Blick auf 13 näher erläutert. Bei Beginn von Schritt S3 berechnet die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 die Laserleistung Σe [W] in Schritt S21.
In Schritt S22 liest die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 einen Schwellenwert aus, der auf Basis der Referenzlaserleistung LR eingestellt worden ist und welcher im Voraus im Speicher 16 abgelegt worden ist. Beispielsweise liest die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 aus dem Speicher 16 Schwellenwerte gemäß ΣR × 0,99 bis ΣR × 1,01.
In Schritt S23 ermittelt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, ob Σe innerhalb vorgegebener Schwellenwerte liegt. Liegt Σe innerhalb vorgegebener Schwellenwerte, bestimmt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, dass die Laserleistung des Laserstrahls 184a, wie vom Resonator 146 generiert, geeignet ist und das Verfahren geht zu Schritt S4 gemäß 12. Liegt andererseits Σe nicht innerhalb des vorgegebenen Schwellenwertbereiches bestimmt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, dass die Laserleistung des Laserstrahls 184a im Resonator 146 ungeeignet ist und kehrt zu Schritt S1 in 12 zurück. Sodann führt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 eine Rückkoppelsteuerung bezüglich der Laserleistung des Laserstrahls 184a, wie durch den Resonator 146 generiert, auf Basis der Differenz zwischen Σe und ΣR aus.
In Schritt S4 gemäß 12 bestimmt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 die Eignung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184a. Dieser Schritt S4 soll näher mit Blick auf 14 erläutert werden. Bei Beginn von Schritt S4, in Schritt S31, berechnet die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 e_vec2 (1, (β₁₁e_2a/ (α₁e₁), (β₁₁e_2b/ (α₁e₁), (γ₁₁e_3a/ α₁e₁), (γ₁₂e_3b/ α₁e₁)) = (1, n₁, n₂, m₁, m₂).
In Schritt S32 liest die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 die im Speicher 16 vorab aufgezeichneten Größen R_vec2 (1, (r₂/r₁), (r₃/r₁)). In Schritt S33 bestimmt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, ob e_vec2 im vorgegebenen Schwellenwertbereich liegt. Beispielsweise prüft die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, ob die Werte n₁ und n₂ zwischen (R₃/R₁) × 0,9 und (R₂/R₁) × 1,1 liegen und prüft weiterhin, ob die Werte m₁ und m₂ zwischen (R₃/R₁) × 0,9 bis (R₃/R₁) × 1,1 liegen.
Liegt e_vec2 im vorgegebenen Schwellenwertbereich, bestimmt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184a, wie im Resonator 146 erzeugt, geeignet ist und geht zu Schritt S5 gemäß 12. Liegt andererseits e_vec2 nicht im vorgegebenen Schwellenwertbereich, bestimmt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184a, wie vom Resonator 146 erzeugt, ungeeignet ist und geht zu Schritt S11 gemäß 12.
In Schritt S5 gemäß 12 gewinnt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 vom zweiten Laserstrahldetektor 15b die Ausgänge e₁, e_2a, e_2b, e_3a und e_3b bezüglich der Intensität des Laserstrahls 184, wie über den Ausgangsspiegel 144 emittiert, und speichert dies in Form der Werte α₂e₁, β₁₃e2_a, β₁₄e_2b, γ₁₃e_3a und γ₁₂e_3b im Speicher 16. In Schritt S6 bestimmt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 die Eignung der Intensitätsverteilung des über den Ausgangsspiegel 144 emittierten Laserstrahls 184.
Im Einzelnen: die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 führt die Schritte S31 bis S33 gemäß 14 aus und bestimmt die Eignung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls 183 in Schritt S6. Stellt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 fest, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184 geeignet ist, geht sie zu Schritt S7. Stellt andererseits die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 fest, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184 nicht geeignet ist, geht sie zu Schritt S13.
In Schritt S7 gewinnt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 vom dritten Laserstrahldetektor 15c die Ausgänge e₁, e_2a, e_2b, e_3a und e_3b bezüglich der Intensität des Laserstrahls 184, der am reflektierenden Spiegel 192 reflektiert ist, und zeichnet dies entsprechend den Werte α₃e₁, β₁₅e_2a, β₁₆e_2b, γ₁₅e_3a und γ₁₆e_3b im Speicher 16 auf. In Schritt S8, ermittelt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 die Eignung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184 vom reflektierenden Spiegel 192.
Im Einzelnen: die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 führt die Schritte S31 bis S33 gemäß 14 auf und bestimmt die Eignung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184 in Schritt S8. Die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 geht zu Schritt S9 wenn ermittelt wurde, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184 geeignet ist. Andererseits geht die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 zu Schritt S13, wenn die Bestimmung ergeben hat, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184 ungeeignet ist.
In Schritt S9 ermittelt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 184, ob die Laserbearbeitung am Werkstück W abgeschlossen ist. Die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 beendet den Betriebsablauf gemäß 12, wenn festgestellt wird, dass die Laserbearbeitung abgeschlossen ist. Andererseits kehrt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 zu Schritt S1 zurück, wenn festgestellt wird, dass die Laserbearbeitung nicht abgeschlossen ist.
Wird andererseits in Schritt S4 festgestellt, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184a im Resonator 146 ungeeignet ist, erzeugt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 eine Warnung für die Bedienungsperson in Schritt S11. Insbesondere erzeugt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 Bild- /Audiodaten, welche anzeigen, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184a ungeeignet ist. Weiterhin überträgt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 Bilddaten/Audiodaten an die Anzeigevorrichtung 18 bzw. den Lautsprecher 20 und gibt optische Warnungen bzw. akustische Warnungen über die Anzeige 18 bzw. den Lautsprecher 20.
Bei Empfang einer derartigen Warnung kann der Benutzer erkennen, dass eine Verschmutzung oder eine andere Anormalität am Ausgangsspiegel 144 oder am teilreflektierenden Spiegel 24 im Resonator 146 vorliegt und sodann führt in Schritt S12 die Bedienungsperson eine Warnung am Ausgangsspiegel 144 und Rückspiegel aus, wie zum Beispiel eine Reinigung oder einen Ersatz.
Wenn andererseits festgestellt wird, dass die Intensitätsverteilung des über den Ausgangsspiegel 144 emittierten Laserstrahles 184 ungeeignet ist (Schritt S6), beurteilt in Schritt S13 die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, ob eine Dejustierung hinsichtlich der optischen Achse des Laserstrahls 184 vorliegt. Im Einzelnen ermittelt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, ob der Wert von a₂e₁, der über das Lichtempfangselement 30 auf dem optischen Weg O₁ des Laserstrahles gewonnen wurde, der Größte ist unter den Werten von α₂e₁, β₁₃e_2a, β₁₄e_2b, γ₁₃e_3a und γ₁₂e_3b, welche in Schritt S5 gewonnen wurden.
Ist der Wert von α₂e₁ nicht der Größte, stellt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 fest, dass eine Dejustierung der optischen Achse des Laserstrahls 184 entsprechend 6C vorliegt und geht zu Schritt S14. Ist andererseits der Wert von α₂e₁, der Größte, stellt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 fest, dass keine Dejustierung der optischen Achse des Laserstrahls 184 vorliegt und geht zu Schritt S11.
In Schritt S11 erzeugt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 Bilddaten/Audiodaten, welche anzeigen, dass die Intensitätsverteilung des über den Ausgangsspiegel 144 ausgekoppelten Laserstrahls 184 ungeeignet ist und zeigt dies dem Benutzer über die Anzeigeeinrichtung 18/Lautsprecher 20 an. Bei Empfang dieser Warnung kann der Benutzer erkennen, dass eine Verschmutzung oder eine andere Anormalität hinsichtlich des Ausgangsspiegels 144 des Resonators 146 vorliegt und sodann kann in Schritt S12 der Benutzer eine Wartung am Ausgangsspiegel 144 ausführen, wie eine Reinigung oder einen Ersatz.
Wird andererseits in Schritt S8 festgestellt, dass die Intensitätsverteilung des vom reflektierenden Spiegel 192 reflektierten Laserstrahls 184 ungeeignet ist, bestimmt in Schritt S13 die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188, ob eine Dejustierung der optischen Achse des Laserstrahls 184 vorliegt. Wird festgestellt, dass eine Dejustierung der optischen Achsen vorliegt, geht die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 zu Schritt S14. Wenn andererseits festgestellt wird, dass keine Dejustierung der optischen Achse vorliegt, geht die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 zu Schritt S11.
Sodann erzeugt in Schritt S11 die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 Bilddaten/Audiodaten, welche anzeigen, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 184, wie vom reflektierenden Spiegel 192 reflektiert, ungeeignet ist und unterrichtet den Benutzer über die Anzeigeeinrichtung 18/Lautsprecher 20. Bei Empfang dieser Warnung kann der Benutzer erkennen, dass eine Verschmutzung oder eine andere Anormalität hinsichtlich des reflektierenden Spiegels 192 vorliegt und sodann in Schritt S12 eine Wartung am reflektierenden Spiegel 192 ausführen, wie eine Reinigung oder einen Ersatz.
Wird andererseits in Schritt S13 festgestellt, dass eine Dejustierung der optischen Achse des Laserstrahls 184 vorliegt, erzeugt in Schritt S14 die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 Bilddaten/Audiodaten, welche dies anzeigen. Dann überträgt die Laserbearbeitungsvorrichtungssteuerung 188 die Bilddaten/ Audiodaten an die Anzeigevorrichtung 18/den Lautsprecher 20 und gibt eine Warnung per Bild oder akustischem Signal an den Benutzer über die Anzeigeeinrichtung 18 bzw. den Lautsprecher 20.
Bei Erhalt dieser Warnung kann der Benutzer erkennen, dass der Resonator 146 des Laseroszillators 182 ungenau justiert ist oder dass eine Anormalität bezüglich der Anordnung des reflektierenden Spiegels 192 besteht und sodann kann in Schritt S15 der Benutzer eine Wartung durchführen zur Justierung des Resonators 146 oder des reflektierenden Spiegels 192, um so die Dejustierung der optischen Achse des Laserstrahles 184 zu korrigieren.
Oben wurden Ausführungsbeispiele der Erfindung zu ihrer Erläuterung verwendet, jedoch schränken diese Ausführungsbeispiele den Umfang der Erfindung nach den Ansprüchen nicht ein. Kombinationen von Merkmalen, welche bezüglich einzelner Ausführungsbespiele erläutert wurden können auch den Umfang der Erfindung ausmachen. Andererseits sind auch nicht alle Merkmale notwendig für die wesentlichen Komponenten der erfinderischen Lösung des Problems. Für eine Fachperson ist deutlich, dass die obigen Ausführungsbeispiele abgeändert oder verbessert werden können in verschiedener Weise.
Weiterhin sei festgestellt, dass hinsichtlich der Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren die Abläufe, Routinen, Schritte, Verfahren und Stufen sowie andere Bearbeitungen in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden können, wenn nicht eindeutig die Vorgabe „vor“ oder „vorher“ etc. gegeben ist und nicht besonders angezeigt ist, dass das Ergebnis eines vorangegangenen Bearbeitungsschrittes im nachfolgenden Schritt verwendet wird. Wenn in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren der Einfachheit halber die Begriffe „erster“, „nächster“ etc. gebraucht werden für die Erläuterung des Ablaufs, bedeutet dies nicht, dass die Ausführung in dieser Reihenfolge wesentlich ist.

Claims

Strahlprofilmessgerät (10), das einen von einem Laseroszillator emittierten Laserstrahl (22) empfängt und eine Intensitätsverteilung des Laserstrahls (22) misst, umfassend: einen teilreflektierenden Spiegel (24), der in einem optischen Pfad des von dem Laseroszillator emittierten Laserstrahls angeordnet ist; mehrere Lichtempfangselemente (26, 28, 30), die jeweils verschiedene Bereiche (22b, 22c, 22d) eines Laserstrahlungsbereichs (22a') eines Laserstrahls (22') empfangen, der durch den teilreflektierenden Spiegel (24) verläuft, wobei die mehreren Lichtempfangselemente ein erstes Lichtempfangselement (30) umfassen, das derart angeordnet ist, dass das Zentrum des ersten Lichtempfangselementes mit einer optischen Achse des Laserstrahls zusammenfällt; mehrere Laserintensitätssensoren (50, 52, 54), die einzeln an den Lichtempfangselementen (26, 28, 30) angebracht sind und die Intensität des von jedem der mehreren Lichtempfangselemente (26, 28, 30) empfangenen Laserstrahls (22') detektieren, und ein Bestimmungsteil für eine Abweichung von der optischen Achse (O₁), der bestimmt, ob ein erstes Ausgangssignal (e₁) von dem Laserintensitätssensor (50), der an dem ersten Laserempfangselement (30) angebracht ist, betragsmäßig das größte Ausgangssignal von den mehreren Laserintensitätssensoren (50, 52, 54) ist, die an den mehreren Lichtempfangselementen (26, 28, 30) angebracht sind.
Strahlprofilmessgerät gemäß Anspruch 1, wobei die Laserintensitätssensoren (50, 52, 54) ein Thermoelement, eine Thermosäule, einen Thermistor oder einen Platin-Widerstandstemperaturdetektor aufweisen.
Strahlprofilmessgerät gemäß Anspruch 1, wobei die Laserintensitätssensoren (50, 52, 54) einen Dehnungsmesser aufweisen.
Strahlprofilmessgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Lichtempfangselement (30) ein kreisförmiges Bauteil ist, wobei die mehreren Lichtempfangselemente ein zweites Lichtempfangselement (28) umfassen, das zu dem ersten Lichtempfangselement (30) thermisch isoliert ist, wobei das zweite Lichtempfangselement (28) ringförmig ist und konzentrisch in Bezug auf das erste Lichtempfangselement (30) angeordnet ist.
Strahlprofilmessgerät (70) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mehreren Lichtempfangselemente ein zweites Lichtempfangselement (28) umfassen, das zu dem ersten Lichtempfangselement (30) thermisch isoliert ist, wobei das zweite Lichtempfangselement (76) in Bezug auf das erste Lichtempfangselement (74) so angeordnet ist, dass ein Zentrum des zweiten Lichtempfangselementes (76) näher an dem äußeren Rand (22g) des Laserstrahlungsbereiches (22a') liegt als das Zentrum des ersten Lichtempfangselementes (74).
Strahlprofilmessgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin folgendes aufweisend: eine Laserleistungsberechnungseinheit (56), welche die Laserleistung des von den mehreren Lichtempfangselementen (26, 28, 30) empfangenen Laserstrahls (22') auf Basis von Ausgangssignalen der mehreren Laserintensitätssensoren (50, 52, 54) berechnet.
Strahlprofilmessgerät gemäß Anspruch 6, weiterhin aufweisend eine Laserleistungsbestimmungseinheit (58), welche ermittelt, ob die Laserleistung in einem vorgegebenen Schwellenwertbereich liegt.
Strahlprofilmessgerät gemäß Anspruch 7, wobei die Laserleistungsberechnungseinheit (56) die Summe der Ausgangssignale der mehreren Laserintensitätssensoren (50, 52, 54) bildet, und die Laserleistungsbestimmungseinheit (58) ermittelt, ob die Summe in einem vorgegebenen Schwellenwertbereich liegt.
Strahlprofilmessgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin folgendes aufweisend: eine Verteilungsberechnungseinheit (60), welche die Intensitätsverteilung des Laserstrahls (22') auf Basis der Ausgangssignale der mehreren Laserintensitätssensoren (50) berechnet.
Strahlprofilmessgerät gemäß Anspruch 9, weiterhin aufweisend: eine Verteilungsbestimmungseinheit (62), die bestimmt, ob die Intensitätsverteilung des Laserstrahls (22') innerhalb eines vorgegebenen Schwellenwertbereiches liegt.
Strahlprofilmessgerät gemäß Anspruch 10, wobei die mehreren Lichtempfangselemente ein zweites Lichtempfangselement (28) umfassen, das zu dem ersten Lichtempfangselement thermisch isoliert ist, wobei die Verteilungsbestimmungseinheit (62) ermittelt, ob das erste Ausgangssignal in einem ersten Schwellenwertbereich liegt; und ermittelt, ob das zweite Ausgangssignal von dem Laserintensitätssensor (52) der an dem zweiten Laserempfangselement angebracht ist, in einem zweiten Schwellenwertbereich liegt.
Strahlprofilmessgerät gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, weiterhin aufweisend eine Warnungserzeugungseinrichtung, die: für einen Benutzer eine erste Warnung erzeugt, wenn die Verteilungsbestimmungseinheit (62) feststellt, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls nicht in dem vorgegebenen Schwellenwertbereich liegt und der Bestimmungsteil für eine Abweichung von der optischen Achse bestimmt, dass das erste Ausgangssignal betragsmäßig das Größte ist; und eine zweite Warnung erzeugt, die sich von der ersten Warnung an den Benutzer unterscheidet, wenn die Verteilungsbestimmungseinheit (62) bestimmt, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls nicht in dem Bereich eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt und der Bestimmungsteil für eine Abweichung von der optischen Achse bestimmt, dass das erste Ausgangssignal betragsmäßig nicht das Größte ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung (160), folgendes aufweisend: einen Laseroszillator (162); und ein Strahlprofilmessgerät (150) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.