JP5546125B2 - ピクセル・マトリクスの形態で設けられる温度センサを備える、ビーム・パラメータを記録する光学要素および方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルによる、レーザ・ビームを誘導し整形する光学要素、および、請求項１４のプレアンブルによる、こうした光学要素を用いてビーム・パラメータを記録する方法に関する。

材料を機械加工するためのレーザ・ビームの使用は産業用製造において普及している。機械加工の監視のため、また、品質保証のために、レーザ機構によって一定パワーの電磁放射が発生され、一定パラメータで出力されることが必要である。レーザ機構は、ビームを誘導し整形する複数の光学要素を備える。同時にビーム・パワーは、それにより影響を受ける。レーザ機構の品質は、ビームの向き、ビームのプロファイリング、ビーム・パワーによって本質的に決まる。これらのパラメータは、機械加工プロセスについて最適化され、かつ、光学要素の経年変化、初期破壊、および／または汚染によって悪影響を及ぼされる。こうした影響は、次に、電磁放射またはレーザ・ビームのビーム・パラメータに悪影響を及ぼす。前記パラメータを記録する、または、監視するために、レーザ・ビームの、いわゆるモード・ショットを生成する可能性が存在する。レーザ機構によって発生されるレーザ・ビームは、通例のビーム経路に結合されて取り出され、プレキシグラス・キューブに導かれる。そこでは、レーザ・ビームの衝当によって材料が気化し、残された輪郭が、ビーム品質に関するステートメントを可能にする。この技法は、時間がかかり、生産の中断を要求する。

「Laserscope UFC60」という名称のPrometec社(company Prometec)から得られるパンフレットは、主に、レーザ機械加工で使用される、ハイパワーのレーザからの未収束レーザ放射の連続測定と監視を可能にするデバイスを開示する。デバイスは、測定原理に従って動作する。測定原理によれば、ワイヤは、吸収される放射によって温度が増加すると、電気抵抗が増加する。測定データを決定するために、互いに並んで配列された著しく細いワイヤを用いて、重ねて配列された複数のグリッドが設けられる。２つのグリッドが重ねて搭載された装置が、ビーム監視のために提案され、グリッドを収容するこのデバイスは、レーザ・ビームが、前記グリッドを通過するように、ビーム経路内に配置される。

このデバイスは、ハウジングがグリッドを収容するため、レーザ機構が通常の動作で使用することができない。結果として、オンライン測定を実行することができない。さらに、情報を記録するために設けられるワイヤは、短いマイクロメートル範囲の径を有するため、極めて感度が高く、極めて容易に破損する可能性がある。特に、正確な測定のためのグリッドの冷却は、強い空気流が存在し、ワイヤがさらに容易に破損するため、困難さを伴う。しかし、グリッドが冷却されない状態では、記録された値は、グリッドの連続加熱の結果として誤差を受ける。さらに、汚れた粒子がグリッドに付着し、さらに、測定結果を損なう可能性がある。さらに、デバイスは、レーザ装置、ビーム源、またはビーム発生器内で使用することができない。光学要素の汚染、経年変化、破壊の始まりを、いずれも記録することができない。

ＦＲ ２ ６９８ ４９５ Ａ１は、レーザ機構内に設けられるレンズの温度を測定する方法を明らかにする。レンズの縁に取り付けられた第１の熱電素子が、レンズの温度を記録するために設けられる。さらなる温度素子は、ビーム経路の外側のレンズの出口の前面上に配列される。第３の熱電素子は、レセプタクルの肩部に取り付けられる。これらの３つの熱電素子は、互いに対して１２０℃だけずれて配列され、記録される温度を評価ユニットに転送する。記録される温度が閾値を超えるとすぐ、アラーム信号が出力される。

熱電素子がレンズとレンズ・レセプタクル上に配置されるため、レンズに対する熱電素子のそれぞれの接触箇所における個々の測定が、熱電素子によって実施される。これは、汚染または初期破壊または経年変化の程度の判定、および、ビーム・パワー、あるいは、さらなるビーム・パラメータに関するステートメントが可能でない。

ＵＳ−Ａ ４，６９２，６２３は、レーザ・ビームの状態と位置を記録するために設けられたデバイスを開示する。前記デバイスは、ガラス基材上に導体トラックのグリッドを有し、導体トラックは、交差する点で互いから絶縁される。前記導体トラックは、反射性コーティングで覆われている。吸収熱による電気抵抗の変化を記録する検出器とディスプレイ・デバイスが導体トラックに接続される。

類似の機構は、ＣＨ ６９０ ７９６ Ａ５に開示される。この特許文書で開示されるミラーは、導体トラックのグリッドが、絶縁体によって絶縁された２つの平面で形成されていることによって、先のデバイスと異なる。互いに平行に配列された多数の導体トラックの第１層は、ミラーのキャリア材料上の絶縁体上に設けられる。前記層は、絶縁体で覆われ、絶縁体は、次に、互いに平行に延びる導体トラックの第２層を収容する。導体トラックの第２層は、第１層に対して９０°だけ回転する方向に向けられる。導体トラックの第２層はまた、絶縁体で覆われる。評価ユニットへの接続のための接触エリアは、それぞれの場合に、導体トラックの外端に設けられる。

ＥＰ １ ３１０ ７８２ Ａ１は、キャリア材料上にコーティングを有する光学要素を開示した。こうした光学要素は、レーザ・ビームを誘導し整形するのに使用される。レーザ・ビームの状態と位置を記録するために、光学要素は、コーティングまたはキャリア材料上またはその中の薄い伝導性材料からなるグリッド構造を有することが実現される。光学要素に作用する接触要素によって、記録された測定値は、測定デバイスまたは評価ユニットに転送される。

ＵＳ−Ａ ４，６９２，６２３、ＣＨ ６９０ ７９６ Ａ５、およびＥＰ １ ３１０ ７８２ Ａ１による、上述した３つのデバイス全てが共通に有することは、放射の吸収により、温度変化がキャリア材料内で生じ、その温度変化が、次に、導体トラックに伝達されて、導体トラックの電気抵抗の変化が記録されることである。しかし、前記温度変化は、それぞれの導体トラック、または、２つの端点間の導体トラックの長さによって積分的に記録されることができるだけである。結果として、ビーム位置とビーム・サイズに関する評価は、近似的に実施されることができるだけである。モード・ショットによって見えるようにされるが、ビームの強度分布の評価は可能でない。

したがって、本発明は、電磁ビームのビーム誘導特性を維持しながら、ビーム位置、ビーム径、ビーム強度分布の正確な記録を可能にする、レーザ・ビームを誘導し整形する光学要素を提案するという目的に基づく。

この目的は、請求項１の特徴による、レーザ・ビームを誘導し整形する光学要素によって、本発明に従って達成される。

本発明に従って形成される光学要素は、たとえば、ビーム位置、ビーム径、ビームの強度分布などのビーム・パラメータの正確な評価を可能にするという利点を有する。複数のピクセルで構成されるマトリクスとしての温度センサの構成は、光学要素に衝当するレーザ・ビームについての強度の空間的分析を可能にする。こうした強度の空間的分析ができるため、レーザ・ビームを結合することことなく、レーザ・システムの動作中のビーム変動を記録することが可能である。ビーム変動は、レーザの状態に関するイメージを表し、その結果、光学要素だけでなくレーザ・システムのさらなるコンポーネントを監視することができる。いわゆる、モード・ショットは、本発明による光学要素の構成によって置換えられる。モード・ショットを生成するために、レーザ・ビームを結合することはもはや必要ではない。温度センサによって記録された測定値は、さらに、光学要素の熱負荷の評価し、かつ経年変化や汚染または初期破壊に関する光学要素の状態に関する評価を可能にする。同時に、本発明による少なくとも１つの光学要素の使用は、通常の生産に介入することなく、レーザ・システムの永続的な監視を提供することができる。

本発明の１つの有利な構成によれば、光学要素は、キャリア材料として温度感応性素子のマトリクスを備えている。温度センサとして、温度感応性素子がマトリクスで配置されるために、たとえば、衝当エリアの位置や電磁ビームのサイズまたは径などのさらなるビーム・パラメータ、強度分布の局所分析、絶対ビーム・パワー、時間的分析能力に関するステートメントを、同時に行うことができる。位置の記録は、光学要素に関するビームの向きまたはビーム・コース、その結果、存在する可能性があるミスアライメントを記録することができる。ビーム径および／または温度プロファイルの記録は、ビームの既知の所望のパワーと比較して現在のパワーを決定することを可能にする。

本方法のさらなる有利な構成によれば、少なくとも１つの温度感応性素子は、シリコン・ウェア内で、特に、ダイオードとして構成されることである。半導体材料がキャリア基材として使用されるとき、温度感応性素子としてのダイオードを直接キャリア基材内に実装することが特に可能である。ＣＭＯＳプロセスは、好ましくは、ダイオードを生産するのに使用される。さらなる知られている生産プロセスを同様に使用することができる。

温度感応性素子は、好ましくは、いわゆる、Ｐ型またはＮ型にドープしたデプレッションまたはウェル（「ｐウェル」または「ｎウェル」）内に埋め込まれる。これは、個々のダイオード間の電気絶縁を提供し、それにより、異なる温度感応性素子間のクロストークを減らすまたは防止する。

好ましくは、温度感応性素子は、互いに熱的に絶縁される。このために、たとえば、前記温度感応性素子を互いから絶縁するためのトレンチが、キャリア基材、特に、シリコン・ウェハ内に設けられる。トレンチに絶縁性層が充填され、「深トレンチ分離(deep-trench isolation)」と呼ばれる。それにより、光学要素に衝当する電磁ビームの記録と位置指定を、正確に局在化させることができる。同時に、それにより、各温度感応性素子について、改善された温度記録が可能になり、それにより、ビーム・プロファイリングが、より正確に記録される。

１つの好ましい実施態様では、複数の温度感応性素子は、ピクセル内で直列に接続される。それにより、たとえば、特定の電流のある場合の電圧降下または既知の電圧がある場合の特定の電流降下などの、センサ・チェーン内での複数の時間依存特徴または特性曲線のうちの１つを測定することが可能である。マトリクスのピクセルが、有利には、複数の温度感応性素子からなることによって、ピクセルの測定精度、したがって、複数のピクセルからなる温度センサの性能が向上する。代替として、ピクセルの温度感応性素子は並列に接続され、それにより、ピクセルの温度に関する平均化されたステートメントを、同様に可能にする。

１つの好ましい実施態様は、温度センサに面するキャリア基材の面をコーティングすることであり、温度センサから離れたキャリア基材の面に、キャリア材料を設けることである。この構成は、温度センサを形成するためのマトリクスとしてピクセルを生産するために、特に非常に薄いシリコン・ウェハが、ダイオードの実装のために使用されることを可能にする。さらに、キャリア基材を収容するために、高い熱伝導率および／または機械的剛性を有する複数のキャリア材料が加えられる。たとえば、キャリア基材とキャリア材料との間に、粘着結合接続部を設けることができる。こうしたキャリア材料は、金属、特に銅、および、同様に、たとえば、シリコンなどの他の材料から提供されることができる。

光学要素の代替の実施態様は、キャリア材料が、温度センサから離れたキャリア基材の面に設けられ、コーティングが、キャリア材料のキャリア基材とは反対の面の上に設けられる。この構成は、たとえば、キャリア材料に応じて、レーザ・ビームの反射の増加または透過の減少させることを可能にし、その結果、キャリア材料は、フィルタとして働き、十分な放射エネルギーが、依然として温度センサに作用する。

最後に述べた実施態様では、キャリア材料は、好ましくは、透過性が高いか、または、完全に透過性である方式で形成される。たとえば、キャリア材料は、少なくとも９７％の透過率を有する。

好ましくは、反射性の高いコーティングを、温度センサ、同様に、温度感応性素子の接続部から分離するために、パッシベーション層が、コーティングとキャリア基材との間に設けられる。この機構は、光学要素についての第１の実施態様の層構成内に設けられる。第２の代替の実施態様では、温度センサは、ビーム経路内の入射レーザ・ビームに関して離れて割り当てられ、好ましくは、その背面で吸収体層を収容する。

本発明のさらなる有利な構成によれば、応力補償層が、コーティングに対向する、キャリア材料の背面上に設けられ、前記応力補償層は、好ましくは、シリコン窒化物または類似の材料からなる。こうした層は、たとえば、プラズマ強化または化学気相堆積法によって設けられる。

本発明のさらなる有利な構成によれば、光学要素のコーティングが、少なくとも９８％のレーザ放射の反射率を有する。結果として、一方で、レーザ・ビームのイメージング特性、特に、誘導および／または整形特性が保持され、他方で、温度センサが、入射レーザ・ビームの強度から保護される。コーティングは、レーザ・ビームが、減衰するように温度センサに作用する効果を有し、したがって、フィルタ機能を有する。非反射放射または非反射放射の廃熱は、測定に使用される。

さらに、好ましくは、温度センサ用の少なくとも１つのマルチプレクサ、好ましくは、電子コンポーネントは、キャリア基材内で、ピクセルからなるマトリクスに隣接して構成されるか、または、埋め込まれることである。結果として、温度感応性素子と関連する回路と信号変換が、共に光学要素内で実施される、温度センサの完全一体化構成を提供することが可能であり、それにより、信号が、簡単な方法で出力されることが可能になる。

本発明による目的は、さらに、ビーム・パラメータを記録する方法によって達成され、その方法では、先の有利な実施態様の１つによる、１つまたは複数の光学要素が、電磁ビームのビーム経路内で問い合わされ、記録された信号が評価ユニットに記録される。評価ユニットでは、個々のピクセルのデータが、取得され、評価され、それにより、ビーム位置、ビーム径、強度分布の正確な決定が可能になる。本発明による単一光学要素がビーム経路内に配列されても、ビーム位置、ビーム径、ビームの強度分布などの、監視にとって重要な情報を記録することが可能である。長い期間にわたって実施される監視の場合、ビーム・パラメータの変動は、異なる時間間隔との比較によって同時に生じる。複数の光学要素が、レーザ・システムのビーム経路内に設けられる場合、それぞれの各光学要素における記録されたビーム・パラメータは、互いに比較され、それにより、たとえば、ビーム経路に沿うビーム・プロファイルの変動、および、同様に、ビーム位置の変動、ならびに、ビーム・パワーの減少を記録することができる。結果として、１つまたは複数の光学要素の初期破壊、経年変化、汚染に関する結論を引き出すことも、同時に可能である。さらに、評価ユニットは、ビーム・パラメータを最適化するために、レーザ機構のパラメータを独立に再調整することを可能にすることができる。

有利には、光学要素によって記録されたデータは、遠隔データ伝送ユニットを介した遠隔問い合わせのために評価ユニットによって提供されることである。これは、リモート診断およびテレサービスや遠隔サービスを可能にする。有利には、複数のレーザ・システムが、中央記録箇所で監視されることである。

最適動作のために決定された所望の値についての逸脱がある場合、レーザ・システムから空間的に分離して確立された記録箇所は、レーザ・システムを最適パラメータに設定するために、それぞれのレーザ・システムにアクセスされる。

本発明、および、同様に、本発明のさらなる有利な実施態様および開発は、図面に示す例に基づいて以下でより詳細に述べられ説明される。説明および図面から推測することができる特徴は、本発明による任意所望の組合せにおいて、それ自体によって個々に、または、複数で適用されることができる。

図１は、たとえば、材料や工作物１２を機械加工するのに使用されるレーザ・システム１１を示す。レーザ・システム１１は、電磁放射、特に、レーザ・ビーム１４を発生するレーザ装置１３、特に、ＣＯ₂レーザを有するレーザ機構を備える。レーザ・ビーム１４の波長は、好ましくは、遠赤外範囲にある。ビーム望遠鏡(beam telescope)１６が、レーザ装置１３に設けられ、ビーム望遠鏡によって、レーザ装置１３内で発生したレーザ・ビーム１４が結合される。ビーム望遠鏡１６から機械加工箇所１７まで、レーザ・ビーム１４は、外部光学ユニット１８によって誘導される。外部光学ユニット１８は、使用例に応じて、単一軸または複数軸で具体化される基礎機械フレーム１９上に設けられる。例示的な本実施形態では、外部光学ユニット１８は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動する。単一軸または複数軸光学ユニットは、浮遊式光学ユニットとも呼ばれる。代替として、工作物１２および／または光学ユニット１８もまた移動することができる。

レーザ・システム１１は、図２による複数の光学要素２３を有する。レーザ装置１３内で要求される光学要素２３は、内部光学要素とも呼ばれ、たとえば、背面ミラー、結合ミラー、偏向ミラーや部分的に透過性のあるミラー、同様に、レンズなどの部分的に透過性のある光学ユニットを備える。スイッチは、詳細には示されない。外部光学ユニットは、ビーム誘導とビーム整形のために、少なくとも１つの第１偏向ミラー２３'を、また、機械加工ヘッド２４内に少なくとも１つのさらなる偏向ミラー２３'、および、たとえば、レンズとして形成される収束光学ユニット２３''を有する。さらなる偏向ミラー２３'および収束光学ユニット２３''の代わりに、凹面ミラーを設けることもできる。ビーム望遠鏡１６から収束光学ユニット２３''までのレーザ・ビーム１４のビーム経路は、ベローズによって閉じられる。

図２による光学要素２３は、金属材料、合金からなるか、または、半導体材料からなるキャリア基材４０を備える。コーティング３２がキャリア基材４０上に設けられる。前記コーティング３２は、異なる金属または金属合金や半導体材料を含むことができる。一組の矢印３４は、レーザ・ビーム１４を表す。

コーティング３２の無い図２による光学要素２３が図３の平面図で示される。温度センサ３８は、キャリア基材４０内に設けられるか、または、埋め込まれる。前記温度センサ３８は、マトリクスに配列され、かつ、それぞれの場合に、少なくとも１つの温度感応性素子３９を備える複数のピクセル３６を備える。たとえば、複数の温度感応性素子３９が、互いに対して所定の間隔で互いに沿って複数の行と列で配列される機構が設けられる。

温度感応性素子３９は、受信信号を、シンボル的に示す接続部４２を介して、レーザ・システム１１の評価ユニット３０へ出力するために、たとえば、行と列のマトリクスで互いに接続されるダイオードの形態に実施されている。こうした接続部４２は、接続片のコーティングまたは埋め込みによって、たとえば気相堆積によって、マトリクスとして形成させることができる。さらに、ワイヤまたは他の接続片を使用することができる。温度センサ３８は、さらに、信号ピックアップを可能にする、簡略化する、または、改善する、たとえば、マルチプレクサまたは増幅器などの電子回路を備えることができる。これらの要素は、好ましくは、キャリア基材４０内に埋め込まれる。図２に示す円３７は、衝当するレーザ・ビーム１４をシンボル化する。

図４は、光学要素２３の構成の本発明による第１の実施形態の略断面図を示し、温度感応性素子３９は、キャリア基材４０内に一体化され、温度感応性素子は、温度センサ３８の一部である。前記温度感応性素子３９は、たとえば、ダイオードとして形成され、ＣＭＯＳ適合プロセスによって、シリコンからなる層に、または、シリコン・ウェハ内に導入される。前記温度感応性素子３９は、接続線４３を介して、行と列の形態のマトリクスでさらなる温度感応性素子３９に接続される。クロストークを減らすか、または、防止するために、パッシベーション層４４が、好ましくは、温度感応性素子３９上に加えられる。コーティング３２が、前記パッシベーション層４４に加えられる。

この実施形態では、シリコン・ウェハまたはキャリア基材４０は、非常に薄く作られ、キャリア材料３１の層上に加えられる。たとえば、銅などの金属、また、同様に、シリコンで構成されるキャリア材料３１は、キャリア基材４０を収容するために設けられている。この構成は、たとえば、用途に適合した熱伝導率または機械的強度を選択するために、キャリア基材４０を使用し、また、キャリア基材４０と組合せる異なる事例について、異なるキャリア材料を選択することができるという利点を有する。

図３の代替の実施形態は、キャリア材料のさらなる使用を必要としないように、キャリア基材が、シリコンで構成された厚い層からなる。

図５は、光学要素２３の代替の実施形態を示す。この実施形態は、コーティング３２が、キャリア材料３１上に加えられる構成を有する。キャリア基材４０は、コーティング３２に対してキャリア材料３１の対向面に設けられ、温度センサ３８は、光学要素２３の背面の方を向く。温度センサ３８は、吸収層４５で覆われる。この実施形態では、キャリア材料３１は、透過性が高いか、または、完全に透過性であるように形成される。たとえば、ＺｎＳｅなどの材料を使用することができる。これらは、少なくとも９７％の透過率を有する。コーティング３２は、好ましくは、２％未満の透過率が与えられる。

キャリア基材４０またはキャリア材料３１上のコーティング３２は、全体にわたって温度センサ３８を覆い、接触要素を取り付ける接続部４２を除いて、キャリア基材４０とキャリア材料３１の全表面にわたる全エリアにわたって広がることができる。コーティング３２は、レーザ・ビームが誘導され、かつ／または、整形され、また、同様に、温度感応性素子３９の保護と測定値の記録のために、温度感応性素子３９についてのレーザ・ビームの減衰を確実にするための２つの機能を有する。

図６は、図３による光学要素２３内の温度センサ３８の、互いに並んで配列された、２つのピクセル３６の略拡大断面図を示す。各ピクセル３６は、シリコン・ウェハ内で、反対にドープされた拡散層４７を有するｐ型またはｎ型にドープされたウェル４６内に温度感応性素子３９としてダイオードを備える。有利には、このためにＣＭＯＳプロセスを使用することができる。ｐ型またはｎ型にドープされたウェル４６は、２つの隣接する温度感応性素子３９間に電気絶縁性をもたらし、温度感応性素子３９間のクロストーク挙動の低減を可能にする。たとえば、トレンチ４８などの構造が、さらに、光学要素２３内に導入され、温度センサ３８を形成するために、マトリクスに配列された温度感応性素子３９間の熱絶縁を増加させることができる。トレンチ４８は、熱絶縁層４９で閉じられる。このために、分離用の切断部またはエッチング部が、ウェハの表面に導入され、その後、絶縁材料を充填される。これは、熱クロストークをかなり低減させる。

シリコン・ウェハの平坦度を増すために、有利には、応力補償層を、シリコン・ウェハの背面に設けることができる。応力補償層は、たとえば、ＳｉＲＮ（シリコンに富む窒化物）またはシリコン窒化物または類似の材料から作られることができ、プラズマ強化気相堆積法（ＰＥＣＶＤ）または低圧気相堆積法（ＬＰＣＶＤ）によって加えられる。

シリコン・ウェハの表面粗さを減らすため、したがって、反射特性を向上させるため、温度センサ３８が、設けられるか、または、埋め込まれるキャリア基材４０の表面が研磨される。反射層、たとえば、金層および／または誘電体層をさらに設けることができる。

図７は、温度センサ３８のピクセル３６を拡大して示す。この例示的な実施形態では、たとえば、５つの温度感応性素子３９が、互いに直列に接続され、ピクセル３６を形成する。複数の温度に依存する特徴または特性曲線が記録され、それにより、各ピクセル３６の測定精度が上がるという利点をこの機構が有する。代替として、温度感応性素子３９が、互いに並列接続で配列されてもよい。

温度センサ３８についてのピクセル３６の代替の構成が、図８に示される。この例示的な実施形態では、２つの直列の温度感応性素子３９が、ピクセル３６内に設けられる。これらは、やはり、例示的な実施形態に従って直列に、そうでなければ、並列に接続されることができる。それにより、複数の信号が記録され、平均して記録された値に関する高品質ステートメントが、あるイベントについて可能になる。

光学要素２３は、レーザ・システム１１のホルダまたはレセプタクル内に配列される。これらのレセプタクルまたは保持要素は、接触接続が実施されるように、光学要素２３が保持デバイス内に挿入されるときに接続部４２に作用する接触要素を有する。代替として、記録された測定値を光学要素２３から読み出し、評価ユニットに転送するために、他の接触部が、光学要素２３へ挿入する前に結合される、または、粘着結合されるか、あるいは、プラグ・コネクタとして形成される。さらに、光学要素２３から保持デバイスへ、コントローラへ、または、レーザ・システム１１のさらなるコンポーネントへの測定データの無接触伝送が、機械式接続の代わりに可能になる。光学要素２３は、トランスポンダ、すなわち、ＩＣメモリ素子とアンテナを備え、ＲＦＩＤ技術による測定データの無接触伝送を可能にする。こうしたトランスポンダは、キャリア基材４０、キャリア材料４１、またはコーティング３２内またはその上に設けることができる。

温度感応性素子３９としてダイオードを備える上述した例示的な実施形態は、レーザ・ビーム１４の温度を記録するために、異なる特性を有する。こうした特性は、たとえば、温度感応性素子３９に加えられる、既知または一定電流の場合の順方向または逆方向電圧降下あるいは既知または一定電圧の場合の順方向または逆方向電流を有する。

温度依存性が、前記特性によって記録される。電圧差がピクセルの温度に正比例するという事実が、特性から得ることができる。その結果、光学要素２３に作用するレーザ１４に依存するビーム・パラメータに関して直接結論を引き出すことができる。

キャリア基材４０内に一体化されるか、または、埋め込まれる温度センサ３８、および、同様に、行と列の形態で配列される温度感応性素子３９は、複数のパラメータが同時に記録され、評価されることを可能にする。これらは、たとえば、ビーム・パワーを含む。ビーム・パワーまたはビーム・パワーの変化は、温度分布に依存する電圧の比例的な変化によって記録される。レーザ装置１３によって発生するレーザ・ビーム１４の出力パワーは、この場合既知である。その結果、たとえば、ビーム経路に沿って、複数の測定箇所における記録されたデータの比較によって、ビーム・パワーの変動を記録することが可能である。さらに、ビーム位置とビーム位置の逸脱は、複数の温度感応性素子３９によって記録される。その結果、ビーム経路内の光学要素２３のミスアライメントまたは不正確なアライメントまたは位置の変動に関する結論を記録することが可能である。ビーム・プロファイルを、さらに決定することができる。電圧が温度に直接依存するため、ビーム・プロファイルは、ピクセル分析によって記録されることができる。

レーザ・システム１１から離れたところで、たとえば、ビーム位置、パワー、ビーム・プロファイルなどのパラメータの実際の値と所望の値の比較を行い、実際の値の補正または所望の値への近似が、外部で行われるという意味で、リモート診断すなわち遠隔診断がさらに変更される。こうした遠隔制御によって、複数のレーザ・システム１１が、中央ワークステーションから監視され、制御される。

この情報は、評価ユニット３０に転送される。評価ユニット３０は、レーザ装置１３に一体化され、前記レーザ装置上に、または、レーザ装置から離れて配列され、外部光学ユニット１８に接続される。前記評価ユニット３０は、リモート診断すなわち遠隔診断が可能になるように、データ線、無線などを介して記録データを出力することができる。さらに、いつでも可能になる、レーザ・ビーム１４の現在のパラメータの問い合わせは、作業プロセスの中断を必要とせず、動作中のレーザ・システム１１の完璧な監視が可能になるという利点を有する。光学要素２３内の温度分布を記録する結果、ビーム・プロファイルが、デコンボリューション法によって決定することができる。さらに、ビーム・プロファイルは、最大エントロピー法を適用することによって、温度分布から決定することができる。

記録された値と総合パワーを比較することによって、さらに、光学要素２３の初期汚染、経年変化、または損傷を特定することが可能である。同時に、こうしてデータを記録する結果、いわゆる、モード・ショット無しで済ますことができる。必要とするデータは、光学要素２３内に一体化された温度センサ３８によって決定される。その結果、レーザ・システム１１の時間のかかるシャットダウンやレーザ・ビーム１４の複雑な結合は必要とされない。さらに、レーザ・システムのリモート診断、遠隔サービス、遠隔制御を可能にすることができる。

レーザ機械加工機の概略構成を示す図である。 本発明による光学要素の斜視図である。 コーティングが無い状態の光学要素内に設けられる温度センサの略平面図である。 光学要素内の温度センサの温度感応性素子の略断面図である。 代替の構成を有する、光学要素内の温度センサの温度感応性素子の略断面図である。 キャリア基材内に配列された温度感応性素子の略拡大断面図である。 温度感応性素子のマトリクスからなる温度センサのピクセルの略図である。 温度感応性素子のマトリクスの２つのマトリクスを有する温度センサのピクセルの略図である。

Claims (12)

1. レーザ・ビーム（１４）を誘導しかつ整形する光学要素であって、
   キャリア基材（４０）と、コーティング（３２）と、前記キャリア基材（４０）に設けられた少なくとも１つの温度センサ（３８）とを備え、
   前記温度センサ（３８）は、マトリクスに配列された複数のピクセル（３６）を備え、
   前記それぞれのピクセル（３６）は、少なくとも１つの温度感応性素子（３９）を備えた光学要素において、
   前記ピクセル（３６）の前記少なくとも１つの温度感応性素子（３９）は、前記キャリア基材（４０）内に構成され、
   前記キャリア基材（４０）は、シリコンからなり、
   前記コーティング（３２）は、少なくとも９８％の放射の反射率を有し、
   前記キャリア基材（４０）の前記温度センサ（３８）から離れた面の上にキャリア材料（３１）が設けられ、
   前記コーティング（３２）は、前記キャリア材料（３１）の前記キャリア基材（４０）とは反対の面の上に設けられる
   ことを特徴とする光学要素。
2. 前記少なくとも１つの温度感応性素子（３９）は、シリコン・ウェハに設けられることを特徴とする請求項１に記載の光学要素。
3. 前記温度感応性素子（３９）は、いわゆる、ｐ型またはｎ型にドープしたデプレッションまたはウェル（４６）内に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の光学要素。
4. 前記温度感応性素子（３９）は、絶縁セクション（４８、４９）によって互いに熱的に絶縁されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学要素。
5. 複数の温度感応性素子（３９）は、ピクセル（３６）内で直列に接続されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学要素。
6. 複数の温度感応性素子（３９）は、ピクセル（３６）内で並列に接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学要素。
7. 前記キャリア材料（３１）は、透過性が高い方式で形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学要素。
8. パッシベーション層（４４）が、前記温度感応性素子（３９）を収容する前記キャリア基材（４０）と、前記キャリア基材に設けられる前記コーティング（３２）との間に設けられること、または、吸収層（４５）が、前記温度感応性素子（３９）を収容する前記キャリア基材（４０）に設けられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学要素。
9. マルチプレクサおよび電子コンポーネントの少なくとも１つは、前記キャリア基材（４０）内で、ピクセル（３６）からなる前記マトリクスに隣接して構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学要素。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の１つまたは複数の光学要素を用いてレーザ・システム（１１）内でレーザ・ビーム（１４）のビーム・パラメータを記録し監視する方法であって、前記１つまたは複数の光学要素（２３）によって記録されるデータが、前記レーザ・システム（１１）の評価ユニット（３０）に転送され、前記個々のピクセル（３６）のデータが記録され、実際の／所望の値との比較によって評価されることを特徴する方法。
11. 前記記録されたデータは、中央記録箇所への遠隔データ伝送のために、前記評価ユニット（３０）によって出力されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記レーザ・システム（１１）のビーム・パラメータは、前記レーザ・システム（１１）から空間的に分離されるように設けられる前記記録箇所によって設定され監視されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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